一种电可控的二维自旋电子器件阵列制造技术

本实用新型专利技术公开一种电可控的二维自旋电子器件阵列，包括半导体基片、设置于基片下表面的光栅结构的背栅电极，层叠设置在基片上表面的介电层、过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构、设置于过渡金属硫化物二维材料上表面两侧的两列电极对、BN二维材料钝化层，所述两列电极对由置于过渡金属硫化物二维材料上表面两侧的若干对位置一一对应的电极对等间距排列构成；所述自旋电子器件阵列可通过施加背栅电压对过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控异质结构的磁各向异性及费米能级附近电子态的自旋极化方向，从而在电极对之间电压的作用下产生极化方向独立可控的自旋电流。

An electrically controllable two-dimensional spin electron device array

【技术实现步骤摘要】
一种电可控的二维自旋电子器件阵列
本技术涉及一种自旋电子器件阵列，尤其是一种电可控的二维自旋电子器件阵列。
技术介绍
自旋电子学器件通过电子的自旋来进行信息的传递、处理与存储，与传统的半导体器件相比，有着非易失性，高数据处理速度，低能量消耗和高集成密度等优点，从而给现有的电子业带来革命性的变化。近年来，半导体自旋电子器件的研制在世界发达国家受到高度重视，许多国际著名科研机构和大公司研发部门都投入了大量的人力和物力，在半导体器件结构中自旋极化的产生、注入、传输、操作和检测等方面研究均取得了十分重要的进展。实现自旋电子学的应用，关键性问题就是用电场来调控载流子的自旋取向。目前，半导体自旋电子器件中自旋极化载流子的产生方法主要有以下几种：(1)一利用圆偏振的激光来激发，在原本无自旋极化的半导体中激发出自旋不均衡的载流子，然而该方法室温极化率往往较低且难以实现器件集成；(2)将已自旋极化的载流子从一种材料(如铁磁金属、磁性半导体或者半金属)注入到半导体材料中，然而要求在器件中的自旋散射较小，并有足够长的驰豫时间和高的迁移率；(3)利用稀磁半导体在磁场下的巨塞曼分裂效应，但其居里温度通常不能达到室温以上，难以实现实际应用。因而目前的自旋电子器件，仍存在室温自旋极化率不高、不易控制、不易集成、兼容性差等问题。
技术实现思路
本技术鉴于自旋电子器件的设计需求，提出一种基于过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构的电可控的二维自旋电子器件阵列；该器件具有极化率电可调的自旋电子器件，可解决室温自旋极化率不高、不易控制、不易集成、兼容性差等问题。为了解决上述的技术问题，本技术提供了一种电可控的二维自旋电子器件阵列，包括半导体基片、设置于基片下表面的光栅结构的背栅电极，层叠设置在基片上表面的介电层、过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构，设置于过渡金属硫化物二维材料上表面沿着宽度方向两侧的两列电极对、设置于过渡金属硫化物二维材料上表面的BN二维材料钝化层；所述两列电极对由置于过渡金属硫化物二维材料上表面沿着宽度方向两侧的若干对位置一一对应的电极对等间距排列构成；所述自旋电子器件阵列通过施加背栅电压对过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控异质结构的磁各向异性及费米能级附近电子态的自旋极化方向，从而在电极对之间电压的作用下产生极化方向独立可控的自旋电流。在一较佳实施例中：所述半导体基片采用n型或p型掺杂的硅、锗，n型或p型掺杂的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，n型或p型掺杂的Ⅱ-Ⅵ族化合物中的一种。在一较佳实施例中：所述介电层采用氧化铝、氧化镁、二氧化铪、二氧化钛、六方氮化硼中的一种或几种的组合，其厚度为50～1000μm.在一较佳实施例中：所述过渡金属硫化物二维材料化学式为MX2，其中M＝Mo或W，X＝S或Se。在一较佳实施例中：所述过渡金属硫化物二维材料的厚度d1满足范围0<d1<50nm。在一较佳实施例中：所述铁磁金属纳米团簇为由铁磁金属材料构成的纳米颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构中的一种。在一较佳实施例中：所述铁磁金属纳米团簇的铁磁金属材料为铁、钴、镍金属中的一种或几种，或其合金。在一较佳实施例中：所述铁磁金属材料构成的纳米颗粒状非周期性团簇结构的颗粒大小、颗粒间距，以及周期性团簇阵列结构的颗粒大小、颗粒间距均在1～500nm范围内。在一较佳实施例中：所述BN二维材料钝化层的厚度d2满足范围0<d2<1μm。在一较佳实施例中：所述光栅结构的背栅电极的光栅周期与设置于过渡金属硫化物二维材料上表面两侧的两列电极对的排列周期一致，且背栅电极位置与电极对的上下位置一一对应。本技术的原理为：过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构费米能级附近存在能量交替排列的自旋向上与自旋向下电子态；通过对器件施加背栅电压，可对过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，调节背栅电压的大小及方向以改变掺杂载流子的数量及种类，可调控过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构费米能级处的电子态的自旋取向，由此在过渡金属硫化物二维材料上表面两侧电极对之间的电压驱动下可形成自旋极化的电流，并背栅电压调控其自旋取向。此外，过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构在电子和空穴掺杂的作用下分别呈现垂直磁各向异性与平行磁各向异性，因而通过背栅电压对磁各向异性的调控，可在异质结构中形成稳定的磁畴和一致的磁矩方向，从而减小自旋散射，提高自旋电流的极化率。相较于现有技术，本技术产生的有益效果是：本技术由于采用光栅结构的背栅电极，每个背栅电极单元可独立控制，并与上表面的电极对一一对应，因此可以在器件阵列结构中实行微区及图案化调控方案，从而实现更为多样的器件功能，且器件适用于0K≤T≤320K温度范围内，空气环境或真空环境中，采用全电学调控方式，解决室温自旋极化与调控以及器件集成与兼容等问题。附图说明图1电可控的二维自旋电子器件阵列示意图。图2过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构能带图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本技术作详细说明，但本技术保护的范围不仅限于下述实施例：本实施例结构如图1所示，包含半导体基片1、设置于基片1下表面的光栅结构的背栅电极2，层叠设置在基片1上表面的介电层3、过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构4、设置于过渡金属硫化物二维材料4上表面沿着宽度方向两侧的两列电极对5、设置于过渡金属硫化物二维材料4上表面的BN二维材料钝化层6，所述两列电极对5由置于过渡金属硫化物二维材料4上表面两侧的若干对位置一一对应的电极对5等间距排列构成；所述自旋电子器件阵列可通过施加背栅电压对过渡金属硫化物二维材料4/铁磁金属纳米团簇异质结构4进行静电掺杂，由此调控异质结构的磁各向异性及费米能级附近电子态的自旋极化方向，从而在电极对之间电压的作用下产生极化方向独立可控的自旋电流。其中半导体基片1采用p型掺杂的Si片，光栅结构的背栅电极2采用Ti/Au(10/60nm)电极，其光栅结构的周期为10μm，占空比为7：3，介电层3采用300nm厚的Al2O3，过渡金属硫化物二维材料4采用单分子层WS2二维材料，厚度为0.8nm，铁磁金属纳米团簇采用Co金属构成的颗粒状非周期性团簇结构；团簇侧向尺度约为10nm，纵向高度约为5nm，且团簇形貌较为一致，BN二维材料钝化层6采用厚度为5分子层的BN二维材料，两列电极对5采用Ni/Au(10/60nm)电极，其排列周期为10μm，且其上下位置与背栅电极2位置一一对应。本技术的制作方法如下：第一步，通过化学清洗(使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗)获得清洁的p型掺杂的Si基片1；第二步，采用原子层沉积(ALD)法在Si基片1上表面生长300nm厚的Al2O3薄膜作为介电层3；...

