[发明专利]一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：在拓扑绝缘体材料的Al₂O₃层上匀涂电子束胶作为保护层；在保护层上匀涂紫外正性光刻胶；采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶上；采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层；利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料上刻蚀Al₂O₃层及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料上；利用丙酮及异丙醇洗掉剩余的保护层和紫外正性光刻胶，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。本发明避免普通光刻工艺显影阶段对Al₂O₃薄膜的腐蚀，避免电子束曝光电荷积累造成的量子反常霍尔效应无法调控的问题，成功实现微纳加工后的量子反常霍尔效应。

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法。

背景技术

自上世纪60年代，摩尔定律提出以来，半导体芯片技术迅速发展，集成化程度越来越高。但是，随着电路集成化越来越高，电子元器件产生的热量也会越来越高，如果在没有良好散热的技术条件下，这种热量可以烧毁整个芯片。因此，很多人都认为“摩尔定律”将要失效了。

芯片的发热是电子造成的，在芯片的底层，在一定的电势作用下，电流按照一定方向流动，电流的基本单元是电子，电子在大概率事件上是按照一定方向运动。电子它也会相互碰撞。从宏观上讲，这种电子相互碰撞的表现就是芯片发热。因此，为了避免电子相互碰撞，我们就需要让电子“各行其道”，严格按照一定的路线前行。在对电子分完道之后，还要做另外一件事情，就是当前行的电子遇到杂质的时候，电子也不会出现改变设定的方向往回走，即没有电子出现“逆行”的现象，不会由于逆行，电子产生相互碰撞而消耗能量，产生热量。要实现以上的这两条，就需要借助一个神奇的量子霍尔效应(Quantum HallEffect)。

通过对量子霍尔效应的研究，马普所的德国物理学家冯·克利青发现了整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理学奖；崔琦、霍斯特·施特默和亚瑟·戈萨德发现了分数量子霍尔效应，获得了1998年诺贝尔物理学奖。量子霍尔效应被认为是半导体工业的曙光。但是，在实际应用量子霍尔效应的时候，会面对一个巨大的难题，那就是要产生这样的效应，需要外加1特斯拉左右磁场，然而，这种强的磁场会对半导体设备运行产生不良影响。

量子反常霍尔效应(Quantum Anomalous Hall Effect)相当于不需要强磁场的量子霍尔效应，量子反常霍尔效应来自拓扑绝缘体（topological insulator）里的拓扑量子态。在拓扑性质的保护下，特定材料制成的绝缘体的表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，而这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全相关，同时不再需要外加磁场。简单来说，就是通过电子自旋与电子轨道的耦合，来取代了外加的强磁场，而产生的材料只有边缘可以导电，并且通过电子的自旋方向来决定电流的流动方向。张首晟等提出自旋量子霍尔效应的概念，首先预言了这么一个神奇的效应能够在实验上实现，使得电子能够按照高速公路原理来运行。2013年，中国科学院薛其坤院士领衔的合作团队又发现，在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e² ~ 25800欧姆。在Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃薄膜材料上得到近乎完美的量子反常霍尔效应实验结果，此材料在专利《拓扑绝缘体结构》（ZL201210559564.X）进行了详细论述，简而言之，Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃薄膜生长于SrTiO₃基底上，并由表层Al₂O₃保护。