[发明专利]一种拓扑场效应晶体管及其实现方法

说明书

本发明公开了一种拓扑场效应晶体管及其实现方法。本发明利用拓扑半金属表面态电子的自旋‑动量锁定特性，在源极与漏极之间施加直流偏置电流，产生表面态的自旋极化，通过改变偏置电流方向的方式，或者调控栅极电压诱发拓扑相变的方式，实现0和1的转换；相比传统晶体管及自旋场效应晶体管，此拓扑场效应晶体管由于自身的拓扑保护特性，其中电子的传输不受背散射影响，从而能大大减少热量的产生，极大降低功耗；同时打破了自旋场效应晶体管中最小沟道长度的限制，并实现了自旋信号开关比达300。

技术领域

本发明涉及场效应晶体管技术，具体涉及一种拓扑场效应晶体管及其实现方法。

背景技术

场效应晶体管目前广泛地应用于集成电路当中，通过电场的调控引起导电通道的载流子的耗尽，从而形成导电通道的开/关切换，模拟0和1的转换。但是这种传统的场效应晶体管存在两大缺陷：第一，随着尺寸的减小，量子干涉等效应必然越来越显著，从而干扰开/关的有效转换，进而导致摩尔定律的失效，这也是人们在不断的寻求新兴量子器件的原因；第二，过高的功耗，即产热严重。

自旋场效应晶体管早在30年前就被提出，但是迄今为止，未形成能工业化的器件。它是基于自旋的注入、电场调控的自旋进动以及自旋的探测来形成场效应晶体管的开关切换，从而模拟0和1的转换。但是如今存在的自旋场效应晶体管存在三大缺陷：第一，目前的最小通道长度仅为1微米，远远达不到大规模集成电路的要求。至少要达到10纳米甚至1纳米水准的通道长度才能满足如今的工业要求；第二，开关比特别低，最高不过500％；第三，仍然存在功耗较大的问题。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种拓扑场效应晶体管及其实现方法，以满足未来大规模集成电路的需求。

本发明的一个目的在于提出一种拓扑场效应晶体管。

本发明的拓扑场效应晶体管，源极和漏极与输出电极分别为单独的电极，或者源极或漏极与一个输出电极共用一个电极。

源极和漏极与输出电极分别为单独的电极，本发明的拓扑场效应晶体管包括：衬底、绝缘介电质层、拓扑半金属、源极、漏极、栅极和输出电极；其中，衬底采用导电材料，在衬底的正面形成绝缘介电质层；在绝缘介电质层上方转移拓扑半金属，形状为线状；在拓扑半金属上沿着拓扑半金属的生长方向设置四个金属电极，分别作为源极、漏极和两个输出电极；至少存在一个输出电极的材料采用磁性金属，易磁化轴的方向在衬底的平面内且垂直于拓扑半金属的长度方向；在衬底的背面形成栅极；源极和漏极分别连接至直流源，拓扑半金属的表面态电子具有自旋动量锁定特性，直流源通过源极和漏极对拓扑半金属施加直流的偏置电流，引起表面态电子的自旋极化，电子动量方向与电流方向相反，都沿着拓扑半金属的生长方向；而表面态电子的自旋方向与电子动量方向锁定，因此表面态电子的自旋极化的方向垂直于生长方向，自旋信号的大小由偏置电流的大小决定；施加磁场，采用磁性金属的输出电极产生磁化，磁化方向垂直于拓扑半金属的生长方向；0和1状态的实现有两种方式：改变偏置电流方向的方式，或者栅压调控的方式；在改变偏置电流方向的方式中，表面态电子的自旋极化的方向由偏置电流的方向决定，确定的偏置电流方向对应一个确定的自旋极化的方向，改变偏置电流的方向，自旋极化的方向反向，两个相反的极化方向分别对应0和1的状态，通过控制偏置电流的方向，实现0和1的转换，输出电极为磁性金属与自旋极化相互作用，能够得到自旋信号的变化，通过两个输出电极输出；或者，在栅压调控的方式中，源极和漏极之间的偏置电流的方向不变，通过调控栅极电压，调控拓扑相变，当栅极不施加电压或者施加的电压小于临界电压时，拓扑半金属的表面态存在自旋极化，当栅极施加的电压大于或等于临界电压时，拓扑半金属的表面态自旋极化消失，自旋极化消失和自旋极化存在分别对应0和1的状态；通过调控栅极，实现0和1的转换，通过两个输出电极输出。

在拓扑半金属上的四个金属电极沿生长方向的排列顺序不限。电流方向沿着拓扑半金属的生长方向，而电子带负电荷，因此电子动量方向与电流方向相反，但都沿着拓扑半金属的生长方向。