[发明专利]一种自旋极化耦合的GaN MOSFET及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自旋极化耦合的GaN MOSFET及制备方法，属于铁磁材料领域及三代半导体微波毫米波器件领域。该结构包括GaN MOSFET完整外延结构以及在GaN MOSFET完整外延结构上制备的源漏金属、源漏保护SiN介质、一次栅金属磁化膜及二次栅金属。本发明通过在GaN MOSFET完整外延结构的势垒层表面制备磁化膜形成一次栅金属磁化膜，再通过制备二次栅金属形成完整栅极。本发明可通过栅极的磁性大小及磁化方向来调制沟道内的二维电子气的电子自旋方向；同时可调控沟道内的二维电子气浓度。

技术领域

本发明涉及一种自旋极化耦合的GaN MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)及其制备方法，属于铁磁材料领域及三代半导体微波毫米波器件领域。

背景技术

三代半导体GaN器件，具有更大的禁带宽度和更高的工作电压，其在微波毫米波芯片领域具有广阔的应用前景。一般的AlGaN/GaN结构的MOSFET器件采用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)、MBE(分子束外延)等方法实现外延生长。由于AlGaN/GaN界面的逆压电效应，使得在GaN沟道存在二维电子气，故器件的栅极形成的产生场效应特性势垒，会对沟道二维电子气具有控制作用，即电压控制电流器件。由于栅极电压对沟道电流的调制作用，使得MOSFET器件广泛的用于射频开关、功率放大器等有源器件中。传统的金属氧化物半导体场效应晶体管的调制模式由电压控制电流器件，即栅极电压的改变可控制沟道电流的大小。对沟道中的电子自旋并未控制。

垂直磁化膜可以使磁性薄膜内部产生自发磁化，自发磁化方向垂直与膜面。垂直磁化膜可以通过磁场来控制其内部的自旋电子的方向。由于垂直磁化膜的自旋耦合作用，与其相邻的自旋电子也会受到影响，使其自旋方向沿同一方向排列。基于该特性，垂直磁化膜广泛的用于磁性存储领域。

传统的MOSFET器件是电压调制沟道电流器件，不会调制沟道内部的自旋电子方向，如果采用垂直磁化膜作为MOSFET器件的栅极，则由于垂直磁化膜的自旋耦合特性，其会对沟道内的自旋电子产生调制作用。同时也会对沟道内的电子浓度产生调制。故通过具有垂直磁化膜的栅极会同时调制沟道电子浓度及电子自旋方向。因此，开发具有自旋极化耦合的GaN MOSFET，可以建立射频器件与自旋电子的联系，有利于推动多维度微波毫米波器件的发展。

目前，GaN器件采用的栅极金属一般为Ni，Pt等金属，势垒层一般为AlGaN材料。通过溅射或蒸发将栅极金属制备到势垒层表面产生场效应特性，从而形成电压控制电流的场效应调制。由于传统的GaN MOSFET器件应用于射频功率放大器，应用环境不涉及磁场环境，故对栅极金属的磁特性没有深入研究。

综上所述，传统的MOSFET器件只能实现场效应对沟道电子的控制，有建立金属氧化物场效应器件与自旋电子的联系。从原理上没有实现栅极与沟道电子的自旋极化耦合，即栅极无法同时调控沟道内自旋电子的自旋方向和沟道电流。

发明内容

本发明提出了一种自旋极化耦合的GaN MOSFET及其制备方法，该结构可通过磁化膜的自旋极化耦合，实现对二维电子气的电子自旋方向的调制。通过在GaN MOSFET完整外延结构的势垒层表面制备磁化膜形成一次栅金属磁化膜，再通过制备二次栅金属形成完整栅极。由一次栅金属磁化膜打底的栅极具有垂直磁化特性或面内磁化特性，会对沟道中电子产生自旋极化耦合；同时由于栅极对AlGaN/GaN沟道内的二维电子气具有场效应调制特性，因此该多层膜栅金属对沟道内的二维电子气同时具有自旋极化耦合特性及场效应调制特性，进而可同时实现对沟道电子的自旋方向及沟道电流的调制。

发明为解决其技术问题采用如下技术方案：