[发明专利]氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于自旋电子学、半导体物理学、铁电物理学和材料物理学相互交叉渗透的领域，特别涉及一种可用外加电场对氧化物稀磁半导体的铁磁性进行非挥发性调制的氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构及其制备方法。

背景技术

基于在电源频繁的开关状态下能够保持其逻辑状态(即非挥发性)的数字电路，将可能开发出新一代电子计算机等电子器件，此类电子计算机的运行虽然看起来跟普通计算机相同，但实际上在大部分时间内，其电源都处于关闭状态，这一特性将彻底改变我们使用数字电路的方式。基于非挥发性数字电路的电子器件将具有稳定性好、信息存储量大、信息处理快以及运行功耗低等特点。实现非挥发性数字电路的关键是需要研发出非挥发性电子晶体管。由于目前的电子晶体管都是基于半导体材料开发的，因此设计和制备非挥发性晶体管的最理想办法是开发出非挥发性的半导体材料，如铁磁性半导体。所以，通过在非磁性半导体母体中掺入少量的磁性离子而使其具有铁磁特性的稀磁半导体自然引起了人们极大的兴趣和受到了广泛的重视，目前科研人员相继在(Ga，Mn)As、(Ga，Mn)N、(Zn，Co)O、(Ti，Co)O₂等稀磁半导体中观察到了铁磁性。然而，从器件应用的角度来说，只有当稀磁半导体铁磁相变的居里温度在室温甚至远高于室温时，自旋电子器件才能在通常情况下稳定工作。因此，要开发出新一代非挥发性晶体管，首先要开发出居里温度在室温甚至远高于室温的稀磁半导体并实现对其铁磁性能的控制。而宽禁带氧化物ZnO、TiO₂、SnO₂等稀磁半导体的铁磁相变的居里温度较高，可以满足自旋电子器件的工作需求。

通过外加磁场控制磁性电路单元的磁性反转是非挥发性铁磁存储器中读写数据和信息的基本过程。但是目前随着器件集成化和微型化的发展和需要，为了提高单元电路的集成度和数据存储能力，需要提高纳米级磁性材料的磁能密度来消除热起伏造成的电路不稳定性，从而使得数据读写所需的磁场太高而难以实现，因此，设法利用其它手段来控制磁性电路单元的磁性反转就变得极为重要，特别是如果能够通过外加电场来实现对磁性电路单元的铁磁性调制，就可以利用外加电场来实现对其数据和信息的读写，这不但可以促进非挥发性数字电路的发展，而且对促进磁电子学和自旋电子学的相关研究也有重要科学意义。然而，要实现电场调制的稀磁半导体在非挥发性数字电路中的应用，必须要实现电场对稀磁半导体中铁磁性的非挥发性有效调制：一方面电场对稀磁半导体的铁磁性要有明显调制效应，另一方面电场对稀磁半导体的铁磁性调制要具有非挥发特性，即当外加电场撤销后，稀磁半导体的铁磁性仍然能保持在被调制后的状态，也就是要实现外加电场对铁磁性的非挥发性调制。

在传统的金属/绝缘体/稀磁半导体场效应晶体管结构中，当外加电压撤销后，氧化物稀磁半导体又回到了被调制前的状态，要想保持被调制后的状态就必须一直施加外加电压，从而不能实现真正意义上的非挥发特性。因此，非常有必要提出一种在断电后仍能使其铁磁状态保持的结构，从而实现真正意义上的非挥发特性。这样可以利用外加电场来实现对磁性电路单元的铁磁性调制，也就可以利用外加电场来实现对其数据和信息的读写，这将具有重要的科学意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构及其制备方法，该氧化物稀磁半导体/铁电体异质结构在外加电场的作用下可对其铁磁性进行非挥发性调制。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：