基于磁性拓扑绝缘体纳米结构的新型自旋场效应晶体管研究

基本信息
批准号:61774013
项目类别:面上项目
资助金额:67.00
负责人:聂天晓
学科分类:
依托单位:北京航空航天大学
批准年份:2017
结题年份:2021
起止时间:2018-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:曾琅,刘传普,曹凯华,王乐知,王承祥,刘一正
关键词:
自旋输运自旋注入居里温度自旋晶体管铁磁半导体
结项摘要

Spin field-effect transistor utilizing spin as another degree of freedom for information processing, has emerged as an appealing and promising device to significantly reduce the power dissipation and variability while enhancing processing speed, integration density and functionality beyond CMOS technology in the post-Moore era. In this project, we propose to build a novel gate-controlled “collective spin”-based spinFET using magnetic-doped topological insulator (TI) nanostructure as the channel. Through the carrier-mediated paramagnetic-ferromagnetic phase transition for spin transmission, minimizing the use of charge current could be envisaged, and thus more energy efficient. Our proposal will be carried out through the following thrusts. 1) synthesize magnetic doped TI nanostructure by pattern-assisted MBE growth, and investigate surface-enhanced RKKY interaction under the assistance of quantum confinement effect in the nanostructure for room-temperature Curie temperature; 2) grow CoFeB/MgO on TI nanostructure and engineer the magnetic property as well as the interface and MgO quality for high spin injection; 3) benchmark the new spinFET and build possible logic circuitry for future application. Our proposal paves a new way for building “no current” spinFET beyond CMOS technology, which may enhance the international competition of our country in integrated circuit field.

自旋场效应晶体管,有望实现低功耗,高速度,高集成度和非挥发性功能,从而超越CMOS,成为“后摩尔时代”亟需的新型电子器件。然而传统自旋场效应晶体管一直存在“栅极高效操控自旋进动”与“提高自旋扩散长度”对自旋-轨道耦合的矛盾需求,难有突破性进展。本项目创造性的利用磁拓扑绝缘体纳米结构中电场控制顺磁-铁磁相变进行信号传递,开发新型的自旋场效应晶体管。最大的特点是共同自旋操控,并避免沟道电流使用。本项目将深入研究磁拓扑绝缘体纳米结构分子束外延生长机理,以及量子限制效应下表面增强RKKY机理;探索拓扑绝缘体上CoFeB/MgO铁磁电极范德瓦尔斯-共价异质键合生长机理,和铁磁性能调控,深入分析界面态和隧穿结质量对自旋注入影响;构建自旋场效应晶体管,并进行性能测试以及工作模式探讨。本项目的研究成果对于“后摩尔时代”超越 CMOS器件,提供了新的解决途径,有助于提高我国在自旋电子计算领域的国际地位。

项目摘要

本项目的研究重点是构建基于磁性拓扑绝缘体沟道的自旋场效应晶体管,通过构建强磁各向异性的电极,实现自旋流的注入和沟道开关调控,以满足未来电子器件高性能,高速度,高集成度和低能耗的需求。在往年的研究中,已经证实作为沟道材料的磁性拓扑绝缘体具有垂直磁各向异性,垂直磁性薄膜在利用自旋注入诱导沟道磁化翻转的时候,相较于面内薄膜具有更小的临界电流密度,故本课题选用面外易轴的铁磁材料作为场效应管的电极。我们设计了两种材料结构,首先是Ta/CoFeB/MgO三层薄膜,我们通过在异质结中插入不同厚度的Mg插入层,研究了插入层对于垂直磁各向异性的增强作用,进而获得了最佳膜层异质结电极结构。然后是Bi2Te3/Fe3GeTe2二维材料体系,我们通过材料的层间耦合作用提升了铁磁层的居里温度。之后我们对Bi2Te3/Fe3GeTe2二维材料体系进行改进:由于二维范德华材料Fe4GeTe2具有两个明显的优势:一是其特殊的层状结构使其天生具有良好的界面质量,可以与拓扑绝缘体组成界面平整的异质结;二是Fe4GeTe2的低维特性使其可以在几个原子层的厚度下保持稳定的强磁各向异性,可以满足摩尔定律引导下的器件日趋小型化和高度集成化的发展趋势。因此,我们选用二维范德华材料Fe4GeTe2作为铁磁电极,通过选择合适的衬底材料,在Fe4GeTe2薄膜中引入界面效应,将Fe4GeTe2的材料提升至室温以上,以满足军工、航天等领域的需求。同时,通过对生长过程中磁性元素含量的精确控制,在保持Fe4GeTe2二维铁磁相的同时,实现全温度范围内稳定的面内和垂直磁各向异性。进一步我们探索了二维铁磁/拓扑绝缘体异质结的自旋产生与注入过程,并通过太赫兹时域频谱法,对二维异质结的自旋动力学过程进行时间分辨观测,证实通过引入界面效应提高二维电极的自旋产生效率的可行性。本项目执行过程对材料生长、结构表征、性能测试和阐释等方面进行研究,同时涉及开展广泛的学术交流与合作,人才培养计划等。按照研究计划提出的内容,项目组进行了积极的实验部署和科学的实验安排,取得了重大研究成果。并且通过国际学术交流和研讨,加深了该研究项目的深度,树立了该方向的国际影响力。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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