[發明專利]一種光調控的垂直自旋場效應晶體管及制備方法

有效

• 申請號: 201710003455.2
• 申請日: 2017-01-04
• 公開（公告）號: CN106847907B
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發明（設計）人: 徐永兵;劉波;劉文卿
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L29/66
• 分類號: H01L29/66;H01L21/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

1.一種基于光調控的垂直自旋場效應晶體管，其特征是，中間層為非磁性半導體層，非磁性半導體層上下均為鐵磁性材料薄膜；所述的非磁性半導體層為GaAs基片，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，通過MgO和Ta的界面效應來誘導出垂直磁各向異性。

2.根據權利要求1所述的基于光調控的垂直自旋場效應晶體管，其特征是，非磁性半導體層雙面濺射CoFeB薄膜，依次濺射2nm厚的MgO和5nm厚的Ta保護層。

3.根據權利要求2所述的基于光調控的垂直自旋場效應晶體管，其特征是，所述鐵磁性薄膜為具有垂直各向異性的CoFeB，厚度為1.2 nm。

4.根據權利要求2所述的基于光調控的垂直自旋場效應晶體管，其特征是，GaAs基片具有直接帶隙近紅外波段即800nm。

5.根據權利要求1-4任一項所述的基于光調控的垂直自旋場效應晶體管，其特征是，所述垂直自旋場效應晶體管開關狀態通過圓偏振光的左旋狀態和右旋狀態來控制。

6.垂直自旋場效應晶體管器件的制備方法，其特征是，包含如下步驟：生長特定濃度的GaAs基片，然后進行放置、光刻、刻蝕、去除、剝離、清洗、分子束外延、磁控濺射；

所述的生長特定濃度的GaAs基片，通過分子束外延方式生長，其基本結構如下：依次為非晶As覆蓋層、GaAs層、Al_0.7Ga_0.3As、半絕緣GaAs襯底；GaAs層40-80nm厚，n型摻雜，摻雜濃度為3×10¹⁸ cm ^-3；Al_0.7Ga_0.3As厚度500nm±200nm；半絕緣GaAs襯底厚500±200微米、（100）方向；

放置步驟：將利用分子束外延方式生長好的GaAs基片倒置在硅襯底上，方便將底部的500微米厚的半絕緣的GaAs襯底進行光刻操作。

7.根據權利要求6所述的垂直自旋場效應晶體管器件的制備方法，其特征是，光刻步驟，通過光刻技術在光刻膠位置曝光一個100微米見方的窗口。

8.根據權利要求6所述的垂直自旋場效應晶體管器件的制備方法，其特征是，選擇性刻蝕步驟，通過配置NH₄OH和H₂O₂的混合溶液，選擇性刻蝕500微米厚的半絕緣GaAs襯底，其大小為100微米見方的窗口；AlGaAs保護層放置該混合溶液刻蝕掉n型摻雜的GaAs薄膜。

9.根據權利要求6所述的垂直自旋場效應晶體管器件的制備方法，其特征是，所述的去除步驟，通過稀釋到一定濃度的氫氟酸洗掉阻止選擇性刻蝕反應層AlGaAs；所述的剝離步驟，通過機械剝離方法將之前放置在硅襯底上的GaAs基片剝離開；所述的垂直自旋場效應晶體管制備的清洗步驟，通過丙酮將刻蝕好的GaAs基片進行清洗，去掉光刻膠以及刻蝕所用的一些化學試劑。

10.根據權利要求6所述的垂直自旋場效應晶體管器件的制備方法，其特征是，所述的磁控濺射方法生長步驟：通過在超高真空里，對樣品進行退火處理進一步清潔樣品表面，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，同時為了誘導出垂直各向異性，依次濺射2nm厚的MgO和5nm厚的Ta保護層。