[发明专利]一种拓扑场效应晶体管及其实现方法

摘要

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。

主权项

1.一种拓扑场效应晶体管，源极和漏极与输出电极分别为单独的电极，其特征在于，所述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。