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一种室温p型 磁性 半导体p‑n‑p结器件和电控磁器件

阅读：6发布：2020-05-26

专利汇可以提供一种室温p型磁性半导体p‑n‑p结器件和电控磁器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了微纳电子和自旋电子学材料的半导体器件制备技术领域的一种室温p型磁性半导体p‑n‑p结器件和电控磁器件。所述基于室温p型磁性半导体p‑n‑p结器件是一种基于室温p型磁性半导体和n型Si的p‑n结和p‑n‑p双重结器件，在n型Si上下表面镀有p型磁性半导体薄膜，形成了Au/p‑CoFeTaBo/n‑Si/p‑CoFeTaBo/Au结构的p‑n‑p结器件，具有明显的整流效应；所述电控磁器件是在单晶硅表面依次镀上一层Cr膜、Au膜、一层p型磁性半导体薄膜和HfO2绝缘氧化物薄膜；该电控磁器件通过外加门电压产生的电场效应对其磁学性能进行有效调控:并与以Si为基础的半导体易实现兼容。，下面是一种室温p型磁性半导体p‑n‑p结器件和电控磁器件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于室温p型磁性半导体p-n-p结器件和电控磁器件，其特征在于，包括基于室温p型磁性半导体p-n结、p-n-p双重结器件和电控磁器件的结构；所述室温p型磁性半导体p-n-p结器件是一种基于p型磁性半导体和n型Si的p-n-p双重结器件，在n型Si上下表面镀有室温p型磁性半导体薄膜，然后分别在n-Si和两层薄膜表面镀金膜电极，连接铜引线，形成了Au/p-CoFeTaBo/n-Si/p-CoFeTaBo/Au结构的p-n-p双重结器件；该p-n-p双重结器件具有明显整流效应，与目前以Si为基础的半导体更易于实现兼容；
所述电控磁器件是在单晶硅表面依次镀上一层Cr膜和Au膜作为底电极，在Au膜表面依次沉积一p型磁性半导体薄膜和HfO2绝缘氧化物薄膜；在绝缘氧化物薄膜和Au层膜之间施加门电压进行磁学性能的调控。

说明书全文

一种室温p型 磁性 半导体p-n-p结器件和电控磁器件

技术领域

[0001] 本实用新型属于微纳电子和自旋电子学材料的半导体器件制备技术领域，特别涉及一种室温p型磁性半导体的p-n-p双重结器件和电控磁器件。

背景技术

[0002] 微纳电子技术以及磁传感器和磁存储技术是信息产业的两大核心技术，是现代信息产业和高技术发展的基础。然而分别对磁性金属材料的自旋调控和对半导体材料的电荷调控已无法满足信息技术发展的需求，而兼具磁性和半导体特性的磁性半导体材料，可以满足人们对电荷和自旋同时调控的期望；基于磁性半导体可用于开发更先进的自旋电子器件延伸计算机芯片摩尔定律的有效性，并为开发新一代计算机提供材料支撑。相比硅基半导体材料，基于自旋操控的磁性半导体材料所需能耗更低，可以获得更高的集成度及更快的运算速度。同时，对于载流子调制磁性的磁性半导体而言，它们的电学性能和磁学性能相互关联，因此可能利用电压调控载流子浓度，继而实现对该磁性半导体磁学性能的有效调控。目前磁性半导体的研究对象主要为稀磁半导体，但是迄今报道的典型稀磁半导体的最高居里温度仅有200K，仍远低于室温。因此，基于这些稀磁半导体材料的各种器件原型仅限于低温实现器件功能。基于稀磁半导体(In,Mn)As和 (Ga,Mn)As,Ohno等人分别在1999年和2000年实现了低温几十K的自旋发光二极管和电控磁器件(Nature 420(1999)790；Nature
408(2000)944)。2011年， Yamada等人在钴掺杂二氧化钛稀磁半导体中，调控电压在3伏以上后，磁性从顺磁转变为铁磁性。尽管在TiCoO中实现了室温下的电控磁器件，但是整体的铁磁，而且该调控为单向磁性调控(Science 332(2011)1065)。本发明基于我们自主研发的一种室温p型磁性半导体(一种室温透明铁磁半导体材料及其制备方法，专利号：ZL 2013 1
0432802.5)，与半导体工业的主流材料n型单晶硅进行集成制备了p-n 异质结和p-n-p双重结结构，具有良好的二极管整流效果。同时，在门电压绝对值不高于2V的条件下，对不同厚度的磁性半导体薄膜实现了磁学性能的电调控。所制备电控磁器件中磁性半导体薄膜厚度为25nm，当门电压从+1.2V 降至-1.2V时，饱和磁化强度的变化量可达170％。相比其他稀磁半导体基的电控磁器件，我们的器件具有室温可操控性、低电压下磁性可调幅度大等优势，具有更好的实用前景。
实用新型内容

