一种高迁移率自旋场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高迁移率自旋场效应晶体管，包括源电极、漏电极、栅电极、半导体沟道、衬底。相对现有基于单一半导体沟道的自旋场效应晶体管，本半导体沟道结构具有能带结构可调、迁移率高、载流子浓度和种类可调、自旋扩散长度长等优势；相对传统衬底的自旋场效应晶体管，本发明专利技术引入具有压电特性的衬底，可通过衬底的表面极化电场调控载流子在半导体沟道内的自旋输运，可以有效降低开启或关断电压，提升栅极控制效果；相对现有自旋场效应晶体管制备工艺，本发明专利技术可以优化自旋隧穿层的晶体质量，提升载流子的自旋极化率，进而提高器件的开关比，降低工作电流。降低工作电流。降低工作电流。

【技术实现步骤摘要】
一种高迁移率自旋场效应晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及自旋场效应晶体管的
，具体来说，涉及一种高迁移率自旋场效应晶体管及其制备方法。

技术介绍

[0002]当代信息技术的飞速发展离不开逻辑运算、信息传输和数据存储技术的不断进步。在过去五十多年中，半导体工艺制程的缩小推动晶体管密度和存储单元密度遵循着摩尔定律不断增长。自旋电子学通过对载流子的自旋属性进行操控、传输和探测，为载流子的利用开辟了一个新的维度，使得它成为有望超越摩尔定律物理极限的新方案。相比于控制电荷流动，仅改变电子自旋状态所消耗的能量更低。除此之外，电子自旋还能和光子螺旋性相耦合，进而实现数据的即时传输。因此自旋电子器件有望成为未来信息技术的一个低能耗、高速率的系统解决方案。
[0003]在众多自旋电子器件中，基于InGaAs、InAs等半导体沟道材料的自旋场效应管最早进入视野。自旋场效应晶体管首先由S. Datta和B. Das提出。不同于常规的场效应晶体管，自旋场效应晶体管采用磁性材料作为源漏级。通过栅极电场操控电子的自旋进动，从而使自旋电子从源极扩散到漏极时，自旋极化方向与漏极的磁化方向相同或相反，从而实现通道的导通和关闭。然而，目前仅有少数文献报道了实验制备的自旋场效应晶体管，且器件信号微弱、开关比较差，其中主要原因包括自旋注入和检测极化率较低、半导体自旋输运效率较差、以及自旋态的调控依赖于较大的栅极电压。为了解决这些问题，需要从以下几个方面着手：首先，为了实现电子自旋的有效调控，要求电子在半导体中具有较大的自旋扩散长度和自旋弛豫时间。常规半导体材料在室温下较短的载流子自旋弛豫时间（τs(GaN)~22.5 ps ，τs(GaAs)~86 ps ，τs(InAs)~10 ps ）和自旋扩散长度（λs(GaN) ~137 nm ，λs(GaAs) ~1 μm ，λs(InAs) ~1.3 μm ）。因此，寻找具有较长的自旋弛豫时间、较大的自旋扩散长度、较高的载流子迁移率的半导体材料成为提高自旋电子器件性能的重要前提。
[0004]其次，高性能自旋场效应晶体管依赖于自旋电子的高极化率注入与探测。由于半导体/铁磁金属界面的阻抗不连续效应，仅当接触电阻接近自旋通道电阻的条件下，才能达到最高的自旋极化率。通常在界面插入一层很薄（1
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2 nm）的介质层，形成磁性隧道结作为自旋探测电极。采用MgO（001）隧穿层的磁性隧穿电极具有极高的自旋极化率（室温下92.6%，对应隧穿磁阻率604%），是半导体自旋器件中常用的自旋注入和检测结构。常规方法生长的MgO薄膜通常为非晶态，为了使其转变为晶格取向为（001）的多晶或单晶结构，需要在真空下高温退火。然而，铁磁金属通常无法耐受高温，退火温度需要被限制在350度以下，影响了介质薄膜的结晶质量，导致自旋注入和探测的极化率通常较低。因此，需要合理设计退火处理工艺，在不影响铁磁金属磁学特性的前提下，尽量提高隧穿层的晶体质量。
[0005]最后，传统的Datta
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Das型自旋场效应晶体管主要依赖于通过栅极电场调控自旋电子在电场下的旋进，进而操控其从源极漂移到漏极时的自旋极化方向。受制于半导体较
短的自旋扩散长度，通常需要较大的栅电场，以使电子在有限漂移距离内实现自旋极化翻转。这导致自旋场效应晶体管需要较大的关断电压，限制了其性能。因此，需要探索如何在合理的栅极电压条件下，获得尽量大的栅电场。
