本发明专利技术公开了一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，属于铁磁材料领域及三代半导体微波毫米波器件领域。该晶体管包括GaN HEMT完整外延结构以及在GaN HEMT完整外延结构上制备的源漏金属、源漏保护SiN介质、一次栅金属磁化膜及二次栅金属；所述的GaN HEMT完整外延结构包括：衬底、成核层及高阻缓冲层、沟道层和势垒层；所述的一次栅金属磁化膜及二次栅金属自下而上共同构成器件的栅极。本发明专利技术采用磁化膜作为栅极的一次栅金属，可通过磁化膜的自旋极化耦合，实现对二维电子气的电子自旋方向的调制。同时由于肖特基势垒的作用，可调控沟道内的二维电子气浓度。
【技术实现步骤摘要】
一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管
本专利技术涉及一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管(HighElectronicMobilityTransistor,HEMT)，属于铁磁材料领域及三代半导体微波毫米波器件领域。
技术介绍
三代半导体GaN器件，具有更大的禁带宽度和更高的工作电压，其在微波毫米波芯片领域具有广阔的应用前景。一般的AlGaN/GaN结构的HEMT器件，由于AlGaN/GaN界面的逆压电效应，使得在GaN沟道存在二维电子气，故器件的栅极形成的肖特基接触势垒，会对沟道二维电子气具有控制作用，即电压控制电流器件。由于栅极电压对沟道电流的调制作用，使得HEMT器件广泛的用于功率放大器、低噪声放大器等有源器件中。传统的高电子迁移率晶体管的调制模式由电压控制电流器件，即栅极电压的改变可控制沟道电流的大小。对沟道中的电子自旋并未控制。垂直磁化膜或面内磁化膜可以使磁性薄膜内部产生自发磁化，自发磁化方向垂直与膜面或平行于膜面或平行于膜面。垂直磁化膜或面内磁化膜可以通过磁场来控制其内部的自旋电子的方向。由于垂直磁化膜或面内磁化膜的自旋耦合作用，与其相邻的自旋电子也会受到影响，使其自旋方向沿同一方向排列。基于该特性，垂直磁化膜或面内磁化膜广泛的用于磁性存储领域。传统的HEMT器件是电压调制沟道电流器件，不会调制沟道内部的自旋电子方向，如果采用垂直磁化膜或面内磁化膜作为HEMT器件的肖特基势垒栅极，则由于垂直磁化膜或面内磁化膜的自旋耦合特性，其会对沟道内的自旋电子产生调制作用。同时肖特基势垒也会对沟道内的电子浓度产生调制。故通过具有垂直磁化膜或面内磁化膜的肖特基势垒会同时调制沟道电子浓度及电子自旋方向。因此，开发具有自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，可以建立射频器件与自旋电子的联系，有利于推动多维度微波毫米波器件的发展。目前，GaN器件采用的栅极金属一般为Ni，Pt等金属，势垒层一般为AlGaN材料。通过溅射或蒸发将栅极金属制备到势垒层表面形成肖特基接触，从而形成电压控制电流的场效应调制。由于传统的GaNHEMT器件应用于射频功率放大器，应用环境不涉及磁场环境，故对栅极金属的磁特性没有深入研究。综上所述，目前的GaNHEMT器件只实现了电压控制电流的场调制作用，没有建立射频器件与自旋电子的联系。从原理上没有实现栅金属与沟道电子的自旋极化耦合，即栅金属无法同时调控自旋电子的自旋方向和沟道电流。
技术实现思路
本专利技术提出了一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，该晶体管采用磁化膜作为栅极的一次栅金属，可通过磁化膜的自旋极化耦合，实现对二维电子气的电子自旋方向的调制。同时由于肖特基势垒的作用，可调控沟道内的二维电子气浓度。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，包括GaNHEMT完整外延结构108以及在GaNHEMT完整外延结构108上制备的源漏金属201、源漏保护SiN介质202、一次栅金属磁化膜603及二次栅金属602；所述的GaNHEMT完整外延结构108包括：衬底101、成核层及高阻缓冲层102、沟道层103和势垒层104；所述的一次栅金属磁化膜603及二次栅金属602自下而上共同构成器件的栅极。所述衬底101为Si单晶、高纯半绝缘SiC、GaN单晶、金刚石衬底中的任一种。所述的成核层及高阻缓冲层102为掺铁GaN、掺矾GaN、AlN材料中的一种或多种组成。所述沟道层103为GaN、InGaN材料中的一种。所述势垒层104为AlGaN、AlInN、AlN、AlInGaN中的任一种。所述一次栅金属磁化膜603为垂直磁化膜或面内磁化膜，分别具有垂直磁化特性或面内磁化特性，其自发磁化方向分别垂直于膜面或平行于膜面。所述一次栅金属磁化膜603采用铁磁材料/金属材料多层膜周期性重复制备而成，重复周期为n。所述每层铁磁材料/金属材料的厚度在0.2nm～35nm之间，周期n从1至100不等。所述的一次栅金属磁化膜603中的铁磁材料为CoFeB、NiFe、CoFe、CoNi、CoPt、Fe、Co、Ni铁磁材料中的任意一种或组合。