一种基于LaAlO3/KTaO3界面二维电子气的非线性霍尔器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于LaAlO3/KTaO3界面二维电子气的非线性霍尔器件及其制备方法。该器件由LaAlO3/KTaO3薄膜异质结和光刻胶组成。在旋涂一层光刻胶并且经过图案化曝光和显影后，KTaO3衬底被分为覆盖区和非覆盖区。在衬底的非覆盖区上通过脉冲激光沉积生长非晶LaAlO3(LAO)，在非覆盖区产生氧化物界面二维电子气，实现导电区和绝缘区的分离，得到霍尔器件形状的LAO/KTO导电界面。本发明专利技术器件适合低温工作，其利用该界面的非线性霍尔效应，成功在垂直于电流方向上出现非线性霍尔电压，实现倍频和整流应用。现倍频和整流应用。现倍频和整流应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LaAlO3/KTaO3界面二维电子气的非线性霍尔器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及氧化物电子学与非线性电子器件的交叉
，具体的说，涉及一种基于LaAlO3/KTaO3界面二维电子气的非线性霍尔器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]半导体PN结组成的二极管具有单向导电的能力，能将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，因而广泛被应用于整流器件。将二极管和电阻、电容、电感等元器件进行合理的连接，构成不同功能的电路，可以实现对交流电整流、对调制信号检波、限幅和钳位以及对电源电压的稳压等多种功能。
[0003]然而，二极管整流器所获得的直流电与原电流方向相同，只能完全破坏性地提取直流信号，具有一定的应用局限性。近年来，在具有空间反演对称性破缺的材料中观测到的非线性霍尔效应受到人们的关注。与二极管的整流效应不同，这种非线性电压信号在垂直于电流的横向方向上出现，能够实现将输入信号与输出的非线性信号在不同方向上展示的效果。并且该效应在于均匀的材料中，不需要制备半导体PN结构。但是目前这种效应主要出现在一些范德瓦尔斯型的二维材料中，制作工艺较为复杂，性质不太稳定，较难进行应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于LaAlO3/KTaO3界面二维电子气的非线性霍尔器件。该器件可以在垂直于电流的方向上获得倍频信号，具有制备方便、结构简单、性能稳定和测量简易等优点。
[0005]本专利技术采用以下技术方案。
[0006]本专利技术提供一种基于LaAlO3/KTaO3界面二维电子气的非线性霍尔器件，其用于将纵向交流信号转化为一定大小的二倍频非线性霍尔电压；其包括KTaO3单晶衬底、光刻胶和非晶LaAlO3(LAO)薄膜；光刻胶涂布在KTaO3(KTO)单晶衬底上后，经过图案化曝光和显影，KTaO3单晶衬底上表面被划分为覆盖区域和非覆盖区域；非覆盖区域，KTaO3单晶衬底上生长非晶LaAlO3薄膜，非晶LaAlO3薄膜向KTaO3单晶衬底表面提供氧空位，形成导电的二维电子气界面；覆盖区域为绝缘区，光刻胶作为隔离层将KTaO3单晶衬底的部分表面与非晶LaAlO3薄膜在空间上实现分离。
[0007]本专利技术的非线性霍尔器件中，以绝缘的、具有高介电常数的KTO作为衬底，KTO衬底上由于Ta原子的存在，具有很强的自旋轨道耦合，KTO为主要信号提供对象；KTO衬底上生长非晶绝缘材料，以为KTO衬底表面提供氧空位形成导电区域，本专利技术借助LAO与KTO极性的不同，KTO中的氧原子会被吸引至LAO层中，KTO中留下带正电的氧空位，进而形成导电的二维电子气界面(导电区，霍尔器件形状的LAO/KTO导电界面)；光刻胶，作为隔离层，将KTO衬底的部分表面与LAO薄膜在空间上分离，实现绝缘区和导电区的分离。本专利技术利用电流表在电路中施加一定频率的交流电，随后用锁相放大器测量电路中的二倍频信号，可以表征器件
的非线性电学性质。
[0008]本专利技术中，LAO薄膜的厚度为2nm以上以在LAO/KTO异质结中形成导电的二维电子气。KTO衬底的厚度和光刻胶的种类厚度不影响器件的性能。
[0009]本专利技术中，非线性霍尔器件的工作温度在2～100K之间。
[0010]本专利技术还提供一种上述的非线性霍尔器件的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)选择KTaO3单晶衬底，在衬底上涂布光刻胶，再用紫外光刻机进行掩膜曝光、显影，得到部分区域裸露、部分区域被光刻胶覆盖的衬底；