[0006]
技术实现思路

[0007]针对相关技术中的上述技术问题，本专利技术提供一种高迁移率自旋场效应晶体管及其制备方法，能够解决上述问题。
[0008]本专利技术面对现有的自旋场效应晶体管结构及制备技术面临的问题：问题1：自旋场效应晶体管的实现依赖于自旋电子在半导体沟道中高效输运，然而常规半导体材料室温下的载流子自旋弛豫时间较短，往往在ps量级。这样，载流子在半导体沟道内传输较短的时间后就会失去自旋极化，从而无法被探测到。因此，需要选择一种合适的半导体材料或结构作为载流子输运通道，以确保载流子从源极漂移到漏极的过程中，自旋极化不会损失。
[0009]解决方案：针对自旋场效应晶体管器件中电子自旋输运效率差的问题，提出利用半导体异质结、量子阱或二维材料中的二维电子气结构作为半导体沟道（如图3
‑
8）。在这种结构中，载流子的输运被局限在较薄的二维空间内，呈现二维电子气或二维空穴气的特征。此半导体沟道可能包含至少一层半导体甲薄膜层、包含至少一组半导体乙薄膜层和半导体丙薄膜层的组合层的异质结（其中半导体乙薄膜层和半导体丙薄膜层的禁带宽度一般不同，且形成I型异质结）或者包含至少一组半导体丁薄膜层、半导体戊薄膜层和半导体己薄膜层的组合层的量子阱（其中半导体丁薄膜层和半导体己薄膜层的禁带宽度应大于半导体戊薄膜层）。
[0010]问题2、高性能自旋场效应晶体管需要在半导体沟道内注入高自旋极化率的载流子，并能够对载流子的自旋极化方向实现灵敏探测。目前，通常利用具有铁磁金属/介质材料结构的自旋隧穿电极作为自旋电流的注入和探测电极。在目前的制备工艺中，为了改善介质材料的晶体质量，通常在沉积介质材料和铁磁金属后，开展真空退火。然而磁性金属层无法耐受高温，退火温度被限制在350度以下，导致介质薄膜无法完全结晶，自旋注入和探测效率依然较差。
[0011]解决方案：自旋电子器件依赖具有铁磁金属/介质材料结构的自旋隧穿层将自旋电流注入半导体沟道，受限于介质材料的晶体质量，通常自旋注入效率较差。为了改善介质材料的晶体质量，通常采用真空退火的方式，然而磁性金属层无法耐受高温，退火温度被限制在350度以下，影响了介质薄膜的结晶质量。本专利技术提出了原位分层退火工艺来生长源电极和漏电极，先在半导体沟道表面生长或转移隧穿层，通过原位高温退火使其充分结晶，随后降温后生长磁性层及盖层，最后通过低温磁场退火，调控磁性层的磁各向异性。
[0012]问题3：传统的Datta
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Das型自旋场效应晶体管主要依赖于通过栅极电场调控自旋电子在电场下的旋进，进而操控其从源极漂移到漏极时的自旋极化方向。受制于半导体较短的自旋扩散长度，通常需要较大的栅电压，以使电子在有限漂移距离内实现自旋极化翻转。较高的栅极电压使器件的性能受到影响，也增大了栅极漏电的风险。
[0013]解决方案：传统的Datta
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Das型自旋场效应晶体管主要依赖于通过栅电极电场调
控自旋电子在电场下的旋进，进而操控其从源电极漂移到漏电极时的自旋极化方向。受制于半导体较短的自旋扩散长度，通常需要较大的栅电压，以使电子在有限漂移距离内实现自旋极化翻转。本专利技术中，半导体沟道生长于压电材料衬底上，其中衬底可能为具有压电特性的材料薄片，或在其他衬底上生长一层压电薄膜。在施加栅极电压时，压电材料表面会产生数倍于栅电场的表面极化场，进而可以在较低的栅极电压条件下，对电子自旋的旋进开展有效的调控。
[0014]本专利技术的有益效果：（1）相对现有基于单一半导体沟道的自旋场效应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高迁移率自旋场效应晶体管，包括源电极（10）、漏电极（20）、栅电极（30）、半导体沟道（40）、衬底（50），其特征在于：所述衬底（50）包括具有压电特性材料制成的薄膜或薄片，所述半导体沟道（40）位于所述衬底（50）上，所述半导体沟道（40）为具有二维电子气结构的半导体材料或异质结的半导体材料制成，所述源电极（10）和所述漏电极（20）位于所述半导体沟道（40）上，所述源电极（10）和所述漏电极（20）均包括盖层（11）、磁性层（12）和隧穿层（13），所述栅电极（30）位于所述半导体沟道（40）上或所述衬底（50）上，所述栅电极（30）包括电极层和绝缘层。