[发明专利]自旋效应微电子集成测试台

说明书

本发明公开了一种自旋效应微电子集成测试台，该测试台包括处于稳恒磁场中并绕水平轴旋转的样品台，所述样品台包括用于测量样品电信号的测量单元、用于在样品处形成激发其产生自旋流的微波场的微波单元、以及用于在垂直于样品平面的方向上建立温度梯度的加热单元。本发明无需重新制样，对同一样品中的多种自旋效应相关参数进行多次测量，节约测量时间，还可以同时对样品施加直流电流、微波及温度梯度，用于测量多种参数之间的相互耦合效应。

技术领域

本发明涉及一种用于测试微电子器件材料样品自旋相关效应的集成测试台，尤其涉及一种用于测量材料样品的自旋霍尔磁电阻效应、自旋塞贝克以及自旋流的微电子集成测试台。

背景技术

随着微电子器件的发展，热耗散问题已经成为微电子学发展的瓶颈。为了解决这个热功耗问题，其中一个可能的解决方案就是利用电子的自旋，即自旋电子学。在自旋电子学中可以用纯自旋流来代替电流传输信息，而自旋流的传输过程中不存在焦耳热，可以大幅降低器件的热耗散。为了利用材料的电子自旋来设计器件，就需要选择满足相应物理设计的合适的电子自旋效应材料为微电子器件用材提供选项，由此需要测量大量的材料电输运相关物理量。因此，设计效率高、结果准确的集成测试台迫在眉睫。

与纯自旋流相关的电输运测试，主要包含自旋霍尔磁电阻、自旋塞贝克效应、微波激发纯自旋流效应。在这些效应中，需要通过微波或者外加温度梯度的方式来激发自旋流，而后通过直流测量或者对外磁场强度及角度依赖关系的测量来探测纯自旋流。现有的测量方案无法准确的探测纯自旋流，而且各种效应的物理机制不同而又有着有机的联系，但由于没有相应的测试台实现同时测量，这样导致多次测量中需要多个样品的准备，此过程会带来一定的误差，多次测试效率也很低。想要同时测试上述多个物理量将面临很多难题，例如在测试纯自旋流时波导和载有样品的测试台的位置是相对固定的，但在测自旋霍尔磁电阻时却需要测试台与外磁场的夹角可变；再如测试自旋霍尔磁电阻或者微波激发的纯自旋流时需要将材料样品固定在绝缘板上并与电路电极相连，但由于绝缘板的热导率低，因此限制了在垂直方向施加较大的温度梯度的可能性，无法用于测试自旋塞贝克效应。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种自旋效应微电子集成测试台，能够使用一块材料样品，一次性完成包括自旋霍尔磁电阻效应、自旋塞贝克和纯自旋流在内的多种自旋效应相关的材料特性测试，同时还可以测量多种参数的耦合效应。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种自旋效应微电子集成测试台，该测试台包括系统电源和处于稳恒磁场中并绕水平轴旋转的样品台，所述样品台包括用于测量样品电信号的测量单元、用于在样品处形成激发其产生自旋流的微波场的微波单元、以及用于在垂直于样品平面的方向上建立温度梯度的加热单元。

其中，所述微波单元的一种设计方案是：采用微波信号发生器、平面波导、微波接头以及用于传输微波信号的同轴电缆，微波信号发生器通过同轴电缆将微波源信号传送到平面波导，由平面波导及其下方的介电层构成共面波导结构，在样品处形成微波场。所述平面波导埋设于样品下方的铝基PCB板中，其通过微波接头与同轴电缆相连。所述铝基PCB板包含有从下至上依次设置的铝制基层、介电层、电路层和阻焊剂层，所述平面波导位于电路层。

优选的，所述平面波导包括3条相互平行的金属导带。

可选的，所述同轴电缆上还设有微波旋转关节，所述同轴电缆通过微波旋转关节和微波信号发生器的接出线相连。

所述测量单元设计方案为：包括用于测试样品中电信号的测量仪表、样品电源以及用于电连接样品和所述测量仪表的电极电路，所述电极电路埋设在位于样品下方的铝基PCB板中；所述测量仪表包括电流表和电压表。

所述加热单元的设计方案为：包括内含有发热丝和温度传感器的加热器，以及与加热器相连的温度控制器。

优选的，所述加热器包括位于样品上方的第一加热器和位于样品下方的第二加热器，目的是快速形成稳定的温度梯度。