[发明专利]自激励自旋单电子电磁场效应晶体管、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于自激励自旋单电子场效应晶体管技术领域，尤其涉及一种纳米线稀磁半导体异质结自激励自旋单电子自激励电磁场效应晶体管、制备方法及应用。

背景技术

目前，纳米线半导体异质结单电子器件均是以库伦阻塞效应和单电子隧穿为基础的器件(K.K.Likharev.Correlated discrete transfer of single electrons in ultrasmall tunnel juntions”.IBM J.Res.Develop.Vol.32,p.144,1989)。这种单电子器件在理论上可以使能耗达到最小，而且由于是单电子运动，其速度可以很高。但是，对单电子器件的研究长期以来都着重于单电荷的阻塞和隧穿，未考虑单电子自旋隧穿多势垒的运动过程中产生的电磁感应造成的器件效应，也未考虑单电子自旋隧穿过程其电场产生的磁场变化和相互激励规律。

目前将稀磁半导体材料应用于自旋晶体管受到广泛关注。所谓稀磁半导体是指，少量磁性离子或原子进入非磁性半导体晶格或非晶格中取代部分原晶格点原子或充填晶格间隙而形成的半导体。一般来讲自旋晶体管以自旋电子的量子霍尔效应为基础，由于电子自旋运动与其轨道耦合可产生磁性。含有少量磁性离子的半导体场效应晶体管受外加电场或半导体晶体沟道内部载流子运动不均匀而产生电场作用，激发了电子自旋的浓度梯度或差异，随电压变化产生不同的自旋电流。还有一种新物质形态的物理性质引起了广泛关注，即拓扑绝缘体(Thouless D J,Kohmoto M,Nightingale M P et al.Phys Rev.Lett.,1982,49:405)，其体内具有绝缘体特性而表面存在金属态。从理论上分析，拓扑绝缘体体内的能带结构属于典型绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而拓扑绝缘体表面则存在穿越能隙的狄拉克型电子态，因而导致其表面呈现金属性。关于拓扑绝缘体的研究趋于高热度(Zhang S C,Hu J P.Science.2001,294:823)。

在单电子器件研究中，已制备出超导基单电子器件(Averin D V,Yu V Nazarov.Single Electron Charging Of a Superconductor Island.Phys.Rev.Lett.,1992,69,1992-1996.)以及绝缘基电容耦合式单电子器件(Chandrasekhar V.Single Electron Charging Effect In High Resistance In2O3-x wires.J.Low Temp.Phys.,1994,97:9-54.)，并已应用于量子计算机。H.Ohno等(H.Ohno,D.Chiba,F.Matsukura,T.Omiya,E.Abe,T.Dietl,Y.Ohno&K.Ohtani。Electric field control of ferromagnetism.Nature.2000.408:944～946)实现了稀磁半导体(In,Mn)As场效应晶体管中的栅电场控制空穴诱导铁磁性。但目前只能在低温下实现自旋单电子器件的运行。宽禁带稀磁半导体(Ga,Mn)N和(Si,Mn,Fe)C因为有超过室温的居里温度和铁磁性受到关注，采用宽带稀磁半导体可制造自旋单电子晶体管。

在对单电子器件的研究中，包括稀磁半导体晶体管，只观察到所存在的低温电导和磁导振荡，尚未观察到室温出现的电磁感应现象和电磁振荡效应。在没有外加磁场情况下，纳米线场效应晶体管中，由单电子隧穿引发纳米线异质结多型碳化硅中磁性原子轨道耦合运动的电场产生微磁场的变化，激发类似于自旋霍尔效应的现象。纳米线在导电过程中，由于栅电场引起纳米线能带改变，电子自旋运动发生变化。在单电子晶体管中存在单电子隧穿振荡和库伯对振荡，表示变化的自旋单电子电场会产生相应的微磁子磁场变化，从而可产生电磁感应现象。根据楞次定律，一个变化的磁场产生一个变化的电场。一个电容和一个电感组成一个电磁振荡电路。自从19世纪麦克斯韦发现电磁感应方程式以后，电磁振荡出现了前所未有的发展。利用这一效应开发的工业、信息产品层出不穷。现在技术发展位于量子计算机的门槛之间，量子计算机的量子信息存储、交换和发送必须经过磁技术分别完成，这是一个困难。如果能在半导体中实现量子信息存储、交换和发送功能，将大大促进量子计算机的普及发展。过去的电子学着重于电荷运动，对磁性的产生拟通过自旋注入产生，但十分复杂，不能满足量子信息转换、处理和存储。量子信息转换、处理和存储的产生机理是自旋量子霍尔效应。