2.根据权利要求1所述的一种高迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于：所述半导体沟道（40）形状为平面、曲面薄膜、立体鳍型薄层、纳米片或者纳米线；所述半导体沟道（40）为多层薄膜结构，包含至少一层半导体甲薄膜层（41）、至少一组半导体乙薄膜层（42）和半导体丙薄膜层（43）的组合层 或者至少一组半导体丁薄膜层（44）、半导体戊薄膜层（45）和半导体己薄膜层（46）的组合层；所述半导体甲薄膜层（41）、所述半导体乙薄膜层（42）、所述半导体丙薄膜层（43）、所述半导体丁薄膜层（44）和所述半导体戊薄膜层（45）厚度均为0.1
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100 nm。3.根据权利要求2所述的一种高迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于：所述半导体甲薄膜层（41）、所述半导体乙薄膜层（42）、所述半导体丙薄膜层（43）、所述半导体丁薄膜层（44）、所述半导体戊薄膜层（45）和所述半导体己薄膜层（46）为元素半导体、III
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V族化合物半导体、IIB
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VIA族化合物半导体、III
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VI族化合物半导体、IV
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IV族化合物半导体或者二维半导体；所述半导体乙薄膜层（42）和所述半导体丙薄膜层（43）的组合层形成I型异质结，所述半导体丁薄膜层（44）和所述半导体己薄膜层（46）的禁带宽度大于半导体戊薄膜层（45）。4.根据权利要求1所述的一种高迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于：所述盖层（11）为稳定性较高的材料制成，厚度为厚度为1
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100 nm；所述磁性层（12）为多层薄膜结构，包含至少一层磁性材料甲薄膜层（21）、至少一组磁性材料乙薄膜层（22）和非磁材料薄膜层（23）的组合层 或者至少一组磁性材料丙薄膜层（24）和磁性材料丁薄膜层（25）的组合层；所述磁性材料甲薄膜层（21）、所述磁性材料乙薄膜层（22）、所述非磁材料薄膜层（23）、所述磁性材料丙薄膜层（24）和所述磁性材料丁薄膜层（25）厚度均为0.1
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50 nm；所述隧穿层（13）为较薄的绝缘体或半导体材料制成，厚度为0.1
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5 nm。5.根据权利要求1所述的一种高迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于：所述电极层为导电的金属或半导体制成，厚度为1
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100 nm；所述绝缘层为导电性较差的半导体或绝缘体制成，厚度为1
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100 nm。6.一种高迁移率自旋场效应晶体管制备方法，其特征在于：包括如下步骤:S1、通过RCA清洗工艺处理硅片、蓝宝石或玻璃衬底，并在处理后的硅片、蓝宝石或玻璃衬底表面生长具有压电特性的薄膜生成具有压电特性衬底（50），或通过物理化学转移的方式，在处理后的硅片、蓝宝石或玻璃衬底表面转移生长好的具有压电特性的薄层，对整个压电特性衬底表面做等离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：李煦，
申请(专利权)人：厦门大学九江研究院，
类型：发明
国别省市：