自旋场效应晶体管及其制备方法、异质结的制备方法

1.本发明涉及场效应晶体管。


背景技术：

2.随着微电子技术的发展，晶体管的尺寸不断缩小，集成电路的性能也不断提高。然而，当晶体管缩小至原子层量级时，量子效应开始显现，漏电流显著增加，器件性能与集成度之间的矛盾日益突出，短沟道效应开始出现，对于集成电路的发展产生了越来越严重的影响，主要包括:漏阻降低、通道长度调制、栅极漏阻降低、热载流子效应、速度饱和等，因此摩尔定律也逐渐趋近其量子极限。同时，由于更高的工作频率使得动态功耗增大并产生大量热量，散热问题也亟需解决。全球各地的科学家们一直寻找低功耗和高稳定性的新技术来替代互补金属氧化物半导体(cmos)技术。自旋电子学利用电子的自旋这种基本性质，被认为是未来计算和通信技术的一个理想途径。与控制电荷电流相比，切换自旋状态切换时间更短、所需的能量更少，因此相对于传统微电子器件，自旋电子器件预计会运行得更快，产生的热量更低。这对于满足未来高运行速度和低功耗电子器件的需求至关重要，所以自旋电子学成为解决当前cmos技术之外功耗问题的最有潜力的候选之一。
3.在各种自旋电子器件中，新兴的自旋场效应晶体管(spin-fet)因其与最先进的互补金属氧化物半导体(cmos)技术的高度兼容性以及其与磁存储器集成实现“存算一体”的应用前景而引起了广泛的研究关注。自旋场效应晶体管这一概念是由s.datta和b.das于1990年提出的，并已成为各种应用中研究最多的设备之一。这种器件的工作原理类似于基于电荷的场效应晶体管，不同的是自旋场效应晶体管(spin-fet)通常采用磁性材料作为器件的源漏极，如图1所示。在自旋场效应晶体管中，电子的自旋极化被用于处理和传递信息流。
4.其主要工作原理如下：首先来自源极的具有特定方向的自旋极化载流子被注入到半导体通道后向漏极漂移，由于栅极电场的作用，电子会产生旋进，进而导致自旋极化方向的变化，当电子到达漏极时，取决于电子与漏极磁化方向相同或相反，器件会呈现出“开”和“关”状态。相比于传统场效应晶体管，自旋场效应晶体管具有低功耗、高跨导值(用于高速应用)、高放大能力(电压、电流和功率增益)等优势。然而，虽然自旋场效应晶体管的概念已经提出了30多年，相关的研究却主要集中在理论模拟和预测，仅有少数实验报道，且存在信号微弱、依赖低温和外磁场等问题。
5.由于自旋电子学的核心是操控材料中的自旋状态，因此需要首先在材料中创造具有自旋极化的电流。由于半导体材料大多是非铁磁性的，所以向半导体材料中注入足够大的自旋极化电流是其中的一个关键过程，也是一个难点。产生自旋极化载流子的方法主要有电自旋注入和光自旋注入两种。电自旋注入是通过半导体与铁磁材料接触，通过电流传导的方式实现自旋流的注入和输运。由于半导体/铁磁金属界面的阻抗不匹配，自旋散射严重，从而导致自旋注入效率远远低于预期。近年来通过引入绝缘隧穿层，逐步提升了电自旋注入效率，但仍存在自旋极化低、易被静电击穿、工艺难度较大等问题。光自旋注入则是新
兴的自旋注入手段。半导体导带内的能谷具有独特的赝自旋特性，通过光学方法激发特定的能谷，就可以产生自旋极化电子，实现半导体内的自旋操控。但是在一般的半导体材料中，能谷状态与外界电磁场的耦合较弱，所以很难独立地操纵某一个能谷中的自旋状态，光激发自旋极化率很低。现有研究的自旋注入效率仍难以满足高性能自旋电子器件的需要。
6.半导体自旋电子学中的另一个基本问题是半导体材料内的自旋散射会导致自旋极化丧失，所以如何在足够长的时间和足够长的距离内保持自旋状态以完成信息的传输，这也是一个关键问题。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的主要技术问题是提供基于光自旋注入的自旋场效应晶体管，实现高效自旋注入和长距离自旋输运。
8.为了解决上述的技术问题，本发明提供了基于光自旋注入的自旋场效应晶体管，晶体管的沟道材料使用由二维过渡金属硫族化合物与低自旋轨道耦合的半导体材料构成的ii型半导体异质结；
9.晶体管的源极采用非磁性金属形成欧姆接触，漏极采用铁磁金属/超薄介质材料构成磁性隧穿电极，而栅极采用包含非磁金属/栅绝缘层的金属-氧化物-半导体结构。
