一种室温下压电调控的磁性反常霍尔晶体管的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种室温下压电调控的磁性反常霍尔晶体管及其构成的逻辑器件。晶体管具有复合多层膜结构：压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层。本发明通过对压电薄膜两端施加电压产生形变，该形变转移到上层的磁性薄膜中。本发明利用压电实现室温零磁场下磁化的翻转。本发明具有低功耗、响应时间短、集成度高和在室温下工作的优点。
【专利说明】
一种室温下压电调控的磁性反常霍尔晶体管
技术领域
[0001] 本发明属于信息技术及微电子领域，涉及信息技术领域中的新型逻辑功能器件， 尤其涉及到利用压电效应来调控铁磁材料磁化翻转导致的反常霍尔效应值变化，并基于此 原理发明的室温压电调控的反常霍尔晶体管，以及基于室温压电调控的反常霍尔晶体管可 实现逻辑功能。
【背景技术】
[0002] 半导体技术是当代信息技术发展的基石，对人类社会的进步起到至关重要的作 用。随着微加工工艺的不断进步，半导体芯片尺寸不断缩小，信息的储存密度和处理速度按 照摩尔定律向前发展，大约18个月翻一番，14纳米尺寸的半导体芯片工艺已于2015年初投 入到工业生产中。但随着集成度的进一步提高，器件尺寸变得更小，将越来越逼近经典物理 的极限，量子效应变得越来越重要，同时量子隧穿会导致漏电流的增加，器件的损耗也会大 幅度增加，这些都会制约着微电子技术的进一步发展。
[0003] 利用电子的自旋来实现信息的处理、存储及传输有可能突破当前信息技术的障 碍，自旋电子学器件具有速度快、非挥发性、能耗低的优点。当前CMOS集成电路的基本单元 是场效应晶体管，主要是利用栅极电场控制半导体沟道中的载流子浓度来实现"开"和"关" 的状态，以此作为信息处理中的1和0态。由于磁性材料具有磁各向异性，不同的磁化方向也 可以作为信息处理或者存储中的不同信息，而反常霍尔效应是探测磁性材料磁特性的探 针。根据选择磁性材料的不同，伴随压电控制铁磁材料的磁化翻转的反常霍尔变化主要包 括三种类型：1)对于垂直磁各向异性材料，当磁矩从上到下发生翻转时，反常霍尔效应的值 会从正（负）变化为负（正）；2)压电调控使得磁化从垂直方向变成面内某一个晶向磁化翻 转，从而使反常霍尔电压发生相应的变化;3)利用压电效应使得面内磁各向异性的材料的 磁矩发生90度的翻转，设计磁化方向相对于器件的电流方向为Θ，而面内反常霍尔效应随着 磁化方向相对于电流方向成sin20变化，其最大变化为从1变成-1，也即是使得磁化方向相 对于电流方向的变化为45 (-135)到-45 (135)度。根据磁化方向变化对应于器件电流方向的 变化，对应测量得到的反常霍尔电压可以从正变为负或者从负变为正，这里一种可以类比 于P型场效应晶体管，另一种类比于η型场效应晶体管。基于这两种压电反常霍尔效应晶体 管，设计出所需要的逻辑功能电路，应用到信息技术领域。
【发明内容】
[0004] (一)要解决的技术问题
[0005] 本发明所要解决的是现有的场效应晶体管无法满足更高的集成度的要求的问题。
[0006] (二)技术方案
[0007] 本发明所采用的技术方案是一种用于解决更高集成度而设计的自旋电子学器件。 主要是通过电压控制器件中的自旋磁矩方向来改变霍尔电压，并且霍尔电压传递到下一级 中的器件中继续起到调控作用，依次类推，以实现信号的响应和处理功能，实现能耗更低， 集成度更高的逻辑功能电路。
[0008] 本发明的室温下压力调控的磁性反常霍尔晶体管，具有复合多层膜结构，该复合 多层膜结构为:压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层，所述压 电层能够被电压调控，从而调节所述磁性薄膜的特性。
[0009] (三)有益效果
[0010] 本磁性逻辑器件基于电场控制，具有低功耗、响应时间短、集成度高和在室温下工 作的优点;它能够完成单输入的"非"逻辑功能，双输入或者多输入的"或非"逻辑运算功能。
【附图说明】
[0011] 图1为基于压电调控的磁性平面霍尔晶体管的三维结构示意图；
