一种基于石墨烯纳米带的自旋阀及其制备方法

摘要

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米带的自旋阀及其制备方法。本发明采用石墨烯作为沟道材料，采用氢等离子体刻蚀，控制石墨烯宽度方向减小形成石墨烯纳米带，并氢化边缘碳原子；采用氧等离子体刻蚀，控制石墨烯宽度方向减小形成石墨烯纳米带，并氧化边缘碳原子，从而得到石墨烯纳米带的功能器件。理论计算表明制备的器件具有自旋阀的效果，可以应用于自旋存储器中。

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米带的自旋阀及其制备方法。 

背景技术

现在的微电子器件由于尺寸不断的缩小，最终将由于量子效应的限制而影响进一步的发展。人们不断的探索包括新材料在内的各种可能的解决方案。传统的微电子器件仅仅利用载流子的电荷属性，而作为新兴研究方向的自旋电子学同时利用了电子的自旋属性，将信息的传输和存储结合起来，有利于器件的高密度集成，可以进一步降低能耗，提高速度。 

自旋器件的研究者一直以来都在寻找一种能够在室温下调节电学性能并输运自旋电子的材料。石墨烯正是具有这种性质的重要材料，它由单层原子厚度的蜂窝状碳原子组成，在室温下具有很长的自旋扩散长度，神奇的狄拉克能带结构（导致石墨烯纳米带具有磁性边缘态），由于较弱的自旋-轨道和超精细互相作用使得自旋寿命非常长。

本发明通过表面功能化处理，电学控制，制备得到基于石墨烯纳米带的自旋阀，该石墨烯自旋器件可以超越硅基集成电路在数据密集型器件上应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能优良、工艺简单的基于石墨烯纳米带的自旋阀及其制备方法 。

本发明提供的基于石墨烯纳米带的自旋阀，采用功能化边缘碳原子的石墨烯纳米带作为自旋输运沟道。具体来说：

采用石墨烯作为沟道材料；

采用氢等离子体刻蚀，控制石墨烯宽度方向减小形成石墨烯纳米带，并氢化边缘碳原子；

采用氧等离子体刻蚀，控制石墨烯宽度方向减小形成石墨烯纳米带，并氧化边缘碳原子；

本发明还提供了上述基于石墨烯纳米带的自旋阀制备方法，具体步骤为：

（1）清洗高掺杂硅基衬底；清洗可采用RCA标准清洗工艺；

（2）在硅基衬底上生长一层二氧化硅；

（3）在硅基衬底和生长的二氧化硅上转移上石墨烯；

（4）在上述步骤形成的结构上，采用电子束光刻技术形成第一层光刻胶掩膜版；

（5）之后采用氢等离子刻蚀方法，使得未被光刻胶遮挡的地方的石墨烯被刻蚀掉，边缘的碳原子被氢化； 

（6）之后采用电子束光刻技术，形成第二层光刻胶掩膜版；

（7）之后采用氧等离子刻蚀方法，使得未被光刻胶遮挡的地方的石墨烯被刻蚀掉，边缘的碳原子与氧官能团结合；

（8）最后，在氢化的碳原子区域淀积磁性电极。

步骤（5）所述的刻蚀方法是采用氢等离子体刻蚀的方法使得边缘碳原子氢化，并控制宽度。

步骤（7）所述刻蚀方法是采用氧等离子体刻蚀的方法使得边缘碳原子氧化，并控制宽度。

本发明中，载流子输运的沟道区域的石墨烯边缘碳原子被氧化，源漏电极区域的石墨烯边缘碳原子被氢化。

步骤（8）所述淀积磁性电极，包括Ni/Fe，Ni/Co等材料。

基于第一性原理和非平衡格林函数的计算发现，与边缘碳原子结合的氧原子能够显著地影响中心散射区的电子分布。当源漏两边电极的磁场使得与氢原子结合的边缘碳原子磁场方向相同时，对于自旋向下的电子，π-轨道电子能够交叠形成输运通道，其形成的电流明显增大。而对于磁场方向相反时，自旋向下的电子由于能带选择的原因，不能进行有效的输运，所以电流很小。这样，通过不同的电极磁场，能够控制通过石墨烯纳米带的电流大小，形成高阻态和低阻态。

本发明通过使用电子束直写光刻技术做掩膜版，氧等离子体刻蚀，氢等离子体刻蚀控制石墨烯纳米带的长宽以及功能化边缘碳原子，从而得到石墨烯纳米带的功能器件，理论计算表明制备的器件具有自旋阀的效果，可以应用于自旋存储器中。

附图说明

图1是本发明基于石墨烯纳米带的自旋阀。

图2是本发明自旋阀门特性的特征曲线。

图3～图5是图1所示基于石墨烯纳米带的自旋阀制备过程图示。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式作进一步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大和缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸，相同的附图标记表示相同的组件，对其重复描述将省略。

实施图1基于石墨烯纳米带的自旋阀的磁阻检测。

图2的以高掺杂P型硅，300纳米二氧化硅为衬底，石墨烯纳米带为沟道， Ni/Fe作为源漏电极的自旋阀器件的磁阻检测。通过控制外加磁场改变两边的电极上方的磁场方向，一种是两电极上方磁场方向相同，另外一种是两电极磁场方向相反。再加上两电极之间的电压，检测沟道中的电流大小，得到磁阻窗口曲线。可以看到基于石墨烯纳米带器件具有良好的磁阻窗口。

实施图2的的自旋阀器件的制备。

结构包括高掺杂P型硅衬底301，300纳米厚度的二氧化硅介质层302，边缘碳原子氢化的石墨烯纳米带303，边缘碳原子氧化的石墨烯纳米带304，磁性电极305。自旋阀的制备过程如下：

1）以高掺杂P型硅301作为衬底，热氧化生长300纳米厚度左右二氧化硅介质层302；

2）转移上石墨烯片；

3）利用利用电子束光刻定义掩膜版编号一，作为保护沟道和部分电极区域石墨烯片；

4）利用氢等离子体刻蚀，形成氢功能化边缘原子的石墨烯纳米带电极部分303；

5）利用电子束光刻定义掩膜版编号二，作为包括已经形成的电极部分石墨烯纳米带和沟道区域的石墨烯；

6）利用氧等离子体刻蚀，形成氧官能团功能化边缘原子的石墨烯纳米带中心输运区304；

7）采用物理气相淀积形成Ni/Fe磁性电极305。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。