所述的一次栅金属磁化膜603中的金属材料为W、Ir、Ta、Ti、Pt、Pd、Ru金属材料中的任意一种或组合。所述的二次栅金属602的金属材料为Au、Al、Ta、Ti、Pt、Pd、Ru、Ni中的一种或组合。本专利技术的有益效果如下：1.采用了垂直磁化膜或面内磁化膜作为栅极金属，该多层膜具有磁化特性。该结构首次将垂直磁化膜或面内磁化膜引入到场效应晶体管中，同时首次将磁场调控引入场效应晶体管中。2.本专利技术具有垂直磁化特性或面内磁化特性的栅极金属，由于自旋极化耦合作用，会对沟道内的电子产生自旋极化作用，从而可通过栅极的磁性大小及磁化方向来调制沟道内的二维电子气的电子自旋方向；同时由于肖特基势垒的作用，可调控沟道内的二维电子气浓度。附图说明图1在GaN外延层结构示意图。图2制备源漏金属及生长保护介质截面示意图。图3光刻栅脚工艺截面示意图。图4刻蚀栅脚形成介质凹槽示意图。图5光刻栅帽后示意图。图6一次栅金属磁化膜蒸发及二次栅金属蒸发并剥离形成肖特基接触截面示意图。其中：101：衬底；102：成核层及高阻缓冲层；103：沟道层；104：势垒层；105：AlGaN背势垒层；106：AlN插入层；107：GaN帽层；108：GaNHEMT完整外延结构；201：源漏金属；202：源漏保护SiN介质；301：光刻栅脚工艺；302：栅脚图形；401：栅脚刻蚀或湿法腐蚀工艺；402：栅脚凹槽图形；501：光刻栅帽工艺；502：栅帽结构胶型；601：栅金属制备工艺；602：二次栅金属；603：一次栅金属磁化膜。具体实施方式下面结合附图对本专利技术创造做进一步详细说明。本专利技术通过在GaN高电子迁移率晶体管的材料势垒层表面溅射磁化膜作为栅极的一次栅金属磁化膜603。同时该一次栅金属磁化膜603与势垒层104界面实现肖特基接触。由一次栅金属磁化膜603形成的栅极具有垂直磁化特性，会对沟道中电子产生自旋极化耦合；同时由于栅对沟道内的二维电子气具有场效应调制特性，因此该结构对沟道内的二维电子气同时具有自旋极化耦合特性及场效应调制特性，进而可同时实现对沟道电子的自旋方向及沟道电流的调制。本专利技术所公布的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管的结构和制备方法如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示。在SiC衬底上外延生长GaNHEMT完整外延结构108，如图1所示，包括衬底101，成核层及高阻缓冲层102，沟道层103，势垒层104。该势垒层104与GaN沟道103由于逆压电效应会在势垒层104与沟道层103界面处产生二维电子气。其中，衬底101为Si单晶、高纯半绝缘SiC、GaN单晶、金刚石衬底中的任一种。成核层及高阻缓冲层102为掺铁GaN、掺矾G本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括GaN HEMT完整外延结构(108)以及在GaN HEMT完整外延结构(108)上制备的源漏金属(201)、源漏保护SiN介质(202)、一次栅金属磁化膜(603)及二次栅金属(602)；所述的GaN HEMT完整外延结构(108)包括：衬底(101)、成核层及高阻缓冲层(102)、沟道层(103)和势垒层(104)；所述的一次栅金属磁化膜(603)及二次栅金属(602)自下而上共同构成器件的栅极。/n
【技术特征摘要】
1.一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括GaNHEMT完整外延结构(108)以及在GaNHEMT完整外延结构(108)上制备的源漏金属(201)、源漏保护SiN介质(202)、一次栅金属磁化膜(603)及二次栅金属(602)；所述的GaNHEMT完整外延结构(108)包括：衬底(101)、成核层及高阻缓冲层(102)、沟道层(103)和势垒层(104)；所述的一次栅金属磁化膜(603)及二次栅金属(602)自下而上共同构成器件的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述衬底(101)为Si单晶、高纯半绝缘SiC、GaN单晶、金刚石衬底中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述的成核层及高阻缓冲层(102)为掺铁GaN、掺矾GaN、AlN材料中的一种或多种组成。
4.根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述沟道层(103)为GaN、InGaN材料中的一种。
5.根根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述势垒层(104)为AlGaN、AlInN、AlN、AlInGaN中的任一种。...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴少兵，陈韬，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。