[發(fā)明專利]基于磁致壓電勢(shì)的晶體管和磁傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711377620.7
• 申請(qǐng)日: 2017-12-19
• 公開（公告）號(hào): CN109244132B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 翟俊宜;劉玉東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京納米能源與系統(tǒng)研究所
• 主分類號(hào): H01L29/78
• 分類號(hào): H01L29/78;G01R33/09
• 代理公司: 北京潤(rùn)平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11283
• 代理人: 陸文超;肖冰濱

本發(fā)明提供一種基于磁致壓電勢(shì)晶體管，包括基底和設(shè)置在所述基底上的鐵電晶體管，其中，所述基底由磁致伸縮材料構(gòu)成，所述鐵電晶體管中包括壓電層。本發(fā)明的晶體管主要由三種不同功能材料磁致伸縮層基底材料、壓電層材料和半導(dǎo)體層材料復(fù)合構(gòu)成，并且垂直堆垛而成。本發(fā)明的基于磁致壓電勢(shì)晶體管還可以作為磁傳感器。當(dāng)該傳感器置于磁場(chǎng)中，磁致伸縮材料產(chǎn)生應(yīng)變并傳給鐵電晶體管中的壓電材料，使壓電材料產(chǎn)生壓電勢(shì)；該壓電勢(shì)可以作為柵電壓，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度，使半導(dǎo)體內(nèi)電阻發(fā)生變化，如果在半導(dǎo)體的源漏兩端加電壓，會(huì)使電流在施加磁場(chǎng)后發(fā)生變化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于磁致壓電勢(shì)的晶體管，以及應(yīng)用該晶體管的磁傳感器。

背景技術(shù)

磁傳感器是一種把磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以這種方式來檢測(cè)相應(yīng)物理量的器件，在現(xiàn)代電子、國(guó)防等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用需求，一艘航天飛船需要的磁傳感器可達(dá)一千多個(gè)，全球每年的磁傳感器需求以數(shù)十億計(jì)。現(xiàn)在商用的磁傳感器按照技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，主要分為四大類：霍爾效應(yīng)(Hall Effect)傳感器、各向異性磁阻(AMR)傳感器、巨磁阻(GMR)傳感器和隧道磁阻(TMR)傳感器。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)制備的，霍爾效應(yīng)主要是材料中運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力作用引起偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)，通過測(cè)量該電場(chǎng)的大小從而推測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度。各向異性磁阻(AMR)傳感器是基于磁阻效應(yīng)制備的。磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場(chǎng)時(shí)，其電阻值會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的大小發(fā)生變化，通過探測(cè)阻值變化進(jìn)而推測(cè)待測(cè)磁場(chǎng)大小。巨磁阻(GMR)傳感器基于巨磁阻效應(yīng)制成的。巨磁阻效應(yīng)發(fā)生在層狀的磁性薄膜結(jié)中，主要利用磁場(chǎng)調(diào)節(jié)載流子與自旋有關(guān)的散射，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料電阻，這種磁阻的變化要明顯大于普通的磁阻效應(yīng)，而且低溫下更加明顯。隧道磁阻(TMR)傳感器發(fā)生在磁隧穿結(jié)中，其工作原理與巨磁阻效應(yīng)類似，利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)的AMR和GMR傳感器有更大的磁阻變化率。然而基于單相材料的磁傳感器往往靈敏度不是很高，一般需要放大器，價(jià)格昂貴。因此，開發(fā)復(fù)合材料集成的磁傳感器有著重要意義，它可起到與現(xiàn)有磁傳感器互補(bǔ)的作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種采用磁致伸縮材料作為基底在磁場(chǎng)作用下為鐵電晶體管的壓電層提供壓電勢(shì)的晶體管和磁傳感器。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于磁致壓電勢(shì)晶體管，包括基底和設(shè)置在所述基底上的鐵電晶體管，其中，所述基底由磁致伸縮材料構(gòu)成；所述鐵電晶體管中包括壓電層。

所述鐵電晶體管包括層疊設(shè)置的下列各層：設(shè)置在所述基底上的下電極層、壓電層、上電極層、絕緣層和半導(dǎo)體層，以及設(shè)置在所述半導(dǎo)體層上的源極和漏極。

所述鐵電晶體管包括層疊設(shè)置的下列各層：設(shè)置在所述基底上的下電極層、壓電層、絕緣層和半導(dǎo)體層，以及設(shè)置在所述半導(dǎo)體層上的源極漏極。

所述鐵電晶體管包括層疊設(shè)置的下列各層：設(shè)置在所述基底上的下電極層、壓電層和半導(dǎo)體層，以及設(shè)置在所述半導(dǎo)體層上的源極和漏極。

所述半導(dǎo)體層的材料為氮化鎵或硅的薄膜或塊體；

或者，所述半導(dǎo)體層的材料為單層分子層二維半導(dǎo)體材料，或者少于100層分子層的二維半導(dǎo)體材料。

所述二維半導(dǎo)體材料包括二硫化鉬、二硒化鎢或石墨烯。

所述壓電層的材料為石英、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇或鈮鎂酸鉛。

所述基底的材料是鋱鏑鐵(Terfenol-D)、鎳膜或金屬玻璃。

相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種磁傳感器，包括上述任一項(xiàng)中所述的基于磁致壓電勢(shì)晶體管。

通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：