本發(fā)明涉及半導體信息器件，尤其是涉及一種氮化鎵二維電子氣溝道側(cè)壁自旋注入信息器件結(jié)構(gòu)及制備方法。

背景技術：

1、電子具有三個屬性：質(zhì)量、電荷和自旋，它們被成功地利用構(gòu)成了當今信息社會的基石。研究人員利用電子的電荷特性成功研制了大量電子信息處理產(chǎn)品，包括集成電路、高頻和大功率器件等，利用電子的自旋特性研制了一系列的高容量信息存儲器件，例如硬盤、磁帶、磁光盤等，兩者各自獨立發(fā)展且成果顯著。但近年來，隨著電子器件的進一步小型化和亞微米乃至納米科學技術的發(fā)展，由于散熱和工藝尺寸等因素的影響，基于電荷載體的半導體微電子學的研究進展受到很大限制，半導體器件的摩爾定律已逐漸趨近其物理極限，因此發(fā)展新型半導體器件以突破摩爾定律的限制已經(jīng)成為了重要且廣泛的課題。其中，自旋電子器件由于其低功耗、高處理速度等優(yōu)點受到人們的廣泛關注。與傳統(tǒng)電荷器件相比，電子自旋在非易失性、能量損耗、信息處理速度、集成密度、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢哂酗@著優(yōu)勢，并且可進一步自由地并入電荷態(tài)，簡化器件結(jié)構(gòu)的同時增強器件性能。

2、如果三維固體中電子的運動在某一個方向(如z方向)上受到阻擋和限制，而只能在另外兩個方向(x、y方向)上自由運動，那么這種電子就被稱為二維電子氣。二維電子氣一般容易在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中獲得，由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)半導體中原子與其最近四個原子形成的鍵長不同，因此其形成的負電荷中心與正電荷中心不重合，從而產(chǎn)生內(nèi)建電場引發(fā)自發(fā)極化效應。當具有不同晶格常數(shù)的兩種材料生長在一起時會產(chǎn)生晶格失配現(xiàn)象，進而引起壓電極化效應，產(chǎn)生拉伸應力和壓縮應力使電荷中心進一步發(fā)生偏移，對晶體表面電荷的束縛增大，束縛的表面電荷增多，因此產(chǎn)生大量界面極化電荷，為使半導體內(nèi)部保持電荷平衡，因此需要相當濃度的可自由移動電子在異質(zhì)結(jié)界面附近積累以中和界面極化電荷，極化電場與高濃度電子將拉低異質(zhì)結(jié)界面處的導帶，形成電子勢阱。該勢阱在室溫下極為穩(wěn)定，底部位于ef之下，因此二維電子氣具有很高的面密度，通常可以達到1.0×1013cm-2。該勢阱僅在垂直于二維電子氣溝道的方向?qū)﹄娮佑惺`作用，而電子在水平方向受束縛程度可以被忽略(可看作是自由移動)，因此二維電子氣在沿著溝道方向傳導時具備極高的遷移率、電子密度和飽和漂移速度，以二維電子氣制成的信息器件則具有極高的信息傳播速率，可有效降低信息傳播過程中信息丟失的概率，因此二維電子氣與自旋的結(jié)合必將有廣泛市場。

3、半導體自旋電子學將現(xiàn)有半導體技術和磁性材料的優(yōu)勢結(jié)合在一起，主要研究與電子電荷和自旋密切相關的過程，利用系統(tǒng)材料與自旋相關的物理機制，實現(xiàn)非磁性材料的自旋注入、自旋輸運、自旋檢測及自旋控制，探測單個電子自旋、自旋相干性和自旋的弛豫等，同時也可以通過對電子自旋相關狀態(tài)的檢測完成對磁場的檢測，最終制作出新型的自旋電子器件，實現(xiàn)在單個芯片上集成存儲、檢測、邏輯和通信等不同的功能，其中對“自旋極化電流”的認識為解決當前較多工藝中的功耗問題提供了一種高科技解決方案。鑒于近年來在基礎研究和應用研究方面掀起了新一輪的發(fā)展熱潮,半導體自旋電子學有望成為下一代信息技術發(fā)展的重要方向，而基于二維電子氣的自旋信息器件由于其高電子密度、高電子遷移率等優(yōu)點必然受到更多人的青睞。

