[发明专利]一种光调控的垂直自旋场效应晶体管及制备方法

说明书

一种基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，中间层为非磁性半导体层，非磁性半导体层上下均为铁磁性材料薄膜；所述的非磁性半导体层为砷化镓基片，铁磁性材料薄膜上引出电极；铁磁性材料薄膜采取具有垂直磁各向异性的铁磁性薄膜，用来产生垂直方向自旋的电子；铁磁性材料薄膜采用非晶铁磁性材料CoFeB薄膜，厚度为1‑2nm，通过MgO和Ta的界面效应来诱导出垂直磁各向异性。利用光产生的电子子旋方向与铁磁层自旋方向平行使，电阻最小产生电流最大，反之光生自旋电子自旋方向与铁磁性金属的自旋方向相反时，电阻最大产生电流最小。利用光学方法控制垂直自旋场效应晶体管开关，晶体管可同时具有信息存储与处理的功能。

技术领域

本发明涉及微电子器件，具体而言涉及基于光学方法自旋注入以及结合微加工技术制备垂直结构的自旋场效应晶体管，可同时进行数据的处理与存储。

背景技术

自旋电子学是近年来新兴的一个重要学科，主要致力于产生改变传统半导体存储的现状，致力于研发下一代自旋相关的信息存储和处理芯片器件。自旋电子学的发源起始于金属纳米多层膜巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance,GMR)的发现及其在传感器和磁存储技术领域中的重要应用。该效应的发现者-法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grunberg获得了2007年的诺贝尔物理学奖。以此为开始，自旋电子学研究成果已经在信息存储等诸多领域内产生了划时代的影响，具有高达上千亿美元的市场前景，因此成为拉动经济和社会进步的一个巨大产业。

磁性材料同半导体材料结合是下一代自旋电子器件的主流发展趋势，如自旋场效应晶体管的出现。半导体材料同磁性材料结合而成的磁性半导体器件，在器件的稳定性，功率放大和低热耗散方面有着巨大的优势。在过去的几年当中，该领域中的电学方式注入、探测、以及电子自旋的操控都取得了很多突破性的进展。以上的这些进展有在传统半导体材料中取得，有在有机分子材料中取得，同时也有在最近研究热点材料二维材料中取得。尽管有机材料和新兴二维材料可以作为自旋电子器件的很好原材料，但是仍然不能忽视传统半导体材料在自旋电子方面的巨大优势，即已经研究较为清楚地材料物性和在工业生产方面的巨大技术累计优势。

我们知道，通过电注入自旋电子的方式产生平行于器件表面的自旋流的自旋电子器件已经在实验中证实且大量观察到，但是关于垂直结构的自旋场效应晶体管仍然很少有人研究。同时在这种垂直自选阀结构中，可以实现磁电阻效应，而且垂直结构可以进行三维的集成，从而在信息存储领域有极大的应用前景。

发明内容

本发明目的是，提出一种利用圆偏振光调控的垂直结构的自旋场效应晶体管及制备方法。垂直自旋场效应管采取铁磁金属/非磁性半导体/铁磁金属的三明治结构，利用光学方法注入自旋电子，通过左旋圆片振光和右旋圆偏振光产生自旋向上和向下的电子，从而实现垂直自旋场效应管的开关效应。

本发明技术方案：一种基于光调控的垂直自旋场效应晶体管，中间层为非磁性半导体层，非磁性半导体层上下均为铁磁性材料薄膜；所述的非磁性半导体层，为砷化镓基片，具有直接带隙，且处于在可见光或近红外波段范围内，如近红外波段即800nm。铁磁性材料薄膜上引出电极；铁磁性材料薄膜采取具有垂直磁各向异性的铁磁性薄膜，用来产生垂直方向自旋的电子；铁磁性材料薄膜采用非晶铁磁性材料CoFeB薄膜，厚度为1-2nm(如1.2nm左右)，通过MgO和Ta的界面效应来诱导出垂直磁各向异性。

双面溅射CoFeB薄膜，同时为了诱导出垂直各向异性，依次溅射约2nm厚的MgO和5nm厚的Ta保护层。

所述铁磁性薄膜为具有垂直各向异性的CoFeB(厚度大约为1.2nm)。

因为不施加磁场的影响，因此铁磁性薄膜产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。非磁性半导体层选择直接带隙半导体，所以可以很容易利用光学方法基于光选择定则产生自旋极化的电子，通过改变圆偏振光的偏振态，从而分别产生自旋向上和自旋向下的电子。