10.在一较佳实施例中：所述的二维过渡金属硫族化合物包括：mos2、res2、res、wse2、mote2、wte2、vse2、ws2。
11.在一较佳实施例中：所述低自旋轨道耦合的半导体材料包括：gan、gaas、inp、si、sic。
12.本发明还提供了二维过渡金属硫族化合物与iii族氮化物异质结的制备方法，包括如下步骤：
13.1)通过rca清洗工艺对衬底的表面进行清洗操作；
14.2)采用化学气相沉积方法，在衬底上外延生长不同组分、不同掺杂浓度的n型iii族氮化物薄膜，薄膜厚度为0.1-100nm；
15.3)去除n型iii族氮化物薄膜表层的氧化层；
16.4)采用cvd技术在n型iii族氮化物薄膜表层原位生长单层的二维过渡金属硫族化合物，形成异质结结构。
17.本发明还提供了二维过渡金属硫族化合物与iii族氮化物异质结的制备方法，包括如下步骤：
18.1)通过rca清洗工艺对衬底的表面进行清洗操作；
19.2)采用化学气相沉积方法，在衬底上外延生长不同组分、不同掺杂浓度的n型iii族氮化物薄膜，薄膜厚度为0.1-100nm；
20.3)采用cvd技术在蓝宝石、硅片等衬底上生长出高质量大面积的单层二维过渡金属硫族化合物；
21.4)然后通过湿法转移或干法转移将单层的二维过渡金属硫族化合物材料转移至iii族氮化物薄膜表面，形成异质结结构。
22.本发明还提供了基于光自旋注入的自旋场效应晶体管的制备方法，使用如上所述的二维过渡金属硫族化合物与iii族氮化物异质结，具体包括如下步骤：
23.1)通过电子束曝光技术，在异质结表面旋涂光刻胶并曝光，加工出预先设计好的电极图案；
24.2)然后通过使用磁控溅射、热蒸镀、离子溅射等技术生长金属电极；
25.3)接着再使用电子束曝光技术进行二次套刻，在自旋注入及自旋检测电极之间的半导体沟道上方加工自旋隧穿电极的图形；
26.4)依次生长铁磁层和隧穿层构成自旋注入电极；
27.5)再使用电子束曝光技术进行第三次套刻，在自旋注入及自旋检测电极之间的半导体沟道上方加工栅电极的图形；
28.6)依次生长包含金属/绝缘层。
29.在一较佳实施例中：所述自旋隧穿电极结构是包含盖层材料/磁性金属/介质材料的多层结构。
30.在一较佳实施例中：所述盖层材料为ta或ru或pt或ag或au，厚度约2-5nm；所述磁性金属为co或fe或ni或co/fe/ni的合金或cofeb或mnbi，厚度约2-40nm；所述介质材料为mgo或tio2或al2o3或ta2o5中的，厚度约0.8-2nm。
31.本发明还提供了基于光自旋注入的自旋场效应晶体管的制备方法，使用如上所述的二维过渡金属硫族化合物与iii族氮化物异质结，具体包括如下步骤：
32.1)利用电子束曝光技术，在异质结表面旋涂光刻胶并曝光，加工出预先设计好的源电极图案；
33.2)在源极生长50-200nm厚的金属电极；
34.3)利用电子束曝光技术进行二次套刻，加工出漏电极的图形；
35.4)在漏极处依次生长隧穿层；
36.5)再通过电子束曝光进行第三次套刻，在注入端电极、检测端电极之间的半导体通道上方加工栅极图形；
37.6)依次生长金属/绝缘层结构作为栅电极。
38.在一较佳实施例中：所述隧穿层为绝缘体或半导体材料。
39.在一较佳实施例中：步骤6中的金属为fe或co或ni或mn或feco或nife或cofeb或nifecumo或ni2mnga或co2feal或co2crsi或nimnsb或co2(fe,mn)si或co2fe(alsi)或co2fe(gega)或包含以上材料的合金，厚度约为1-100nm；步骤6中的绝缘层为mgo或alo
x
或sio2或mgal2o4或aln或tio2，厚度为1-100nm。
40.相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
41.本发明克服了传统自旋电子器件面临的较低的自旋注入效率的难题，以及在传统的谷电子学器件中信息传输距离不够大的方面的挑战，创新性的提出了基于能谷-自旋自由度协同操控的思想。首先通过利用tmdc材料的独特的谷自旋自由度，向半导体内注入高极化率的自旋光电流，然后再利用iii族氮化物半导体的优良的自旋输运性能，实现了自旋信息的高效操控、输运和探测。另外tmdc材料和iii族氮化物的界面耦合也可以增大tmdc的能谷极化，以及二者的异质界面形成的二维电子气也可以更进一步的提高自旋极化电流在iii族氮化物半导体中的输运能力。这一创新性的探索相比于传统的自旋场效应晶体管技术来说，将不再局限于某半导体材料的性能，而是利用了不同材料不同性能的互相组合，有助于突破单一材料的性能瓶颈。