[0012] 图2为基于压电调控的反常霍尔晶体管在垂直磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转的 示意图；
[0013] 图3为基于压电调控的反常霍尔晶体管在垂直磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转到 面内晶向的不意图；
[0014] 图4为基于压电调控的反常霍尔晶体管在面内磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转的 示意图；
[0015] 图5为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"非"门逻辑时的电路结构图；
[0016] 图6为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"非"门逻辑时的电路结构图；
[0017] 图7为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"或非"门逻辑时的电路结构图；
[0018] 图8为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"或非"门逻辑时的电路结构图；
[0019] 图9为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"或非"门逻辑时时的电路结构图； [0020]图10为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"或非"门逻辑时的电路结构图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明提出利用压电效应来实现室温零磁场下磁性材料的磁化翻转，从而伴随着 磁性材料的反常霍尔电压的变化，利用伴随磁化翻转的反常霍尔效应的变化可以制备出室 温压电反常霍尔晶体管。
[0022] 本发明首先提出生长压电铁磁复合多层膜结构，压电铁磁复合多层膜的基本结构 为在衬底上生长一定厚度的压电材料薄膜(例如ΒΤ0、ΡΖΤ、或者PMNPT)等，然后在上面生长 一层铁磁性薄膜，最后生长一层保护层保护铁磁性薄膜。也可以考虑在生长过程中直接生 长压电材料薄膜的导电层电极，然后生长一个绝缘层导电层和磁性薄膜材料。即该复合多 层膜结构为:压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层，所述压电 层能够被电压调控，从而进而调节所述磁性薄膜的特性。
[0023] 磁性薄膜选自坡莫合金、半金属、铁磁半导体和磁性金属材料。
[0024] 基于上述结构，本发明提出，基于压电调控的反常霍尔晶体管，该晶体管的器件结 构设计为将压电材料划分为各个不同的小块，或称为多个单元块，每个单元块对应独立的 磁性薄膜结构，且每个单元块能够被独立施加电压。并且优选地，所述压电层的每个单元块 对应的独立的磁性薄膜结构为十字结构，即每个小块上有一个独立的十字结构微纳铁磁薄 膜器件，利用电压来控制单个压电小块产生形变，从而实现分别单独控制每一个铁磁微纳 器件，利用反常霍尔效应作为输出，此时每一个微纳单元为一个压电反常霍尔晶体管，通过 设计多个反常霍尔晶体管可以实现各种逻辑功能。
[0025] 本发明中独立的十字结构微纳铁磁薄膜器件主要根据霍尔电压的测试所设计。十 字结构的器件通过已经成熟的工艺就可以制备而得。首先我们在生长好的压电性衬底上， 通过分子束外延或者磁控溅射等生长方法生长一层厚度为几纳米到十几纳米厚度的磁性 薄膜材料，为了防止磁性薄膜材料的氧化，在生长好的磁性薄膜上，再通过分子束外延或者 磁控溅射等生长方法生长几纳米厚度的保护层。在生长好的薄膜上，可以利用光刻或者电 子束刻蚀的工艺，制备出需求的器件结构。本发明中，光刻或者电子束刻蚀的方法主要包括 前处理，涂胶，烘烤，对准曝光，曝光后烘烤，显影，离子束刻蚀和去胶等工艺制备而得。通过 重复多种这样的制备工艺，制备出设计的所需要的器件，最后通过检验和封装就可以制备 出所需要的功能逻辑器件。
