[發明專利]一種量子反常霍爾效應薄膜微結構器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201910340284.1
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110098319B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 高志廷;李耀鑫;王永超;李紹銳;張金松;王亞愚
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L43/06
• 分類號: H01L43/06;H01L43/10;H01L43/14
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 李想;王文文

本發明公開了一種量子反常霍爾效應薄膜微結構器件的制備方法，具體步驟如下：在拓撲絕緣體材料的Al₂O₃層上勻涂電子束膠作為保護層；在保護層上勻涂紫外正性光刻膠；采用光刻工藝將掩膜的圖形轉移到紫外正性光刻膠上；采用等離子去膠機去除刻蝕圖形的保護層；利用離子束刻蝕機在拓撲絕緣體材料上刻蝕Al₂O₃層及Cr摻雜(Bi,Sb)₂Te₃層，將掩膜的圖形轉移到拓撲絕緣體材料上；利用丙酮及異丙醇洗掉剩余的保護層和紫外正性光刻膠，干燥，得到量子反常霍爾效應薄膜微結構器件。本發明避免普通光刻工藝顯影階段對Al₂O₃薄膜的腐蝕，避免電子束曝光電荷積累造成的量子反常霍爾效應無法調控的問題，成功實現微納加工后的量子反常霍爾效應。

技術領域

本發明屬于電子信息技術領域，具體涉及一種量子反常霍爾效應薄膜微結構器件及其制備方法。

背景技術

自上世紀60年代，摩爾定律提出以來，半導體芯片技術迅速發展，集成化程度越來越高。但是，隨著電路集成化越來越高，電子元器件產生的熱量也會越來越高，如果在沒有良好散熱的技術條件下，這種熱量可以燒毀整個芯片。因此，很多人都認為“摩爾定律”將要失效了。

芯片的發熱是電子造成的，在芯片的底層，在一定的電勢作用下，電流按照一定方向流動，電流的基本單元是電子，電子在大概率事件上是按照一定方向運動。電子它也會相互碰撞。從宏觀上講，這種電子相互碰撞的表現就是芯片發熱。因此，為了避免電子相互碰撞，我們就需要讓電子“各行其道”，嚴格按照一定的路線前行。在對電子分完道之后，還要做另外一件事情，就是當前行的電子遇到雜質的時候，電子也不會出現改變設定的方向往回走，即沒有電子出現“逆行”的現象，不會由于逆行，電子產生相互碰撞而消耗能量，產生熱量。要實現以上的這兩條，就需要借助一個神奇的量子霍爾效應(Quantum HallEffect)。

通過對量子霍爾效應的研究，馬普所的德國物理學家馮·克利青發現了整數量子霍爾效應，獲得1985年諾貝爾物理學獎；崔琦、霍斯特·施特默和亞瑟·戈薩德發現了分數量子霍爾效應，獲得了1998年諾貝爾物理學獎。量子霍爾效應被認為是半導體工業的曙光。但是，在實際應用量子霍爾效應的時候，會面對一個巨大的難題，那就是要產生這樣的效應，需要外加1特斯拉左右磁場，然而，這種強的磁場會對半導體設備運行產生不良影響。

量子反常霍爾效應(Quantum Anomalous Hall Effect)相當于不需要強磁場的量子霍爾效應，量子反常霍爾效應來自拓撲絕緣體（topological insulator）里的拓撲量子態。在拓撲性質的保護下，特定材料制成的絕緣體的表面會產生特殊的邊緣態，使得該絕緣體的邊緣可以導電，而這種邊緣態電流的方向與電子的自旋方向完全相關，同時不再需要外加磁場。簡單來說，就是通過電子自旋與電子軌道的耦合，來取代了外加的強磁場，而產生的材料只有邊緣可以導電，并且通過電子的自旋方向來決定電流的流動方向。張首晟等提出自旋量子霍爾效應的概念，首先預言了這么一個神奇的效應能夠在實驗上實現，使得電子能夠按照高速公路原理來運行。2013年，中國科學院薛其坤院士領銜的合作團隊又發現，在一定的外加柵極電壓范圍內，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特征值h/e² ~ 25800歐姆。在Cr摻雜(Bi,Sb)₂Te₃薄膜材料上得到近乎完美的量子反常霍爾效應實驗結果，此材料在專利《拓撲絕緣體結構》（ZL201210559564.X）進行了詳細論述，簡而言之，Cr摻雜(Bi,Sb)₂Te₃薄膜生長于SrTiO₃基底上，并由表層Al₂O₃保護。