42.本发明基于tmdc/iii族氮化物构建出的互补型自旋场效应晶体管，不仅可以实现互补型自旋晶体管，构筑基础的逻辑门电路，由于其是以光为媒介来传输电信号的器件，所以在光电耦合方面具有非常大的应用潜力，可以对输入、输出电信号有良好的隔离作用，这是传统半导体场效应管所实现不了的。所以，本项目的自旋场效应管的应用范围相较于传统场效应管将会更大。并且本项目器件是通过控制电子自旋来改变器件的开关状态，相较于传统控制电荷的器件的功耗将会大大减小，器件的集成度也会大大提高。
43.除此之外本发明还可以应用于圆偏振光的电探测。相比于目前的需要依赖于1/4玻片和偏振片的圆偏振光探测方案，自旋场效应晶体管只需要本身一个器件就可以探测出偏振光的旋性和强度，而不需要其他复杂的光学设备，所以具有更加优良的便携性，并且可以测量光响应特性、光响应度、圆二向色比等更多的性能参数。
附图说明
44.图1为自旋场效应晶体管示意图；
45.图2为gan/mos2异质结能带结构示意图以及光激发的谷极化电流跃迁形成二维电子气示意图；
46.图3a和图3b为tmdc/iii族氮化物异质结的制备流程图；
47.图4a、4b、4c、4d、4e、4f为非局域结构的tmdc/iii族氮化物自旋场效应晶体管制备流程图；
48.图5为非局域结构的tmdc/iii族氮化物光注入自旋场效应晶体管工作原理图；
49.图6a、6b、6c、6d、6e、6f为局域结构的tmdc/iii族氮化物光注入自旋晶体管制备流程图；
50.图7a、7b、7c、7d、7e、7f为互补型自旋场效应晶体管以及可组成的基础逻辑门电路图和对应的真值表。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
53.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
54.过渡金属硫化物(tmdc)是一类层状材料，基本化学式可写作mx2，其中m代表过渡金属元素，包含ti、v、ta、mo、w、re等，x表示硫属元素原子s、se、te等。tmdc材料具有较高的谷自旋极化以及优良的光电特性，可以通过圆偏振光激发，产生较高极化率的自旋极化电流，但是这些tmdc材料中的soc过大，大大降低了自旋极化电流的输运性能；gan、gaas、inp等iii族氮化物半导体由于本身较小的soc，因而具有较大自旋输运距离较长，但由于其跃迁选择定则导致了光注入自旋电流的极化率很低；所以本发明创新性的通过tmdc/iii族氮化物异质结结构，将两者的特性强强联合，取长补短。一方面，iii族氮化物的界面耦合可以进一步增强tmdc的能谷极化率、提升tmdc的光电流自旋极化率。另一方面，由于iii族氮化物半导体和tmdc界面会形成ii型能带结构(图2)，这样就会导致在偏振光激发的情况下tmdc材料导带中的谷极化电子迅速迁移至gan中，并通过高迁移率的二维电子气(2deg)输运，这样会进一步优化半导体沟道的自旋输运性能。
55.本实施例的目的就是通过tmdc/iii族氮化物异质结作为光自旋注入的载体，来克服单一材料的性能局限性，二者取长补短，使其异质结构兼具优异的自旋极化特性和自旋输运特性，设计制备出高效注入以及有效操控的光注入自旋场效应晶体管，进而发展出新型的多功能量子器件，为后摩尔时代信息技术的飞速发展提供新型微电子器件的基础以及新的解决方案。
56.为此，本实施例将光泵浦自旋能谷电流与栅电场控制自旋输运相结合，设计制备了基于光自旋注入的自旋场效应晶体管。晶体管的沟道材料使用由二维过渡金属硫族化合物(即tmdc，包括mos2、res2、res、wse2、mote2、wte2、vse2、ws2等)与低自旋轨道耦合(soc)的半导体材料(如gan、gaas、inp、si、sic等)构成的ii型半导体异质结。晶体管的源极采用非磁性金属形成欧姆接触，漏极采用铁磁金属/超薄介质材料构成磁性隧穿电极，而栅极采用包含非磁金属/栅绝缘层的金属-氧化物-半导体(mos)结构。通过圆偏振光照射半导体沟道，在tmdc导带中产生高自旋极化率的电子，并通过异质结界面迁移到低soc半导体层中。在自旋输运过程中，自旋极化方向受到栅极电压的调制，并通过漏极检测自旋方向，使器件呈现不同的电阻状态。
