一种场效应管应变传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种场效应管应变传感器，结构包括隔离层，设置于隔离层上表面的源区、第一沟道层、漏区，所述第一沟道层上表面中部设置栅极氧化层，两侧设置第二沟道层；所述栅极氧化层上设置有栅极，所述漏区一侧设置有漏极，所述源区的一侧设置有源极；所述第一沟道层为拓扑绝缘体，第二沟道层为磁性材料；所述栅极氧化层表面施加一向下的力；所述第二沟道层和向下的力形成FM‑strained‑FM结，所述FM‑strained‑FM结与第一沟道层形成FM‑strained‑FM‑TI异质结。本发明专利技术的传感器实现了功耗的降低与狄拉克表面态的法布里‑珀罗量子干涉领域的探测应用，对于低功率纳米级应变传感器非常实用。

A Field Effect Transistor Strain Sensor

【技术实现步骤摘要】
一种场效应管应变传感器
本专利技术涉及一种场效应管应变传感器，尤其涉及一种基于拓扑绝缘体和磁性材料异质结的低功耗场效应管应变传感器。
技术介绍
力敏传感器是使用很广泛的一种传感器，用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器。常用的主要是压阻式力敏传感器和电容式力敏传感器，用作压阻式传感器的基片或膜片材料主要为硅片和锗片，而基于硅、锗材料的力敏传感器在使用过程中随着电路中温度升高、器件老化从而增加器件功耗，影响传感器使用寿命。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提出一种基于拓扑绝缘体和磁性材料异质结的低功耗场效应管应变传感器，实现了传感器功耗的降低与狄拉克表面态的法布里-珀罗量子干涉领域的探测应用。技术方案：本专利技术所采用的技术方案是一种场效应管应变传感器，包括隔离层，依次设置于隔离层上表面的源区、第一沟道层和漏区，所述第一沟道层上表面中部设置栅极氧化层，两侧设置第二沟道层，所述源区、第二沟道层、栅极氧化层和漏区的上表面齐平；所述栅极氧化层上设置有栅极，所述源区的一侧设置有源极，所述漏区一侧设置有漏极；所述第一沟道层为拓扑绝缘体，所述第二沟道层为磁性材料；所述栅极氧化层表面施加一向下的力。作为优选，所述隔离层为SiO2。作为优选，所述拓扑绝缘体为三维拓扑绝缘体或三维拓扑晶体绝缘体。作为优选，所述三维拓扑绝缘体为Bi2Se3、Sb2Se3、InSb或Li2IrO3；进一步优选为Bi2Se3。作为优选，所述磁性材料为CrI3。作为优选，所述第二沟道层和向下的力在顶部形成FM-strained-FM结。作为优选，所述FM-strained-FM结与第一沟道层形成FM-strained-FM-TI异质结。工作原理：在第一沟道层拓扑绝缘体材料上表面加FM-strained-FM结形成FM-strained-FM-TI异质结，通过在FM-strained-FM结中间施加机械应变，在保持拓扑相的情况下，调节三维拓扑绝缘体TI和拓扑晶体绝缘体TCI的表面电子结构和电子输运。磁传输计算，包括传输，电导和巨磁阻GMR，预测了一种新的应变可控磁开关，其中单或双截断值的应用应变可以在没有GMR的绝缘状态之间切换信号和100％GMR的导通状态。超过100％GMR的能量范围，应变调制GMR显示周期性振荡，振荡峰值和谷值对应于P和AP配置的Fabry-Pérot共振。因此通过应变调制振荡GMR的实验测量，可以探测狄拉克表面态的法布里-珀罗量子干涉。具体的，三维拓扑绝缘体TI是一种新的量子态物质，其特征是非平凡的z2阶参数，具有绝缘体态和受保护的金属表面态，TI最奇异的特性之一是强自旋轨道耦合和时间反转对称性的结合使得自旋动量锁定的螺旋表面具有狄拉克费米子，而狄拉克费米子是TI许多奇异物理特性的来源。机械应变可以诱导普通绝缘体或半金属与三维拓扑绝缘体TI之间的拓扑相变，应变还可以在保持拓扑相的情况下，调节三维拓扑绝缘体TI和拓扑晶体绝缘体TCI的表面电子结构和电子输运。对于三维拓扑绝缘体TI，一个典型的静水压力允许一个单轴压缩应变，这使得狄拉克点相对于能量的单调下降，就像一个负的静电势。与掺杂相比，机械应变允许动态、连续和可逆的调制，因此在实现低功率传感器的同时，由于拓扑材料与磁性材料在机械应变下产生的物理特性变化，通过研究FM-strained-FM-TI异质结中巨磁阻GMR的应变效应，通过测量应变调制振荡GMR，可以很精确探测出狄拉克表面态的法布里-珀罗量子干涉，从而实现传感器在量子干涉领域中的精确测量。有益效果：本专利技术的一种基于拓扑绝缘体和磁性材料异质结的低功耗场效应管应变传感器，可实现将传感器的任务与微电子和集成电路相结合，对于低功率纳米级应变传感器非常实用；可以精确探测出狄拉克表面态的法布里-珀罗量子干涉，从而实现了传感器在量子干涉领域中的精确测量。附图说明图1是本专利技术的纵向截面结构示意图。