本發(fā)明涉及微電子器件，具體而言涉及基于光學(xué)方法自旋注入以及結(jié)合微加工技術(shù)制備垂直結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)晶體管，可同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與存儲。

背景技術(shù)：

自旋電子學(xué)是近年來新興的一個重要學(xué)科，主要致力于產(chǎn)生改變傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲的現(xiàn)狀，致力于研發(fā)下一代自旋相關(guān)的信息存儲和處理芯片器件。自旋電子學(xué)的發(fā)源起始于金屬納米多層膜巨磁電阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistance,GMR)的發(fā)現(xiàn)及其在傳感器和磁存儲技術(shù)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。該效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者-法國科學(xué)家Albert Fert和德國科學(xué)家Peter Grunberg獲得了2007年的諾貝爾物理學(xué)獎。以此為開始，自旋電子學(xué)研究成果已經(jīng)在信息存儲等諸多領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了劃時代的影響，具有高達(dá)上千億美元的市場前景，因此成為拉動經(jīng)濟(jì)和社會進(jìn)步的一個巨大產(chǎn)業(yè)。

磁性材料同半導(dǎo)體材料結(jié)合是下一代自旋電子器件的主流發(fā)展趨勢，如自旋場效應(yīng)晶體管的出現(xiàn)。半導(dǎo)體材料同磁性材料結(jié)合而成的磁性半導(dǎo)體器件，在器件的穩(wěn)定性，功率放大和低熱耗散方面有著巨大的優(yōu)勢。在過去的幾年當(dāng)中，該領(lǐng)域中的電學(xué)方式注入、探測、以及電子自旋的操控都取得了很多突破性的進(jìn)展。以上的這些進(jìn)展有在傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料中取得，有在有機(jī)分子材料中取得，同時也有在最近研究熱點(diǎn)材料二維材料中取得。盡管有機(jī)材料和新興二維材料可以作為自旋電子器件的很好原材料，但是仍然不能忽視傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料在自旋電子方面的巨大優(yōu)勢，即已經(jīng)研究較為清楚地材料物性和在工業(yè)生產(chǎn)方面的巨大技術(shù)累計優(yōu)勢。

我們知道，通過電注入自旋電子的方式產(chǎn)生平行于器件表面的自旋流的自旋電子器件已經(jīng)在實驗中證實且大量觀察到，但是關(guān)于垂直結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)晶體管仍然很少有人研究。同時在這種垂直自選閥結(jié)構(gòu)中，可以實現(xiàn)磁電阻效應(yīng)，而且垂直結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行三維的集成，從而在信息存儲領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是，提出一種利用圓偏振光調(diào)控的垂直結(jié)構(gòu)的自旋場效應(yīng)晶體管及制備方法。垂直自旋場效應(yīng)管采取鐵磁金屬/非磁性半導(dǎo)體/鐵磁金屬的三明治結(jié)構(gòu)，利用光學(xué)方法注入自旋電子，通過左旋圓片振光和右旋圓偏振光產(chǎn)生自旋向上和向下的電子，從而實現(xiàn)垂直自旋場效應(yīng)管的開關(guān)效應(yīng)。

本發(fā)明技術(shù)方案：一種基于光調(diào)控的垂直自旋場效應(yīng)晶體管，中間層為非磁性半導(dǎo)體層，非磁性半導(dǎo)體層上下均為鐵磁性材料薄膜；所述的非磁性半導(dǎo)體層，為砷化鎵基片，具有直接帶隙，且處于在可見光或近紅外波段范圍內(nèi)，如近紅外波段即800nm。鐵磁性材料薄膜上引出電極；鐵磁性材料薄膜采取具有垂直磁各向異性的鐵磁性薄膜，用來產(chǎn)生垂直方向自旋的電子；鐵磁性材料薄膜采用非晶鐵磁性材料CoFeB薄膜，厚度為1-2nm(如1.2nm左右)，通過MgO和Ta的界面效應(yīng)來誘導(dǎo)出垂直磁各向異性。

雙面濺射CoFeB薄膜，同時為了誘導(dǎo)出垂直各向異性，依次濺射約2nm厚的MgO和5nm厚的Ta保護(hù)層。

所述鐵磁性薄膜為具有垂直各向異性的CoFeB(厚度大約為1.2nm)。

因為不施加磁場的影響，因此鐵磁性薄膜產(chǎn)生的自旋方向是固定方向的，即要么垂直向上，要么垂直向下。非磁性半導(dǎo)體層選擇直接帶隙半導(dǎo)體，所以可以很容易利用光學(xué)方法基于光選擇定則產(chǎn)生自旋極化的電子，通過改變圓偏振光的偏振態(tài)，從而分別產(chǎn)生自旋向上和自旋向下的電子。

垂直自旋場效應(yīng)晶體管器件的制備，包含如下步驟：生長特定濃度的砷化鎵GaAs基片，然后進(jìn)行放置、光刻、刻蝕、去除、剝離、清洗、分子束外延、磁控濺射等過程。垂直自旋場效應(yīng)晶體管的開關(guān)狀態(tài)通過圓偏振光的左旋狀態(tài)和右旋狀態(tài)來控制。