[0026] 本发明中的压电反常霍尔晶体管，可以在制备完成时利用外加磁场来初始化使得 所以器件的磁化方向指向同一个易磁化轴，或者用电流产生奥斯特场来使得器件的磁化指 向同一个方向。
[0027] 本发明优选为使基于压电调控的反常霍尔晶体管具有一个底栅，在需要的基底上 生长一层金属材料的底栅层，然后在底栅层上面沉积压电材料层。底栅可以具有多个功能： 1)初始化晶体管的所有单元，通过在底栅中通入电流，从而产生一个稳定的磁场，该磁场能 够使铁磁层磁化方向指向同一个方向。从而使铁磁层中的各个器件有了初始状态，即半导 体器件中的P型场效应晶体管和η型场效应晶体管，在这种初始状态下，铁磁材料制成的器 件就会通过不同的电路设计和反常霍尔效应的实现，形成逻辑电路;2)通过底栅调控压电 材料的形变，压电材料在底栅的电压作用下，产生形变，并将形变有效地传递到铁磁材料 中，从而可以实现压电调控上层的磁性薄膜的磁化特性。
[0028] 本发明中主要利用压电材料产生的应变特性调控磁性薄膜，而压电材料的特性， 在该设计中起到了至关重要的作用。通过在压电材料的两端施加电压，压电材料会表现出 压缩或者伸张的状态，以材料的形变形式表现出来。该形变有效地传送到生长在压电材料 层之上的铁磁材料中，导致铁磁材料产生形变，从而导致器件的磁化方向发生翻转，使得器 件的反常霍尔电压发生改变。这两种状态会实现〇和1的逻辑功能，该设计主要通过测量器 件两端的霍尔电阻来实现逻辑单元的功能。
[0029] 本发明中压电反常霍尔晶体管功能器件需要采用具有反常霍尔效应的铁磁性薄 膜，在压电材料上生长铁磁性材料，然后通过电路设计和制备工艺，在铁磁材料中制备出所 需要的各种器件以及连接线路，来实现所需要的各种逻辑功能。铁磁材料制备的器件具有 反常霍尔效应，在器件的工作过程中，利用铁磁材料中不同的磁化方向来分别实现器件类 比于Ρ型场效应晶体管和η型场效应晶体管的功能。通过压电效应来调控铁磁材料的磁化方 向的翻转，从而可以实现器件的不同态的转变，达到电压调控逻辑功能器件的目的。磁性层 材料的选择也非常重要，需要选择该类材料的磁各向异性对于形变比较敏感，该设计中所 采用的是具有垂直各向异性或者面内各向异性的磁性材料，该类材料具有在形变作用下， 磁化方向翻转90。的现象。将该类磁性材料生长在具有形变特性的压电材料上，通过压电材 料的形变，间接的改变磁性材料的形变，从而控制磁性材料中的磁化方向翻转。当磁性材料 的磁化方向发生翻转后，磁化方向和电流的夹角发生了变化，由于反常霍尔效应具有η周期 的性质，从而能够测量到通过夹角变化所导致的反常霍尔效应的变化情况。将不同的器件 通过设计和连接，就可以实现各种不同的逻辑功能。
[0030] 本发明中的磁性薄膜上层需要防止氧化，所以保护层生长在铁磁材料的上面，具 有保护铁磁材料的作用。在制备器件过程中，为了保护铁磁材料尽可能小的受到影响并增 加其寿命，所以在铁磁材料上层生长一层保护层非常重要。
[0031] 本发明的结构设计非常重要。可以通过压电分别单独调控每个铁磁维纳器件的磁 性，也即是其反常霍尔电压，将单个反常霍尔晶体管进行大规模集成，制备成更加优化的集 成电路。通过该结构制作逻辑功能电路，和制备半导体集成电路步骤相似，一般需要五个阶 段：电路系统设计，版图设计和优化，集成电路芯片制备，集成电路封装和电路成品测试分 析。经过五个阶段制备好的集成电路，具有体积小，质量轻，可靠性高，寿命长，响应速度快 等特点。
[0032] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，基于压电调控的反常霍尔晶体管为基础，实现部分逻辑功能，主要以"非"、"或非"逻 辑运算时的具体步骤为例，详细说明本发明的工作方式，进而来实现不同的逻辑功能。 [0033] 在下面的内容中约定，当电极Bn、B12、B13、……B1N和Bn、B 21、B31、……输入点 电平信号为U时，系统逻辑的输入信号为"Γ;当电极断开输入信号或者输入电平为低电平 时，系统逻辑输入信号为"〇"；对压电材料电压控制的成对电极中，其中一个电极作为接地 端;逻辑运算时，在铁磁微纳器件中通入恒定或者脉冲电流10;当霍尔电压处于高电压状态 时，系统逻辑输出为"Γ;当霍尔电压处于低压状态时，系统的逻辑输出为"〇"；该逻辑功能 器件在工作的时候，通过压电分别对单个铁磁微纳器件进行操作，可以使得铁磁微纳器件 的磁矩发生翻转，根据选择磁性材料的不同，压电调控有三种翻转的机制;本发明中用磁矩 翻转来代表磁矩的三种翻转机制；该专利中主要讲解设计中某一个单元为例，实现"非"和 "或非"逻辑功能。