[0003] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足提供一种室温p型磁性半导体 p-n-p结器件和电控磁器件，其特征在于，所述室温p型磁性半导体p-n-p结器件是一种室温p型磁性半导体的p-n-p双重结器件和电控磁器件；包括基于室温 p型磁性半导体p-n-p双重结器件和电控磁器件的结构；所述室温p型磁性半导体p-n-p双重结器件是一种基于p型磁性半导体和n型Si的p-n-p双重结器件，在n型Si上下表面镀有室温p型磁性半导体薄膜，然后分别在n-Si和两层薄膜表面镀金膜电极，连接铜引线，形成了Au/p-CoFeTaBo/n-Si/p-CoFeTaBo/Au结构的p-n-p双重结器件；该p-n-p双重结器件具有明显整流效应，与目前以Si 为基础的半导体更易于实现兼容；

[0004] 所述电控磁器件是在单晶硅表面依次镀上一层Cr膜和Au膜作为底电极，在 Au膜表面依次沉积一层p型磁性半导体薄膜和HfO2绝缘氧化物薄膜，在HfO2薄膜上方滴上一层离子液体，并盖上Al箔作为顶电极；在Al箔和Au膜之间施加门电压进行磁学性能的调控。

[0005] 所述离子液体为N,N-二甲基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)季铵磺酸亚胺盐(简写为DEME-TFSI)

[0006] 本实用新型的有益效果为：所得到p-n-p双重结器件和电控磁器件结构简单、原材料价格适中，且环境友好，制备工艺简单，该p-n结器件表现出良好的整流效果，导通临界电压为1.6V。且能和传统半导体Si加工工艺兼容，在微纳电子和自旋电子学领域有潜在应用。附图说明

[0007] 图1为室温p型磁性半导体p-n-p双重结器件结构示意图；

[0008] 图2为图1中的各引线的电流-电压特性曲线(p-n-p结构对应A-C连线，p-n 结对应A-B连线)；

[0009] 图3为p型磁性半导体的电控磁器件结构示意图；

[0010] 图4为实施例2中不同电压调控下，厚度为25nm的p型磁性半导体薄膜磁化强度对外磁场的响应特性。

具体实施方式

[0011] 本实用新型提供一种基于室温p型磁性半导体p-n-p双重结器件和电控磁器件；下面结合附图和实施例对本实用新型的p型磁性半导体的双重p-n结器件和电控磁器件予以进一步说明。

[0012] 图1为室温p型磁性半导体p-n-p双重结器件结构示意图；图中所示室温p 型磁性半导体p-n-p双重结器件是一种基于p型磁性半导体和n型Si的p-n-p 双重结器件；在n型Si的上下表面镀有室温p型磁性半导体薄膜，然后分别在 n-Si和室温p型磁性半导体薄膜表面镀金膜电极，连接铜引线，形成了Au/p- CoFeTaBo/n-Si/p-CoFeTaBo/Au结构的p-n-p双重结器件；该器件具有明显整流效应，与目前以Si为基础的半导体更易于实现兼容。

[0013] 图2为本实施例的各引线的电流-电压依赖曲线(p-n异质结对应A-B连线， p-n-p结构对应A-C连线)。从图2可以看出，A-B连线时，当电压从-2V增加至 +1.6V时，电流随电压基本线性增加，但是维持在很小的数值，表明此时结的电阻大，处于截止状态，基本不能导通；当电压超过+1.6V的截止电压之后，电流急剧上升，电阻急剧减小，p-n结处于导通状态。如果选用A-C连线，此时为p-n-p 结构，电压从-4V增加到+4V时，电阻一直都处于较大的数值，不能导通。

[0014] 图3为基于室温p型磁性半导体的电控磁器件结构示意图；图中所示电控磁器件是在单晶硅表面依次镀上一层Cr膜和Au膜作为底电极，在Au膜表面依次沉积一层p型磁性半导体薄膜和HfO2薄膜，在HfO2薄膜上方滴上一层离子液体，并盖上Al箔作为顶电极；在Al箔和Au膜之间施加门电压进行磁学性能的调控。离子液体种类为N,N-二甲基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)季铵磺酸亚胺盐 (DEME-TFSI)；所制备器件的电压由Agilent 2901A电压表施加；磁化强度随磁场强度的依赖特性曲线由Quantum Design公司的MPMS SQUID VSM测量。

[0015] 图4为实施例2中25nm磁性半导体薄膜在不同电压调控时，磁化强度随磁场强度的变化特性曲线。从图4中可以看出，饱和磁化强度为几十emu/cm3，同时在电压调控的过程中，出现了矫顽力，由于该磁学测试是在室温下进行的，因此，该磁性半导体显示为室温下的铁磁性。当所加电压为+1.2V时，HfO2薄膜上方附近的离子液体集聚正离子，在p型磁性半导体薄膜内部产生电场。由于该p 型磁性半导体薄膜多数载流子为空穴，在电场作用下往下运动，而负极Au膜内电子则在电场作用下上移，会综合部分空穴载流子。由于该p型磁性半导体为载流子浓度调制磁性，随载流子浓度空穴数减少，薄膜饱和磁化强度降低。同理，当所加电压为-1.2V时，磁性半导体中空穴数增加，因而磁性增强。如图4所示，门电压为+1.2V时，25nm厚p型磁性半导体薄膜的室温饱和磁化强度相对原始薄膜样品减小了54％。

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