图2是本专利技术的顶部xy曲面的俯视图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。如图1，本专利技术的一种场效应管应变传感器，从下到上包含以下结构：SiO2隔离层1，依次设置于SiO2隔离层1上表面的源区2、第一沟道层3和漏区4，第一沟道层3上表面中部设置栅极氧化层5，两侧设置第二沟道层6；源区2、第二沟道层6、栅极氧化层5和漏区4的上表面齐平；栅极氧化层5上设置有栅极7，源区2的一侧设置有源极8，漏区4一侧设置有漏极9；第一沟道层3为拓扑绝缘体，第二沟道层6为磁性材料FM；栅极氧化层5表面施加一向下的力。沟道层结构包括两层，第一沟道层3为三维拓扑绝缘体材料TI中的Bi2Se3，第二沟道层6为磁性材料FM中的CrI3，顶层由第二沟道层6和向下的力形成FM-strained-FM结，于是FM-strained-FM结与第一沟道层3形成FM-strained-FM-TI异质结。如图2，沟道区域划分为三部分，在x方向上施加偏压，在宽度为d的中间II区域，顶部栅极提供电压Ug并将均匀的流体静压力传递给第一沟道层3，白色箭头表示的平面磁化率在左区域I和右区域III的铁磁体材料中与x方向的偏压是平行或反平行。本专利技术将传感器的任务与微电子和集成电路相结合建立传感器模型，鉴于低功耗纳米级传感器通过应变调制振荡GMR，从而可以探测狄拉克表面态的法布里-珀罗量子干涉领域的应用。该模型基于拓扑绝缘体-磁性材料(FM-strained-FM-TI)异质结磁传输效应的计算，具体过程为，假设接近效应引起的铁磁性区域具有阶梯边界，利用Heaviside阶跃函数来求解表面态的有效低能哈密顿量，然后求解波函数推导出该结构的磁传输效应。因此磁交换场的增益为：其中，Θ(x)是Heaviside阶跃函数，η是1和-1，用于P和AP的对应参数。异质结的潜在增益描述为：V(x)＝(Ug-Us)Θ(x)Θ(d-x)Ug为电压，-Us为应变诱导的负电位。由此，我们得出表面态的有效低能哈密顿量，其中是Bi2Se3表面态的费米速度。考虑到y方向动量守恒，我们将区域j(j＝I，II和III)中的波函数沿±x方向写为其中采用如下形式：为了保证当前的方程具有归一化的事件概率密度，我们将三个区域的总波函数写为：求解波函数，便可以得出：我们仅考虑杂质少的弹道传输系统。所以对于这种情况，在有限温度下的小偏压的电导值为：G0＝e2Ly/πh方向沿Y轴，场效应管的宽度Ly＝400nm，进一步考虑非常低的温度，则上述公式化简为：Gη(EF，V，Mx)＝G0/Tη(EF，V，Mx，ky)dky即：GMR＝(1-GAP/GP)×100％通过磁输运计算，可实现一种应变可控的磁开关效应，它在没有GMR信号的绝缘状态和具有100％GMR响应的导电状态之间进行转换。此外，应变调制法布里-珀罗共振在拓扑绝缘体-磁性材料构成的纳米结构中产生了显著的振荡GMR效应。机械应变允许动态、连续和可逆的调制，因此在实现低功率纳米级传感器的同时，由于第一沟道层3的拓扑绝缘材料与第二沟道层6的磁性材料在机械应变下产生的物理特性变化，通过研究FM-strained-FM-TI异质结中巨磁阻GMR的应变效应，测量应变调制振荡GMR，可以很精确探测出狄拉克表面态的法布里-珀罗量子干涉，从而实现传感器在量子干涉领域中的精本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种场效应管应变传感器，其特征在于：包括隔离层(1)，设置于隔离层(1)上表面的源区(2)、第一沟道层(3)和漏区(4)，所述第一沟道层(3)上表面中部设置栅极氧化层(5)，两侧设置第二沟道层(6)；所述源区(2)、第二沟道层(6)、栅极氧化层(5)和漏区(4)的上表面齐平；所述栅极氧化层(5)上设置有栅极(7)，所述源区(2)的一侧设置有源极(8)，所述漏区(4)一侧设置有漏极(9)；所述第一沟道层(3)为拓扑绝缘体，所述第二沟道层(6)为磁性材料；所述栅极氧化层(5)表面施加一向下的力。

【技术特征摘要】
1.一种场效应管应变传感器，其特征在于：包括隔离层(1)，设置于隔离层(1)上表面的源区(2)、第一沟道层(3)和漏区(4)，所述第一沟道层(3)上表面中部设置栅极氧化层(5)，两侧设置第二沟道层(6)；所述源区(2)、第二沟道层(6)、栅极氧化层(5)和漏区(4)的上表面齐平；所述栅极氧化层(5)上设置有栅极(7)，所述源区(2)的一侧设置有源极(8)，所述漏区(4)一侧设置有漏极(9)；所述第一沟道层(3)为拓扑绝缘体，所述第二沟道层(6)为磁性材料；所述栅极氧化层(5)表面施加一向下的力。2.根据权利要求1所述的一种场效应管应变传感器，其特征在于：所述隔离层(1)为SiO2。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：渠开放，江斌，程庆苏，李桂华，吉娜，王伟，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32