[0034]图1为基于压电调控的磁性平面霍尔晶体管的三维结构示意图。图1所示的是每一 个单元的器件结构。如图所示，先在衬底上生长压电材料薄膜(可以直接生长其导电电极 层），该压电材料包括且不限于ΒΤ0、ΡΖΤ、或者PMN-PT等材料，然后再在其上方生长一层铁磁 材料薄膜，该铁磁层包括且不限于坡莫合金、半金属、铁磁半导体和磁性金属材料。在压电 薄膜两侧为电极，其输入电压作为逻辑信号的输入端，它可以调控铁磁材料的磁化翻转，磁 性材料中测量的反常霍尔电压作为逻辑信号的输出端。
[0035]图2~4为基于压电调控的反常霍尔晶体管器件的调控原理。
[0036] 图2为基于压电调控的反常霍尔晶体管在垂直磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转的 示意图。图2中的箭头表示铁磁薄膜的磁矩方向，磁矩在应力调控作用下翻转180°。
[0037] 图3为基于压电调控的反常霍尔晶体管在垂直磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转到 面内晶向的示意图。图中的箭头表示铁磁薄膜的磁矩方向，磁矩在电压调控作用下翻转 90°，磁矩方向由面外转向面内的某一个晶向。
[0038] 图4为基于压电调控的反常霍尔晶体管在面内磁各向异性磁性薄膜中磁矩翻转的 示意图。图中的箭头表示铁磁薄膜的磁矩方向，磁矩在电压调控作用下翻转90°。
[0039] 图5~10为基于压电调控的反常霍尔晶体管器件实现的逻辑功能。
[0040] 图5为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"非"门逻辑时，输入端为初始0状 态，测量的输出霍尔信号为逻辑信号1。图6为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"非" 门逻辑时，输入端为电压调控下的1状态，测量的输出霍尔电压信号为逻辑信号0。
[0041] 实现"非"门逻辑运算：
[0042] 步骤S1，基于已经初始化的逻辑器件，如图5所示，断开输入端的电信号的开关 ΚΙ 1，电极Bl 1处的电压为0，与接地的电极之间的电压差值为0，压电材料没有发生形变，从 而上层磁性材料中的磁矩方向处于初始状态，和探测电流的夹角保持不变，输出端的霍尔 电压信号保持不变，输入端为逻辑信号0,输出端为逻辑信号1。
[0043] 步骤S2,逻辑状态实现调控作用下实现1逻辑信号。如图6所示，闭合输入端电信号 的开关ΚΙ 1，电极Bl 1处的电压为U，与接地的电极之间的电压差值为U，压电材料在电压作用 下发生形变，从而导致上层的磁性材料的磁矩发生了翻转，探测电流方向保持不变，所以磁 矩和电流方向的夹角发生了变化，输出端的霍尔电压信号也发生了变化，作为逻辑信号的 输出信号0。
[0044] 其输入输出逻辑关系如下表。
[0045]
[0046] 可以看出γ = Ζ
[0047] 图7为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"或非"门逻辑时，输入端为Κη和K21 处于断开的状态，电极Bn和B21都处于0电压状态，逻辑输入信号为[0,0]，测量的输出霍尔 电压信号为逻辑信号1。
[0048] 图8为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"或非"门逻辑时，输入端Κη处于闭 合状态，K21处于断开的状态，电极Bn处电压为U，而B 21处于0电压状态，逻辑输入信号为[1， 0]，测量的输出霍尔电压信号为逻辑信号〇。