4、自旋電子學可以基本歸納為三個問題：自旋注入、自旋調(diào)控和自旋檢測，后兩者都是在第一步的基礎上才可實現(xiàn)，因此在自旋電子學的研究中，自旋注入又成為重中之重，它是實現(xiàn)電子自旋器件的最基本條件。半導體自旋注入方法很多，例如采用光注入的方法，利用圓偏振光對樣品進行照射，根據(jù)材料的光選擇定則，重空穴帶和輕空穴帶電子被激發(fā)到自旋取向不同的導帶電子態(tài),自旋向上和自旋向下的電子布居數(shù)之比發(fā)生改變。由于重空穴態(tài)和輕空穴態(tài)的能級分裂，因此合適地選取入射光的偏振態(tài)和波長，可以產(chǎn)生不同極化率的電子和空穴；采用泵浦注入的方法，射頻微波在特定的直流外磁場下產(chǎn)生fm層磁化的鐵磁諧振，與磁化縱向分量的變化相關的磁化進動通過動態(tài)交換相互作用被輸運到fm/nm界面，并在非磁性金屬中產(chǎn)生垂直的純自旋電流；采用熱電子注入的方法，采用具有比ef能量大得多的自旋極化電子，由于多子自旋電子和少子自旋電子具有非常不同的非彈性平均自由程，因此穿過fm層的熱電子可以有效地被極化；采用電注入的方法，電流通過鐵磁材料生成自旋極化電流，進而注入普通半導體材料；除此之外，還有彈道電子自旋注入方法等等，其中電注入方法應用尤為廣泛。

5、但是在使用電注入方法進行自旋注入時，因阻抗不匹配導致注入效率過低的問題嚴重阻礙了自旋電子器件的進一步開發(fā)和利用，無數(shù)科研人員為之進行了夜以繼日的努力，有人提出可以通過在界面處插入隧穿層以增大鐵磁層和半導體材料接觸界面的電阻，從而解決電阻失配問題，之后，在大量材料的實驗中證明了mgo和al2o3等氧化物是一種理想的隧穿層，可以很大程度上解決電阻失配問題，但這種方法需要生長較薄的隧穿阻擋層，這對工藝要求較高，工藝復雜度大大增加，生長薄膜的質(zhì)量嚴重影響了隧穿的結(jié)果和注入的效率。其中，在有關二維電子氣的自旋注入問題中，有的研究人員以勢壘層充當絕緣層，產(chǎn)生二維電子氣的同時增大界面阻抗以提高自旋注入的效率，因此勢壘層的厚度要保證在幾納米的范圍內(nèi)，而較薄的勢壘層產(chǎn)生的二維電子氣的質(zhì)量較差，因此二者產(chǎn)生一定的矛盾，對最終的自旋注入產(chǎn)生影響。

6、因此，本發(fā)明創(chuàng)新性的提出了側(cè)壁自旋注入結(jié)構(gòu)，完成側(cè)壁自旋注入。在這種結(jié)構(gòu)中，可以按最優(yōu)厚度生長勢壘層從而實現(xiàn)高質(zhì)量二維電子氣的制備，且打破傳統(tǒng)使用絕緣層勢壘的電注入方法，利用二維電子氣本身的低電阻率提高與鐵磁材料的阻抗匹配度，二維電子氣溝道與鐵磁材料直接接觸從而完成自旋注入，無需額外極薄絕緣層薄膜，顯著降低其工藝復雜度。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種氮化鎵二維電子氣溝道側(cè)壁自旋注入信息器件結(jié)構(gòu)及制備方法，有別于傳統(tǒng)的自旋垂直注入方案，通過側(cè)壁復合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自旋電子高效注入，解決了傳統(tǒng)鐵磁材料直接與半導體材料接觸自旋注入率為0以及二維電子氣自旋注入結(jié)構(gòu)中二維電子氣的質(zhì)量與注入效率相矛盾的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種氮化鎵二維電子氣溝道側(cè)壁自旋注入信息器件結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)為雙電極自旋信息器件，自下到上結(jié)構(gòu)包括襯底層，所述襯底層的上方與緩沖層連接，所述緩沖層的上方與溝道層連接，所述溝道層的上方與勢壘層連接，所述勢壘層和溝道層的一側(cè)連接有c1電極層，所述勢壘層和溝道層的另一側(cè)側(cè)壁連接有鐵磁層，所述鐵磁層的一側(cè)連接有c2電極層，所述勢壘層的上方連接有鈍化層，所述c1電極層和所述c2電極層的上方均設置有電極窗口。

3、進一步地，所述溝道層為雙重“凸”字型結(jié)構(gòu)，臺面隔離刻蝕后器件有源區(qū)呈現(xiàn)第一重“凸”字型結(jié)構(gòu)，進一步地在c1和c2電極層制備前，在“凸”字型結(jié)構(gòu)上部對二維電子氣溝道進行刻蝕形成第二重“凸”字型，鐵磁層和c2電極層完全覆蓋第二重“凸”字型結(jié)構(gòu)二維電子氣溝道側(cè)壁。

