本發(fā)明屬于微納電子和自旋電子學材料的半導體器件制備技術領域，特別涉及一種室溫p型磁性半導體p-n-p雙重結器件和電控磁器件。

背景技術：

微納電子技術以及磁傳感器和磁存儲技術是信息產(chǎn)業(yè)的兩大核心技術，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和高技術發(fā)展的基礎。然而分別對磁性金屬材料的自旋調(diào)控和對半導體材料的電荷調(diào)控已無法滿足信息技術發(fā)展的需求，而兼具磁性和半導體特性的磁性半導體材料，可以滿足人們對電荷和自旋同時調(diào)控的期望；基于磁性半導體可用于開發(fā)更先進的自旋電子器件,延伸計算機芯片摩爾定律的有效性，并為開發(fā)新一代計算機提供材料支撐。相比硅基半導體材料，基于自旋操控的磁性半導體材料所需能耗更低，可以獲得更高的集成度及更快的運算速度。同時，對于載流子調(diào)制磁性的磁性半導體而言，它們的電學性能和磁學性能相互關聯(lián)，因此可能利用電壓調(diào)控載流子濃度，繼而實現(xiàn)對該磁性半導體磁學性能的有效調(diào)控。目前磁性半導體的研究對象主要為稀磁半導體，但是迄今報道的典型稀磁半導體的最高居里溫度僅有190K，仍遠低于室溫。因此，基于這些稀磁半導體材料的各種器件原型僅限于低溫實現(xiàn)器件功能?；谙〈虐雽w(In,Mn)As和(Ga,Mn)As,Ohno等人分別在1999年和2000年實現(xiàn)了低溫幾十K的自旋發(fā)光二極管和電控磁器件(Nature 420(1999)790；Nature 408(2000)944)。2011年，Yamada等人在鈷摻雜二氧化鈦稀磁半導體中，調(diào)控電壓在3伏以上后，磁性從順磁轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性。盡管在TiCoO中實現(xiàn)了室溫下的電控磁器件，但是整體的鐵磁性信號比較微弱和雜亂(Science 332(2011)1065)。本發(fā)明基于我們自主研發(fā)的一種室溫p型磁性半導體(一種室溫透明鐵磁半導體材料及其制備方法，專利號：ZL 2013 1 0432802.5)，與半導體工業(yè)的主流材料n型單晶硅進行集成制備 了p-n異質(zhì)結，具有良好的二極管整流效果。同時，在門電壓絕對值不高于2V的條件下，對不同厚度的磁性半導體薄膜實現(xiàn)了磁學性能的電調(diào)控。所制備電控磁器件中磁性半導體薄膜厚度為25nm，當門電壓從+1.2V降至-1.2V時，飽和磁化強度的變化量可達170％。相比其他稀磁半導體基的電控磁器件，我們的器件具有室溫可操控性、低電壓下磁性可調(diào)幅度大等優(yōu)勢，具有更好的實用前景。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種室溫p型磁性半導體p-n-p雙重結器件和電控磁器件，其特征在于，包括室溫p型磁性半導體p-n-p雙重結器件和電控磁器件的結構及其制備方法；所述室溫p型磁性半導體p-n-p雙重結器件是一種基于p型磁性半導體和n型Si的p-n-p雙重結器件，所使用室溫p型磁性半導體的成分為CoFeTaBO，即簡寫為CFTBO；在n型Si上、下表面沉積p型磁性半導體薄膜，然后分別在n型Si和兩層薄膜表面鍍金或銦膜電極，形成了Au/p-CFTBO/n-Si/p-CFTBO/Au結構的p-n-p雙重結器件；該p-n-p雙重結器件具有明顯整流效應，與目前以Si為基礎的半導體更易于實現(xiàn)兼容。

所述電控磁器件是在單晶硅表面依次鍍上一層Cr膜和Au膜作為底電極，在Au膜表面依次沉積一層p型磁性半導體薄膜和氧化物絕緣層薄膜，在氧化物絕緣層薄膜上方滴或不滴上一層離子液體，并蓋上Al箔作為頂電極；在Al箔和Au膜之間施加門電壓進行磁學性能的調(diào)控。

