硅基自旋注入器件及其界面特性研究.pdf

1、發(fā)展硅基自旋電子器件是當(dāng)今半導(dǎo)體自旋電子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本論文圍繞硅基自旋注入三端器件的研制為主線，重點(diǎn)開展了NiFe/HfO2/Si磁隧道結(jié)的制備及其界面特性研究，以期開發(fā)新的硅基自旋電子器件。此外，還對Ge pMOSFET器件的制備及電學(xué)特性進(jìn)行了一些探索，為今后開發(fā)自旋晶體管積累經(jīng)驗(yàn)。
　　（一）磁性電極NiFe薄膜的制備和特性研究
　　1.以高摻n型Si為襯底，利用磁控濺射制備了不同厚度的NiFe薄膜，并對

2、部分樣品進(jìn)行了退火處理，系統(tǒng)研究了樣品的面內(nèi)和面外磁各向異性與薄膜厚度之間的關(guān)系，以及不同條件退火對磁性能的影響，結(jié)果表明為了符合硅基自旋注入對磁性電極薄膜的要求，NiFe薄膜的厚度需控制在30 nm以內(nèi)，并且退火溫度以250℃為佳；
　　2.為了抑制NiFe薄膜中的Ni、Fe往Si襯底中擴(kuò)散，同時(shí)也為了形成隧道結(jié)，在NiFe與Si之間插入了2 nm厚的HfO2薄膜，并進(jìn)行了退火處理，研究了樣品退火前后的磁性能，并利用XPS測試和

3、分析了NiFe薄膜的組分、化學(xué)鍵和擴(kuò)散情況，結(jié)果顯示HfO2薄層的引入可部分抑制Ni、Fe往Si中擴(kuò)散，使得Al（22 nm）/NiFe(28 nm)/HfO2(2 nm)/Si樣品經(jīng)250℃退火以后其飽和磁化強(qiáng)度提高了約80％，有利于硅基自旋注入；
　　3.對CoFe薄膜的制備進(jìn)行了一些探索。
　　（二）介質(zhì)層HfO2超薄薄膜的制備及界面、電學(xué)特性研究
　　1.分別采用（E-beam）和原子層沉積（ALD）技術(shù)在高摻

4、n型Si襯底上制備了HfO2超薄薄膜（厚度范圍0-5 nm），并利用XPS進(jìn)行了深度剖析，系統(tǒng)研究了Si上直接生長HfO2薄膜的組分、化學(xué)鍵和擴(kuò)散情況，結(jié)果顯示ALD生長的HfO2薄膜粗糙度較小，約0.10 nm，厚度控制精度較高，表面層符合化學(xué)配比，可能適合用于硅基自旋注入；
　　2.研究了不同方法制備的Metal/HfO2/n+-Si接觸隨HfO2插層厚度（E-beam0-5nm或ALD0-2.5 nm）變化的I-V特性，優(yōu)化

5、了用于硅基自旋注入隧穿層的HfO2薄膜的制備方案；
　　3.研究了 NiFe/HfO2(0-2 nm)/p-Si接觸的I-V特性，探討了 HfO2插層對NiFe/Si肖特基勢壘高度的調(diào)制作用和機(jī)理，為今后轉(zhuǎn)向低摻雜濃度 Si進(jìn)行自旋注入探路。
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　　1.根據(jù)前兩章的研究結(jié)果設(shè)計(jì)工藝流程，制備出了以NiFe/HfO2/n+-Si磁隧道結(jié)為核心的硅基自旋注入三端器件，為了

6、對比，采用相同的工藝參數(shù)也制備了NiFe/Al2O3/n+-Si三端器件，并對部分器件進(jìn)行了退火處理，測試了器件的電學(xué)特性（I-V特性）和自旋注入特性（Hanle曲線）；結(jié)果顯示研制的NiFe/HfO2/Si器件在低溫（10K）下的阻值很大，超過2 M?，比NiFe/Al2O3/Si器件大了2～3個(gè)數(shù)量級；經(jīng)過退火以后，NiFe/HfO2/Si器件的阻值降到了0.2 M?，有利于Hanle曲線測試；退火后的NiFe/HfO2/Si器件測

7、到了Hanle曲線，提取出了自旋壽命（256 ps）和自旋擴(kuò)散長度（264 nm），并計(jì)算出了注入到Si中的自旋極化率，約為0.85%；
　　2. NiFe/Al2O3/Si器件在退火前后都測到了Hanle曲線，并且自旋壽命和自旋擴(kuò)散長度都比NiFe/HfO2/Si器件的略大，但是自旋極化率比較低，退火前僅為0.11%，退火后提高到了0.48%。
　　（四）肖特基源、漏Ge pMOSFET的研制
　　1.以低摻雜濃度的