4、還包括：一種氮化鎵二維電子氣溝道側(cè)壁自旋注入信息器件結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)為雙電極自旋信息器件，自下到上結(jié)構(gòu)包括襯底層，襯底層的上方與緩沖層連接，緩沖層的上方與溝道層連接，溝道層的上方與勢壘層連接，勢壘層的兩側(cè)均連接有電磁層，其中一個鐵磁層的一側(cè)與c1電極層連接，另一個鐵磁層的一側(cè)與c2電極層連接，勢壘層的上方連接有鈍化層，c1電極層和c2電極層的上方均設置有電極窗口。

5、進一步地，所述溝道層為雙重“凸”字型結(jié)構(gòu)，臺面隔離刻蝕后器件有源區(qū)呈現(xiàn)第一重“凸”字型結(jié)構(gòu)，進一步地在c1和c2電極層制備前，在“凸”字型結(jié)構(gòu)上部對二維電子氣溝道進行刻蝕形成第二重“凸”字型，鐵磁層和c2電極層完全覆蓋第二重“凸”字型結(jié)構(gòu)二維電子氣溝道側(cè)壁。

6、一種氮化鎵二維電子氣溝道側(cè)壁自旋注入信息器件制備方法，包括以下步驟：

7、s11、襯底準備：準備襯底材料，并進行清洗除去襯底表面的污染物；

8、s12、外延生長：利用金屬有機化合物化學氣相沉積、分子束外延、氫化物氣相外延其中任一種方式外延生長緩沖層和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，緩沖層為ain、gan或者超晶格結(jié)構(gòu)，緩沖層厚度為10nm～500nm，溝道層厚度為0.1μm～5μm，勢壘層厚度為1nm～100nm；

9、s13、刻蝕：外延生長好的樣品經(jīng)過涂膠、光刻、顯影后，利用電感耦合等離子體刻蝕機對異質(zhì)結(jié)進行刻蝕，刻蝕功率10w～300w，通入50sccm～300sccm的cl基氣體刻蝕150s～3000s，刻蝕深度為50nm～1000nm，形成第一重“凸”字型結(jié)構(gòu)的有源區(qū)臺面；接著經(jīng)過涂膠、光刻、顯影后，利用電感耦合等離子體刻蝕機對有源區(qū)異質(zhì)結(jié)進行刻蝕，刻蝕功率10w～300w，通入50sccm～300sccm的cl基氣體刻蝕150s～3000s，刻蝕深度為50nm～500nm，形成第二重“凸”字型結(jié)構(gòu)；

10、s14、歐姆接觸電極生長：通過光刻剝離技術，利用電子束蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法、原子層沉積法或者磁控濺射法沉積金屬，進行退火形成歐姆接觸，在步驟s14中，金屬制備時的功率10w～300w、氣壓0.5pa～5.0pa；

11、s15、鐵磁層生長：通過光刻剝離技術，利用電子束蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法、原子層沉積法或者磁控濺射法在側(cè)壁制備鐵磁材料膜，鐵磁材料薄膜厚度為5nm～100nm；

12、s16、鐵磁層電極生長：通過光刻剝離技術，利用電子束蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法、原子層沉積法或者磁控濺射法沉積金屬；

13、s17、表面鈍化：采用原子層沉積、等離子體增強化學氣相沉積或者磁控濺射法沉積鈍化層；

14、s18、開窗引線：對各電極區(qū)域腐蝕鈍化層開窗口引線。

15、因此，本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)的一種氮化鎵二維電子氣溝道側(cè)壁自旋注入信息器件結(jié)構(gòu)及制備方法，具備以下有益效果：

16、(1)相對于現(xiàn)有使用極薄勢壘層充當絕緣層，犧牲一定二維電子氣質(zhì)量完成自旋注入的方法，本發(fā)明所提方案中勢壘層可按最優(yōu)厚度生長，因此具有更好的二維電子氣質(zhì)量，可直接實現(xiàn)質(zhì)量較好的二維電子氣的自旋注入。

17、(2)二維電子氣的電子遷移率率遠遠大于常規(guī)半導體，且電子密度較高，因此電導率遠遠大于常規(guī)半導體，電阻率遠遠小于常規(guī)半導體，因此相對于傳統(tǒng)的鐵磁金屬和半導體直接接觸，自旋注入效率為0的情況，本發(fā)明所提的側(cè)壁型鐵磁金屬-高質(zhì)量二維電子氣具有更好的阻抗匹配，有利于提高自旋注入效率。

18、(3)本發(fā)明中溝道層為高“凸”型結(jié)構(gòu)，刻蝕深度較大，保證界面處整個側(cè)面所有的二維電子氣與鐵磁材料完全接觸，接觸面積更大，注入效率更高。

19、(4)本發(fā)明所提方案中鐵磁材料創(chuàng)新性地在側(cè)壁生長，完成側(cè)壁自旋注入，通過右側(cè)電極直接橫向注入電子并完成輸運，避免傳統(tǒng)縱向注入的損耗，注入效率更高。