所述室溫p型磁性半導體p-n-p雙重結器件和電控磁器件的制備方法，其特征在于，具體包括：

(1)基于室溫p型磁性半導體的p-n-p雙重結器件的制備：

1)將重摻雜的雙拋n型(100)硅片用氫氟酸清洗，去除表面氧化層，然后用丙酮、酒精和去離子水進一步清洗；

2)利用磁控濺射，控制氧分壓，在清洗后的雙拋n型硅片的一面鍍上一層室溫p型磁性半導體薄膜，室溫p型磁性半導體的成分為CoFeTaBO即簡寫為CFTBO；

3)利用磁控濺射，控制氧分壓，在雙拋的n型硅的另一面鍍上一層室溫p型磁性半導體薄膜；

4)將99％純度的高純軟金屬沉積或壓制電極于p型磁性半導體薄膜和硅片的特定部位，連接銅引線，得到了基于室溫p型磁性半導體的p-n-p結構及其p-n-p雙重結器件；所述高純軟金屬為In和Au

(2)基于室溫p型磁性半導體的電控磁器件的制備，具體包括以下步驟：

1)在單晶硅表面依次鍍上一層Cr膜和Au膜，作為底電極；

2)利用磁控濺射，在Au膜表面依次沉積一層室溫p型磁性半導體薄膜和氧化物絕緣層薄膜，同時添加掩模版保留一部分Au膜不被濺射，用以后期連接銅引線；

3)在氧化物絕緣層薄膜上方滴或不滴一層離子液體，并蓋上Al箔，使得鋁箔與離子液體良好接觸，作為頂電極；

4)在Al箔和Au膜之間加上正負、大小不同的電壓，保持30分鐘后撤去電壓，依次用丙酮、酒精清洗Au膜表面；室溫干燥得到基于室溫p型磁性半導體的電控磁器件。

所述離子液體為N,N-二甲基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)季銨磺酸亞胺鹽(簡寫為DEME-TFSI)

所述步驟4)得到的基于室溫p型磁性半導體的電控磁器件，在室溫下對該器件采用離子液體外加門電壓的方式進行磁學性能的調(diào)控，在門電壓絕對值不高于2V的條件下，對制備的不同厚度的p型磁性半導體的磁學性能進行有效的電調(diào)控；具體是在25納米厚度的Au膜上外加門電壓為1.2V，飽和磁化強度相對原始樣品變化了54％。

所述氫氟酸和去離子水的體積比為1:10。

本發(fā)明的有益效果為：

1.實現(xiàn)了基于室溫下p型磁性半導體的p-n-p雙重結器件的制備，該p-n-p雙重結器件表現(xiàn)出良好的整流效果，導通臨界電壓為1.6V。

2.所得到的電控磁器件在溫度300K，所加門電壓絕對值不高于2伏條件下，可以對不同厚度p型磁性半導體的磁性進行顯著調(diào)控:可利用電壓的正負調(diào)控載流子空穴濃度的大小，基于載流子濃度和磁性之間的本征關聯(lián)，進而調(diào)控磁性的強弱；利用電壓的大小調(diào)控磁性增強或減弱的幅度。

3.所得到的電控磁器件在溫度300K，p型磁性半導體厚度為50nm，外加門電壓為-2伏或+1.2V時，薄膜飽和磁化強度相對原始樣品分別增強或降低5％，通過反向加+2V或-1.2V且保持較長時間，可使其飽和磁化強度回復到未加電壓調(diào)控的原始樣品的飽和磁化強度值。

4.所得到的電控磁器件在溫度300K，p型磁性半導體厚度為25nm，外加門電壓為-1.2V和+1.2V時，薄膜飽和磁化強度相對原始樣品分別增強24.4％和降低54％，即從+1.2V到-1.2V，薄膜飽和磁化強度增強了170％。

5.所得到的p-n結和電控磁器件結構簡單、原材料價格適中，且環(huán)境友好，制備工藝簡單，且能和傳統(tǒng)半導體Si加工工藝兼容，在微納電子和自旋電子學領域有潛在應用。