非晶鐵磁性物質(zhì)CoFeB，厚度為1.2nm左右，通過MgO和Ta的界面效應(yīng)來誘導(dǎo)出垂直磁各向異性。

所述的生長特定濃度的砷化鎵基片，通過分子束外延方式生長，其基本結(jié)構(gòu)如下：非晶As覆蓋層/GaAs、40-80nm厚，n型摻雜，摻雜濃度為3×10¹⁸cm^-3/Al_0.7Ga_0.3As、500±200nm厚/500±200μm厚的半絕緣GaAs襯底、100方向。

放置步驟：將利用分子束外延方式生長好的砷化鎵基片倒置在硅襯底上，方便將底部的500μm厚無摻雜的半絕緣的GaAs襯底進(jìn)行光刻等操作。

自旋場效應(yīng)晶體管生長中的放置步驟：將利用分子束外延方式生長好的砷化鎵基片倒置在硅襯底上，方便將底部的500μm厚的半絕緣的GaAs襯底進(jìn)行光刻等操作。

所述的垂直自旋場效應(yīng)晶體管制備的光刻步驟，通過光刻技術(shù)在光刻膠位置曝光一個100μm見方的窗口。

所述的垂直自旋場效應(yīng)晶體管制備的選擇性刻蝕步驟，通過配置NH₄OH和H₂O₂的混合溶液，選擇性刻蝕500μm厚的半絕緣砷化鎵襯底，其大小為100μm見方的窗口。AlGaAs保護(hù)層放置該刻蝕溶液刻蝕掉n型摻雜的GaAs薄膜。

所述的垂直自旋場效應(yīng)晶體管制備的去除步驟，通過稀釋到一定濃度的氫氟酸(HF)洗掉阻止選擇性刻蝕反應(yīng)層AlGaAs。

所述的垂直自旋場效應(yīng)晶體管制備中，所述的剝離步驟，通過機(jī)械剝離方法將之前放置在硅襯底上的砷化鎵基片剝離開。

所述的垂直自旋場效應(yīng)晶體管制備的清洗步驟，通過丙酮將刻蝕好的砷化鎵基片進(jìn)行清洗，去掉光刻膠以及刻蝕所用的一些化學(xué)試劑。

所述的垂直自旋場效應(yīng)晶體管所述的磁控濺射方法生長步驟：通過在超高真空里，對樣品進(jìn)行退火處理進(jìn)一步清潔樣品表面，然后采用磁控濺射方法在刻蝕好的窗口處，雙面濺射CoFeB薄膜，同時為了誘導(dǎo)出垂直各向異性，依次濺射約2nm厚的MgO和5nm厚的Ta保護(hù)層。

所述鐵磁性薄膜為具有垂直各向異性的CoFeB(厚度大約為1.2nm)。

光學(xué)方法控制器件開關(guān)的垂直自旋場效應(yīng)晶體管。鐵磁性層具有垂直各向異性，自旋方向垂直向上或者向下。通過光學(xué)選擇定則，利用圓偏振光通過n型摻雜的砷化鎵產(chǎn)生自旋向上或者向下的電子。

利用光產(chǎn)生的電子自旋方向與鐵磁層自旋方向平行使電阻最小產(chǎn)生電流最大，反之光生自旋電子自旋方向與鐵磁性金屬的自旋方向相反時，電阻最大產(chǎn)生電流最小。從而實現(xiàn)利用光學(xué)方法控制垂直自旋場效應(yīng)晶體管開關(guān)的功能，該晶體管可同時具有信息存儲與處理的功能。

有益效果，本發(fā)明可以采用磁性材料為垂直各向異性的CoFeB薄膜，以獲得垂直方向的自旋電子,同時在工業(yè)生產(chǎn)角度來講，非晶的CoFeB薄膜生長技術(shù)最為成熟，且成本較低，適合大面積生產(chǎn)推廣。用于產(chǎn)生光生自旋電子的材料為傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。

附圖說明

圖1為光調(diào)控的垂直自旋場效應(yīng)晶體管示意圖。

圖2為非磁性半導(dǎo)體薄膜層示意圖。

圖3為采取光刻方法刻蝕100μm大小窗口示意圖。圖3(a)GaAs基片均勻涂抹光刻膠，烘干之后進(jìn)行光刻步驟。圖3(b)，放置好掩膜版之后，進(jìn)行光刻加工，圖3(c)顯影液去除掉光刻膠后就剩下刻蝕好的窗口；