57.本实施例还提供了基于tmdc/iii族氮化物异质结的光注入自旋场效应晶体管制备方法，包括以下步骤：
58.1)通过rca清洗工艺对衬底的表面进行清洗操作，依次用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗十分钟；
59.2)采用化学气相沉积(mocvd)方法，在衬底上外延生长不同组分、不同掺杂浓度的n型iii族氮化物薄膜(如gan、aln、gaas、inp等)约为0.1-100nm，如图3a；
60.3)通过对上一步生长过的氮化物表面使用h离子体预处理、粒子束轰击、高能射线辐照等技术，去除氮化物薄膜表层的氧化层，改变其表面势，用来增大tmdc材料生长时的成核密度；随后采用cvd技术原位生长单层的二维tmdc(如mos2、res2、res、wse2、mote2、wte2、vse2、ws2等)，并且在tmdc生长时，通过调节气压、生长温度、时间等参数，外延生长出高质量的二维tmdc单晶材料形成异质结结构，如图3b；
61.步骤3还可以采用如下的方法进行替换：采用cvd技术在蓝宝石、硅片等衬底上生长出高质量大面积的单层二维tmdc，然后通过湿法转移/干法转移等技术将单层的tmdc材料转移至iii族氮化物薄膜表面，形成图示的异质结结构，如图3b；
62.非局域结构的tmdc/iii族氮化物自旋场效应晶体管的制备方法，包括如下的技术方案：
63.1)通过电子束曝光技术，在上述的异质结结构上旋涂合适的光刻胶厚度以及选择合适的曝光剂量，加工出预先设计好的电极图案，如图4a；
64.2)然后通过使用磁控溅射、热蒸镀、离子溅射等技术生长高质量的au、ag、ru、ti等金属电极，如图4b；
65.3)接着再使用电子束曝光技术进行二次套刻，在自旋注入及自旋检测电极之间的半导体沟道上方加工自旋隧穿电极的图形，如图4c；
66.4)再通过磁控溅射、电子束蒸发、分子束外延等技术依次生长铁磁层和隧穿层构成自旋注入电极，如图4d；
67.自旋隧穿电极结构通常是包含盖层材料(如ta、ru、pt、ag、au等，厚度约2-5nm)/磁性金属(如co、fe、ni及其合金，cofeb、mnbi等，厚度约2-40nm)/介质材料(如mgo、tio2、al2o3、ta2o5等，厚度约0.8-2nm)的多层结构。
68.5)接着再使用电子束曝光技术进行第三次套刻，在自旋注入及自旋检测电极之间的半导体沟道上方加工栅电极的图形，如图4e；
69.6)最后通过磁控溅射、电子束蒸发、离子束溅射、分子束外延等技术依次生长包含金属(如au、ag、ru、ti、al，厚度约2-100nm)/绝缘层(如tio2、al2o3、ta2o5等，厚度约10-50nm)结构的栅电极，如图4f。
70.上述的非局域结构的tmdc/iii族氮化物自旋场效应晶体管，由于tmdc的光跃迁选择定责，当圆偏振光照射二维半导体时，光子的角动量会传递给电子，半导体中会产生自旋积累，进而扩散形成自旋光电流，如图5所示，当右(左)旋圆偏振光照射到fm1和fm2之间的半导体沟道时，就会在半导体沟道中产生自旋积累，通过在fm1和fm2之间施加电压，就会使自旋电子发生输运，并且fm2和fm3沟道极小，输运到fm2的自旋电子会发生自旋扩散至f3下方，从而在fm3和fm4之间产生电势差。通过施加栅极电压，可以操控半导体通道中自旋电子的进动程度，从而改变fm3和fm4之间的电势差。
71.本实施例还提供了基于tmdc/iii族氮化物异质结的两端局域结构的光注入自旋场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
72.1)首先利用电子束曝光技术，在上述的异质结结构上旋涂合适的光刻胶厚度以及选择合适的曝光剂量，加工出预先设计好的源电极图案，如图6a；