[0049] 图9为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"或非"门逻辑时，输入端Κη处于断 开状态，K21处于闭合的状态，电极Bn处电压为0,而B 21处于U电压状态，逻辑输入信号为[0， 1]，测量的输出霍尔电压信号为逻辑信号〇。
[0050] 图10为基于压电调控的反常霍尔晶体管在实现"或非"门逻辑时，输入端为Κη和 K21处于闭合的状态，电极Bn和B21都处于U电压状态，逻辑输入信号为[1，1]，测量的输出霍 尔电压信号为逻辑信号〇。
[0051]实现"或非"门逻辑运算：
[0052]步骤T1，基于已经初始化的逻辑器件。如图7所示，断开输入端的电信号的开关Κη 和Κ21，电极Bll和Β21处的电压为0，与接地的电极之间的电压差值为0，压电材料没有发生形 变，从而两个器件上层磁性材料中的磁矩方向处于初始状态，和探测电流的夹角保持不变， 输出端的霍尔电压信号保持不变，输入端为逻辑信号[0,0]，输出端为逻辑信号"1"。
[0053]步骤T2,如图8所示，闭合输入端的电信号的开关Kn，断开输入端开关K21，电极Bn 处的电压为U，而B21处的电压为Ο，两个与接地的电极之间的电压差值分别为U和Ο，Βιι处的 压电材料发生形变，从而器件上层磁性材料中的磁矩方向被调控翻转，和探测电流的夹角 发生改变，导致霍尔两端的输出电压改变，而B 21处的压电材料没有形变，磁矩方向和探测电 流的夹角保持不变，输出端的霍尔电压信号保持不变，输入端为逻辑信号[1，0]，此时，输出 端为逻辑信号"0"。
[0054]步骤T3,如图9所示，断开输入端的电信号的开关Kn，闭合输入端开关K21，电极Bn 处的电压为〇,而B21处的电压为U，两个与接地的电极之间的电压差值分别为0和U，Bn处的 压电材料不会发生形变，磁矩方向和探测电流的夹角保持不变，输出端的霍尔电压信号保 持不变，而B 21处的压电材料发生形变，从而此器件上层磁性材料中的磁矩方向被调控翻转， 和探测电流的夹角发生改变，导致霍尔两端的输出电压改变，此时，输入端为逻辑信号[0， 1]，输出端为逻辑信号"0"。
[0055] 步骤T4,如图10所不，闭合输入端的电信号的开关Κιι和K21，电极Bn和B21处的电压 为U，与接地的电极之间的电压差值为U，压电材料在电压作用下发生形变，从而两个微纳器 件上层磁性材料中的磁矩方向都被调控翻转，和探测电流的夹角都发生了改变，导致霍尔 两端的输出电压改变，输出端的霍尔电压信号被调控，此时，输入端为逻辑信号[1，1]，输出 端为逻辑信号"〇"。
[0056] 逻辑判断时，可以重复步骤T1~T4来实现逻辑功能。
[0057]其输入输出的逻辑关系如下表：
[0058]
[0059] π」以宥出Y=A+B。
[0060] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种室温下压力调控的磁性反常霍尔晶体管，具有复合多层膜结构，该复合多层膜 结构为:压电层/磁性薄膜/保护层，或者导电层/压电层/磁性薄膜/保护层，所述压电层能 够被电压调控，从而调节所述磁性薄膜的特性。2. 根据权利要求1所述的磁性反常霍尔晶体管，其特征在于，所述压电层的材料的选自 BTO、PZT、PMN-PT。3. 根据权利要求1所述的磁性反常霍尔晶体管，其特征在于，所述磁性薄膜选自坡莫合 金、半金属、铁磁半导体和磁性金属材料。4. 根据权利要求1所述的磁性反常霍尔晶体管，其特征在于，所述压电层划分为多个单 元块，每个单元块对应独立的磁性薄膜结构，且每个单元块能够被独立施加电压。5. 根据权利要求4所述的磁性反常霍尔晶体管，其特征在于，所述压电层的每个单元块 对应的独立的磁性薄膜结构为十字结构。6. -种逻辑器件，其特征在于，包括如权利要求1~6中任一项所述的室温下压力调控 的磁性反常霍尔晶体管。
【文档编号】H01L43/06GK105932153SQ201610412360
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】王开友, 张保, 杨美音
【申请人】中国科学院半导体研究所