[0012](2)利用激光脉冲沉积方法，在衬底表面的裸露区域生长LaAlO3薄膜。
[0013]上述步骤(2)中，激光能量为230mJ，激光频率为2Hz，本底压强2
×
10
‑8mTorr，生长速率为0.3nm/min。
[0014]本专利技术的工作原理是，由于KTO的强自旋轨道耦合特性和两种氧化物界面处的空间反演对称性破缺，KTO的导电异质结界面会存在较强的二阶非线性霍尔效应，可以将施加的一定频率的交流信号转化为横向的二倍频交流信号和直流信号。
[0015]和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0016]在本专利技术的器件中，在霍尔器件的纵向方向施加电流，由于非线性霍尔效应的存在，垂直于电流方向上会出现一定大小的正比于电流平方的非线性霍尔信号，可以通过锁相放大器表征非线性信号的大小。通过这种方式，可将纵向某一频率的基频信号转化为稳定的横向倍频信号，也可用于信息的转递与整流。
[0017]本专利技术的器件具有制备方便、结构简单、性能稳定和测量简易等优点；本专利技术器件在2～100K的温度范围内具有明显的非线性霍尔信号，实现霍尔方向的倍频探测。
附图说明
[0018]图1是本专利技术一实施例的复杂氧化物非线性电子器件制备过程。
[0019]图2是本专利技术探测方式。
[0020]图3是本专利技术的工作过程图。
[0021]图4是器件中非线性霍尔信号随所施加电流的变化关系。
[0022]图5是器件非线性霍尔信号对温度的依赖关系。
具体实施方式
[0023]为了使本专利技术的技术方案更加清晰，下面结合附图和实施例进一步详细说明。应当理解，以下描述的实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0024]下面介绍的是本专利技术的多个可能实施例中的一部分，旨在提供对本专利技术的基本了解，并不旨在确认本专利技术的关键或决定性的要素或限定索要保护的范围。
[0025]如图1所示是按照本专利技术一实施例的器件制备过程。选择5mm*5mm*0.5mm的KTO单晶衬底，在衬底上滴加一滴AZ5214光刻胶，利用匀胶机分别以600r/s和4000r/s的转速转6s和30s，从而在KTO衬底上形成厚为1.7μm左右的光刻胶膜。匀胶后，将衬底放在90℃的热板上烘烤2min，随后用紫外光刻机进行掩膜曝光，显影30s后可得霍尔器件区域裸露而其余部分被光刻胶覆盖的衬底。完成上面步骤后，利用激光脉冲沉积技术在显影后的衬底上生长LAO薄膜。由于LAO(晶格常数)与KTO(晶格常数)有5.2％的晶格失配，即使
高温在KTO衬底上生长的LAO薄膜也是非晶的，所以可以直接选择在室温生长LAO薄膜。激光能量为230mJ，频率为2Hz，本底压强2E
‑
8mTorr，生长速率为0.3nm/min，共生长13min。LAO薄膜厚度为4nm左右，薄膜的厚度基本不影响器件最终性能。由于非霍尔器件区域的KTO上覆盖有光刻胶形成的隔离层，故该区域的LAO与KTO未直接接触，不能形成二维电子气。而未被光刻胶覆盖的霍尔器件区域的LAO可与KTO直接接触，由于两种材料极性不同，KTO中的氧原子会移向LAO层，从而在KTO表面留下可供导电的氧空位，即在界面上产生二维电子气。
[0026]制备的器件与测量方式如图2所示。利用打线机将霍尔器件的六个触角与样品托导电电极之间分别打上铝线连接，以便后续进行电输运测量。沿着x方向，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LaAlO3/KTaO3界面二维电子气的非线性霍尔器件，其特征在于，其用于将纵向交流信号转化为一定大小的二倍频非线性霍尔电压；其包括KTaO3单晶衬底、光刻胶和非晶LaAlO3薄膜；光刻胶涂布在KTaO3单晶衬底上后，经过图案化曝光和显影，KTaO3单晶衬底上表面被划分为覆盖区域和非覆盖区域；非覆盖区域，KTaO3单晶衬底上生长非晶LaAlO3薄膜，非晶LaAlO3薄膜向KTaO3单晶衬底表面提供氧空位，形成导电的二维电子气界面；覆盖区域为绝缘区，光刻胶作为隔离层将KTaO3单晶衬底的部分表面与非晶LaAlO3薄膜在空间上实现分离。2.根据权利要求1所述的非线性霍尔器件，其特征在于，LaA...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟金凤，沈健，何攀，郭杭闻，朱银燕，王文彬，周晓东，殷立峰，
申请(专利权)人：上海期智研究院，
类型：发明
国别省市：