73.2)然后通过强磁辅助mbe技术、脉冲激光沉积、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、金属-有机物化学气相外延、热蒸发、电子束蒸发等薄膜生长技术在源极生长50-200nm厚的金属电极(au、ag、ru、ti等)，如图6b；
74.3)再利用电子束曝光技术进行二次套刻，加工出漏电极的图形，如图6c；随后使用mbe技术、脉冲激光沉积、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、金属-有机物化学气相外延、热蒸发、电子束蒸发等薄膜生长技术在漏极处依次生长隧穿层(一般为较薄的绝缘体或半导体材料，如mgo、alo
x
、sio2、mgal2o4、aln、tio2、或二维材料，厚度一般为0.1
–
5nm。)和铁磁层(比如fe、co、ni、mn、feco、nife、cofeb、nifecumo、ni2mnga、co2feal、co2crsi、nimnsb、co2(fe,mn)si、co2fe(alsi)、co2fe(gega)等材料，厚度约为0.1
–
50nm)，如图6d；
75.4)然后再通过电子束曝光进行第三次套刻，在注入端电极、检测端电极之间的半
导体通道上方加工栅极图形如图6e；
76.5)最后通过磁辅助mbe技术、脉冲激光沉积、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、金属-有机物化学气相外延、热蒸发、电子束蒸发等薄膜生长技术依次生长金属(fe、co、ni、mn、feco、nife、cofeb、nifecumo、ni2mnga、co2feal、co2crsi、nimnsb、co2(fe,mn)si、co2fe(alsi)、co2fe(gega)、包含以上材料的合金，厚度约为1
–
100nm)/绝缘层(mgo、alo
x
、sio2、mgal2o4、aln、tio2等，厚度一般为1
–
100nm)结构作为栅电极，如图6e。
77.6)最终我们可以通过改变漏极的磁化方向，实现互补型自旋场效应晶体管，如图6f。
78.上述的两端局域结构的光注入自旋场效应晶体管，通过改变漏极的磁化方向，即产生正极化效果以及负极化效果如图7a和7b，可以实现互补型晶体管器件，可以用来设计构建各种逻辑门电路，如图7c、7b、7d；并且施加的偏振光的旋性和强度也可以直接反应为器件输出电压的正负和大小。
79.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

技术特征：
1.自旋场效应晶体管，其特征在于：晶体管的沟道材料使用由二维过渡金属硫族化合物与低自旋轨道耦合的半导体材料构成的ii型半导体异质结；晶体管的源极采用非磁性金属形成欧姆接触，漏极采用铁磁金属/超薄介质材料构成磁性隧穿电极，而栅极采用包含非磁金属/栅绝缘层的金属-氧化物-半导体结构。2.根据权利要求1所述的自旋场效应晶体管，其特征在于：所述的二维过渡金属硫族化合物包括：mos2、mose2、mosse、res2、rese2、ws2、wse2、wsse、mote2、wte2、vse2。3.根据权利要求1所述的自旋场效应晶体管，其特征在于：所述低自旋轨道耦合的半导体材料包括：gan、gaas、inp、si、sic。4.权利要求1所述的异质结的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)通过rca清洗工艺对衬底的表面进行清洗操作；2)采用化学气相沉积方法，在衬底上外延生长不同组分、不同掺杂浓度的n型iii族氮化物薄膜，薄膜厚度为0.1-100nm；3)去除n型iii族氮化物薄膜表层的氧化层；4)采用cvd技术在n型iii族氮化物薄膜表层原位生长单层的二维过渡金属硫族化合物，形成异质结结构。5.权利要求1所述的异质结的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)通过rca清洗工艺对衬底的表面进行清洗操作；2)采用化学气相沉积方法，在衬底上外延生长不同组分、不同掺杂浓度的n型iii族氮化物薄膜，薄膜厚度为0.1-100nm；3)采用cvd技术在蓝宝石、硅片等衬底上生长出高质量大面积的单层二维过渡金属硫族化合物；4)然后通过湿法转移或干法转移将单层的二维过渡金属硫族化合物材料转移至iii族氮化物薄膜表面，形成异质结结构。