附圖說明

圖1為基于p型磁性半導體p-n-p雙重結器件結構示意圖；

圖2為圖1中的各引線的電流-電壓特性曲線(p-n-p雙重結對應A-C連線，p-n結對應A-B連線)；

圖3為p型磁性半導體的電控磁器件結構示意圖；

圖4為實施例2中不同電壓調(diào)控下，厚度為25nm的p型磁性半導體薄膜磁化強度對外磁場的響應特性。

圖5為實施例3中不同電壓調(diào)控下，厚度為50nm的p型磁性半導體薄膜磁化強度對外磁場的響應特性。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種室溫p型磁性半導體的p-n-p雙重結器件和電控磁器件；下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的p型磁性半導體的p-n結、p-n-p雙重結器件和電控磁器件及其制備方法予以進一步說明。

圖1為基于室溫p型磁性半導體的n型硅的p-n-p雙重結器件結構示意圖；圖中所示室溫p-n-p雙重結器件是一種基于室溫p型磁性半導體和n型Si的p-n-p雙重結器件；使用室溫p型磁性半導體的成分為CoFeTaBO即簡寫為CFTBO；在n型Si表面鍍有p型磁性半導體薄膜，然后分別在n-Si和p型磁性半導體薄膜表面鍍金膜電極，形成了Au/p-CFTBO/n-Si/Au結構的p-n-p雙重結器件；該器件具有明顯整流效應，與目前以Si為基礎的半導體更易于實現(xiàn)兼容。

圖3為基于p型磁性半導體的電控磁器件結構示意圖；圖中所示電控磁器件是在單晶硅表面依次鍍上一層Cr膜和Au膜作為底電極，在Au膜表面依次沉積一層p型磁性半導體薄膜和HfO₂薄膜，在HfO₂薄膜上方滴上一層離子液體，并蓋上Al箔作為頂電極；在Al箔和Au膜之間施加門電壓進行磁學性能的調(diào)控。

下面結合實施例對本發(fā)明予以進一步說明。

實施例1

如圖1所示，室溫下p型磁性半導體和n型硅的p-n結和p-n-p雙重結器件，將電阻率為0.001-0.004Ω·cm的雙拋n型(100)硅片用氫氟酸清洗，去除兩個的表面氧化層，其中氫氟酸和去離子水的體積比為1:10，然后用丙酮、酒精、去離子水進一步超聲清洗。

將清洗好的硅片放入鍍膜腔室，鍍膜時基片臺溫度300K，腔室真空約為3.0*10^-5Pa，隨后通入高純氬和高純氧氣，濺射氣壓為0.7Pa，氧分壓為0.048Pa。分別在n型Si上下表面鍍約360nm的p型磁性半導體薄膜。

取出鍍膜樣品，將高純金屬In(>99.9％)壓制電極于薄膜和硅片的特定部位，連接銅線。至此，得到了基于該p型磁性半導體的p-n結和p-n-p雙重結器件的 結構。圖1為本實施例得到的室溫下p型非晶磁性半導體-n型硅p-n結和p-n-p雙重結器件的示意圖，本例中雙拋n型硅為重度磷摻雜，厚度為300微米。

所制備的p型磁性半導體薄膜的結構表征采用了透射電鏡TEM(JEOL-ARM200)觀察；薄膜厚度由NDT公司生產(chǎn)的原子力顯微鏡AFM測量，I-V特性曲用兩端法由Keithley 2450電流電壓表測量。

圖2為本實施例的各引線的電流-電壓依賴曲線(p-n異質(zhì)結對應A-B連線，p-n-p結構對應A-C連線)。從圖2可以看出，A-B連線時，當電壓從-2V增加至+1.6V時，電流隨電壓基本線性增加，但是維持在很小的數(shù)值，表明此時結的電阻大，處于截止狀態(tài)，基本不能導通；當電壓超過+1.6V的截止電壓之后，電流急劇上升，電阻急劇減小，p-n結處于導通狀態(tài)。如果選用A-C連線，此時為p-n-p結構，電壓從-4V增加到+4V時，電阻一直都處于較大的數(shù)值，不能導通。

