基于铁磁半金属/石墨烯的自旋MOSFET器件的研究

本项目提出的基于铁磁半金属/石墨烯的自旋MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)器件是同时利用电子自旋和电荷属性的新型电子器件。研究内容包括高质量的铁磁半金属与石墨烯薄膜的制备与优化；版图设计、自旋MOSFET结构模型的构造；半导体制备工艺与金属/氧化物多层膜制备工艺的集成技术的研究；薄膜质量及界面对自旋输运的影响；各工艺环节对自旋MOSFET器件功能的影响，及电极尺寸、薄膜厚度、沟道长度的合理设计与优化；自旋MOSFET器件的电学性质测试及器件可靠性的研究。与传统MOSFET器件相比较，自旋MOSFET器件能将逻辑、非易挥发性存储和通信等功能融合在以半导体为基的器件上，具有多功能、低能耗、速度快、小尺寸的优势。所以该项目研究的结果将有利于促进自旋电子器件的实用化，同时对自旋MOSFET器件制备提供完备的物理机制及工艺条件具有重要的指导和参考价值。

本课题基于自旋MOSFET电子器件具有低能耗、速度快、尺寸小、多功能等优势，结合半金属铁磁材料中的高自旋极化率、与石墨烯中特有的高电子迁移率以及预测的微米级自旋弛豫长度，开展了基于铁磁半金属/石墨烯复合材料的自旋MOSFET器件的研究。主要研究工作包括：高质量的石墨烯薄膜、Co2FeAl0.5Si0.5半金属薄膜、与MgO/TiOx隧穿层的制备与表征；石墨烯薄膜的转移与图形化工艺；自旋MOSFET器件的工艺制备与集成；采用交流non-local的磁电阻测试方式检测器件中的载流子自旋寿命与自旋弛豫长度；基于ATK理论计算器件中的自旋输运特性；以及研究了相关磁性元素与分子掺杂对石墨烯中自旋调控的影响。重要实验与理论结果包括：通过机械剥离法、气相沉积 (CVD) 法与氧化还原法等方法的比较与摸索，获得了高质量低缺陷的CVD石墨烯薄膜；通过直流磁控溅射与真空原位退火工艺，成功的生长了几十纳米厚的分别具有L2相高质量的Co2FeAl0.5Si0.5半金属铁磁薄膜电极；利用电子束蒸发技术，发现在石墨烯与半金属之间制备高质量的MgO/TiOx隧穿层可以避免了表面多针孔结构的形成，抑制了由于电极界面引起的自旋弛豫效应；结合以上薄膜制备工艺与电子束光刻和lift-off等技术实现了铁磁半金属/石墨烯的自旋MOSFET器件的制备与各薄膜层集成生长工艺；利用non-local自旋电流测量与Hanle效应测量，在所制备的铁磁半金属/石墨烯的自旋MOSFET器件中观测到了可控的室温自旋电流效应，信号比相同结构与相同工艺制备的比较样品Co/石墨烯MOSFET器件中的自旋电流信号高几个数量级。成功的证明了Co2FeAl0.5Si0.5半金属铁磁材料中的高自旋极化率有利于获得大的自旋注入电流，导致信噪比较高的可控自旋电流信号；另外，通过ATK软件模拟了不同石墨烯层数对自旋电流输运的影响，以及不对称铁磁金属对自旋电流的影响，发现在单层石墨烯中获得最大的自旋电流，以及石墨烯中自旋电流的可控调整。同时，我们利用沉积与化学方法分别制备了石墨烯/铁磁纳米颗粒的复合材料，结果表明铁磁纳米颗粒可以调制石墨烯中的自旋输运特性，获得更优化的易控自旋电流信号。