圖4為選擇性刻蝕方法去掉500μm厚的半絕緣GaAs襯底過程示意圖。通過NH₄OH和H₂O₂的混合溶液，選擇性刻蝕光刻所得方框內(nèi)的砷化鎵襯底。

圖5為去除停止選擇性刻蝕的保護(hù)層AlGaAs的示意圖。通過稀釋之后的氫氟酸溶液可以單獨(dú)洗掉AlGaAs薄層。

圖6為采取磁控濺射方法雙面生長垂直各向異性CoFeB薄膜的過程示意圖。

圖6(1)利用升溫退火方法去除掉As保護(hù)層；圖6(2)磁控濺射方法，雙面濺射厚度約為1.2nm的CoFeB鐵磁性金屬。

具體實施方案

參照附圖：本發(fā)明的制備方法如下：所述的放置是指將生長好的GaAs基底(主要包括As-Cap/GaAs(50nm,n-type,3×10¹⁸cm^-3)/Al0.7Ga0.3As(500nm,undoped)/500μm thick semi-insulator GaAs(100))利用光刻膠倒置在硅襯底上。

所述的非磁性直接帶隙半導(dǎo)體為n型摻雜的砷化鎵外延膜(GaAs)。

所述的光產(chǎn)生自旋相反的自旋電子，采取的是800nm波長的連續(xù)光或者脈沖光。假定左旋圓偏振光激發(fā)砷化鎵半導(dǎo)體產(chǎn)生自旋方向向上，那么右旋圓偏振光則產(chǎn)生自旋方向垂直向下的電子。而鐵磁層材料具有自旋垂直向上或者垂直向下的電子，當(dāng)光生自旋方向同鐵磁層材料的自旋方向相同時，則表現(xiàn)出低阻態(tài)，上下表面磁性電極之間的電流最大，可以認(rèn)為處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)光生電子自旋方向同鐵磁層材料的自旋方向相反時，表現(xiàn)出高阻態(tài)，上下表面磁性電極之間的電流最小，可以認(rèn)為是器件處于關(guān)閉狀態(tài)。

所述的光刻方法為對樣品涂抹光刻膠后，從背面光刻一個100μm大小的方框。

所述的刻蝕方法為通過特定的化學(xué)試劑即NH₄OH和H₂O₂的混合溶液，選擇性刻蝕光刻所得方框內(nèi)的砷化鎵襯底，但是確保刻蝕位置停止在AlGaAs層，即AlGaAs層并沒有被刻蝕。

所述的去除方法為通過稀釋的氫氟酸(HF)去掉阻止刻蝕層-AlGaAs。

所述的剝離方法是指將經(jīng)過一系列光刻，選擇性刻蝕等步驟之后的GaAs基底從硅襯底上剝離下來。

所述的清洗方法指的是將剝離之后的GaAs基底，通過丙酮和IPA清洗干凈，去掉所用的化學(xué)試劑對樣品的影響。

所述的分子束外延方法是獲得的GaAs基底采取分子束外延的方法生長，使得薄膜質(zhì)量得以保證。

所述的磁控濺射方法是指非磁性半導(dǎo)體薄膜層，經(jīng)過一系列光刻等微加工技術(shù)后，采用磁控濺射技術(shù)在非磁性半導(dǎo)體薄膜兩面進(jìn)行具有垂直各向異性的鐵磁性金屬薄膜制備。

如圖2所示，采用分子束外延方式生長GaAs(100)基底,其構(gòu)成層主要包括保護(hù)層As/GaAs(50nm厚,n型摻雜，摻雜濃度為3×10¹⁸cm^-3)/Al0.7Ga0.3As(500nm厚，無摻雜)/semi-insulating GaAs(100)(500μm厚)。同時參照圖2將外延方式生長好的基片倒置在硅襯底上，用于光刻步驟。

參照圖3(a)所示，將倒置在硅片后的GaAs基片均勻涂抹光刻膠，烘干之后進(jìn)行光刻步驟。具體過程如圖3(b)所示，放置好掩膜版之后，進(jìn)行光刻加工約100μm大小的正方形窗口，最后利用顯影液去除掉光刻膠后就剩下刻蝕好的窗口，如圖3(c)所示。參照圖4所示，主要通過使用NH₄OH和H₂O₂的混合溶液選擇性刻蝕GaAs襯底，AlGaAs薄層的主要作用就是保護(hù)下邊的n型摻雜的GaAs薄膜不被化學(xué)試劑腐蝕，因此AlGaAs也被稱為選擇性腐蝕停止層。為了使得鐵磁性金屬直接與n型摻雜的GaAs薄膜接觸，還需要去掉選擇性腐蝕停止層。如圖5所示，通過稀釋之后的氫氟酸溶液可以單獨(dú)洗掉AlGaAs薄層?；谝陨喜襟E已經(jīng)完成了所有的光刻相關(guān)的微加工技術(shù)，在去掉樣品中殘留的光刻膠之后，通過將刻蝕好的砷化鎵基片同硅片襯底剝離，我們將樣品通過丙酮等溶液進(jìn)行清洗之后傳輸進(jìn)入超高真空樣品生長腔。利用升溫退火方法去除掉As保護(hù)層(如圖6(1)所示)，最終按照圖6(2)所示，即磁控濺射方法，雙面濺射厚度約為1.2nm的CoFeB鐵磁性金屬，同時為了保證CoFeB薄膜具有垂直各向異性，還需要濺射約2nm厚的氧化鎂MgO和5nm厚的Ta保護(hù)層。