實施例2

離子液體電控磁器件，在本征單晶硅的表面依次鍍上20nm厚Cr膜和200納米厚Au膜，作為底電極。將清洗好的硅片立刻放入鍍膜腔室，鍍膜時基片臺溫度為300K，腔室真空約為3.0*10^-5Pa，隨后通入高純氬和高純氧氣，濺射氣壓為0.7Pa，氧分壓為0.048Pa，沉積約25nm的p型磁性半導體薄膜。冷卻一段時間后，保持濺射氣壓為0.7Pa，在p型膜上沉積約2nm的氧化物絕緣層薄膜(HfO₂薄膜或SiO₂薄膜)。取出薄膜后，在氧化物絕緣層薄膜上方滴上一定大小的離子液體，蓋上鋁箔，使得鋁箔與離子液體良好接觸，作為頂電極。在鋁箔和金膜之間加上正負、大小不同的電壓，保持30分鐘。后撤去電壓，依次用丙酮、酒精清洗薄膜表面。

離子液體種類為N,N-二甲基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)季銨磺酸亞胺鹽(DEME-TFSI)；所制備器件的電壓由Agilent 2901A電壓表施加；磁化強度隨磁場強度的依賴特性曲線由Quantum Design公司的MPMS SQUID VSM測量。

圖3為本實施例中的離子液體器件示意圖，圖4為實施例2中25nm磁性半 導體薄膜在不同電壓調(diào)控時，磁化強度隨磁場強度的變化特性曲線。從圖4中可以看出，飽和磁化強度為幾十emu/cm³，同時在電壓調(diào)控的過程中，出現(xiàn)了矯頑力，由于該磁學測試是在室溫下進行的，因此，該磁性半導體顯示為室溫下的鐵磁性。當所加電壓為+1.2V時，HfO₂薄膜上方附近的離子液體集聚正離子，在p型磁性半導體薄膜內(nèi)部產(chǎn)生電場。由于該p型磁性半導體薄膜多數(shù)載流子為空穴，在電場作用下往下運動，而負極Au膜內(nèi)電子則在電場作用下上移，會綜合部分空穴載流子。由于該p型磁性半導體為載流子濃度調(diào)制磁性，隨載流子濃度空穴數(shù)減少，薄膜飽和磁化強度降低。同理，當所加電壓為-1.2V時，磁性半導體中空穴數(shù)增加，因而磁性增強。如圖4所示，門電壓為+1.2V時，25nm厚p型磁性半導體薄膜的室溫飽和磁化強度相對原始薄膜樣品減小了54％。

實施例3

離子液體電控磁器件，在本征單晶硅的表面依次鍍上20nm厚Cr膜和200納米厚Au膜，作為底電極。將清洗好的硅片立刻放入鍍膜腔室，鍍膜時基片臺溫度為300K，腔室真空約為3.0*10^-5Pa，隨后通入高純氬和高純氧氣，濺射氣壓為0.7Pa，氧分壓為0.048Pa，沉積約50nm的p型磁性半導體薄膜。冷卻一段時間后，保持濺射氣壓為0.7Pa，在p型膜上沉積約2nm的HfO₂薄膜。取出薄膜后，在HfO₂薄膜上方滴上一定大小的離子液體，蓋上鋁箔，使得鋁箔與離子液體良好接觸，作為頂電極。在鋁箔和金膜之間加上正負、大小不同的電壓，保持30分鐘。后撤去電壓，依次用丙酮、酒精清洗薄膜表面。

離子液體種類為N,N-二甲基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)季銨磺酸亞胺鹽(DEME-TFSI)；所制備器件的電壓由Agilent 2901A電壓表施加；磁化強度隨磁場強度的依賴特性曲線由Quantum Design公司的MPMS SQUID VSM測量。

圖3為本實施例中的離子液體器件示意圖，圖5為實施例3中50nm磁性半導體薄膜在不同電壓調(diào)控時，磁化強度隨磁場強度的變化特性曲線。實施例3 中50nm磁性半導體薄膜首先在-2V電壓下加30分鐘，進行一次磁學測量；然后對該薄膜外加+2V門電壓30分鐘，進行一次磁學測量；接著對該薄膜，外加+2.5V門電壓120分鐘，再進行一次磁學測量。從圖5中可以看出，飽和磁化強度為300emu/cm³。如實施例2所述，負電壓的施加使得磁性增強，正電壓的施加使得磁性減弱。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。