6.自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于使用权利要求4或5制备的二维过渡金属硫族化合物与iii族氮化物异质结，具体包括如下步骤：1)通过光刻或电子束曝光技术，在异质结表面旋涂光刻胶并曝光，加工出预先设计好的电极图案；2)然后通过使用磁控溅射、热蒸镀、离子溅射等技术生长金属电极；3)接着再使用光刻或电子束曝光技术进行二次套刻，在自旋注入及自旋检测电极之间的半导体沟道上方加工自旋隧穿电极的图形；4)依次生长隧穿层和铁磁层构成自旋注入电极；5)再使用光刻或电子束曝光技术进行第三次套刻，在自旋注入及自旋检测电极之间的半导体沟道上方加工栅电极的图形；6)依次生长包含绝缘层/金属的栅电极。7.根据权利要求6所述的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述自旋隧穿电极结构是包含盖层材料/磁性金属/介质材料的多层结构。8.根据权利要求7所述的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述盖层材料为ta或ru或pt或ag或au，厚度约2-50nm；所述磁性金属为fe或co或ni或mn或feco或nife或cofeb或nifecumo或co2mnsi或ni2mnga或co2feal或co2crsi或nimnsb或co2(fe,mn)si或
co2fe(alsi)或co2fe(gega)或包含以上材料的合金，厚度约2-40nm；所述介质材料为mgo或tio2或al2o3或ta2o5或mgal2o4，厚度约0.8-2nm。9.自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于使用权利要求4或5制备的二维过渡金属硫族化合物与iii族氮化物异质结，具体包括如下步骤：1)利用光刻或电子束曝光技术，在异质结表面旋涂光刻胶并曝光，加工出预先设计好的源电极图案；2)在源极生长50-200nm厚的金属电极；3)利用电子束曝光技术进行二次套刻，加工出漏电极的图形；4)在漏极处依次生长隧穿层；5)再通过电子束曝光进行第三次套刻，在注入端电极、检测端电极之间的半导体通道上方加工栅极图形；6)依次生长金属/绝缘层结构作为栅电极。10.根据权利要求9所述的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述隧穿层为绝缘体或半导体材料。11.根据权利要求9所述的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤6中的金属为fe或co或ni或mn或feco或nife或cofeb或nifecumo或co2mnsi或ni2mnga或co2feal或co2crsi或nimnsb或co2(fe,mn)si或co2fe(alsi)或co2fe(gega)或包含以上材料的合金，厚度约为1-100nm；步骤6中的绝缘层为mgo或alo
x
或sio2或mgal2o4或aln或tio2，厚度为1-100nm。

技术总结
本发明提供了自旋场效应晶体管及其制备方法，晶体管的沟道材料使用由二维过渡金属硫族化合物与低自旋轨道耦合(SOC)的半导体材料构成的II型半导体异质结。晶体管的源极采用非磁性金属形成欧姆接触，漏极采用铁磁金属/超薄介质材料构成磁性隧穿电极，而栅极采用包含非磁金属/栅绝缘层的金属-氧化物-半导体结构。通过圆偏振光照射半导体沟道，在TMDC导带中产生高自旋极化率的电子，并通过异质结界面迁移到低SOC半导体层中。在自旋输运过程中，自旋极化方向受到栅极电压的调制，并通过漏极检测自旋方向，使器件呈现不同的电阻状态。本发明还提供了上述异质结的制备方法。明还提供了上述异质结的制备方法。明还提供了上述异质结的制备方法。


技术研发人员：李煦 吴启鹏 吴雅苹 吴志明 康俊勇
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/8/9