【技术保护点】
1.一种电可控的二维自旋电子器件阵列，其特征在于：包括半导体基片、设置于基片下表面的光栅结构的背栅电极，层叠设置在基片上表面的介电层、过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构，设置于过渡金属硫化物二维材料上表面沿着宽度方向两侧的两列电极对、设置于过渡金属硫化物二维材料上表面的BN二维材料钝化层；所述两列电极对由置于过渡金属硫化物二维材料上表面沿着宽度方向两侧的若干对位置一一对应的电极对等间距排列构成。/n

【技术特征摘要】
1.一种电可控的二维自旋电子器件阵列，其特征在于：包括半导体基片、设置于基片下表面的光栅结构的背栅电极，层叠设置在基片上表面的介电层、过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构，设置于过渡金属硫化物二维材料上表面沿着宽度方向两侧的两列电极对、设置于过渡金属硫化物二维材料上表面的BN二维材料钝化层；所述两列电极对由置于过渡金属硫化物二维材料上表面沿着宽度方向两侧的若干对位置一一对应的电极对等间距排列构成。


2.如权利要求1所述的一种电可控的二维自旋电子器件阵列，其特征在于：所述半导体基片采用n型或p型掺杂的硅、锗，n型或p型掺杂的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，n型或p型掺杂的Ⅱ-Ⅵ族化合物中的一种。


3.如权利要求1所述的一种电可控的二维自旋电子器件阵列，其特征在于：所述介电层采用氧化铝、氧化镁、二氧化铪、二氧化钛、六方氮化硼中的一种或几种的组合，其厚度为50～1000μm。


4.如权利要求1所述的一种电可控的二维自旋电子器件阵列，其特征在于：所述过渡金属硫化物二维材料化学式为MX2，其中M＝Mo或W，X＝S或Se。


5.如权利要求1所述的一种电可控的二维自旋电子器件阵列，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴雅苹，唐唯卿，吴志明，康俊勇，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：新型
国别省市：福建;35