霍爾條微器件的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種霍爾條微器件。該霍爾條微器件包括：襯底；凸臺，位于襯底上并具有預定的霍爾條形狀，并具有平整的上表面；以及薄膜層，由拓撲絕緣體材料在凸臺的表面上外延生長而成，且具有與凸臺相對應的形狀。本發明在制備三維拓撲絕緣體薄膜器件時，驚奇地發現，摻雜磁性元素Cr后，(BixSb1-x)2Te3材料變成了鐵磁性的絕緣體。采用摻Cr的(BixSb1-x)2Te3材料作為薄膜層制備來三維拓撲絕緣體薄膜器件，拓撲絕緣體具有邊態，在極低的溫度條件下就可以測量量子反常霍爾效應，即在不加外加磁場的情況下觀察到量子霍爾效應，這一效應在計量學，未來的電子器件應用中將會有巨大的應用前景。
【專利說明】霍爾條微器件
【技術領域】
[0001]本發明涉及薄膜微器件加工【技術領域】，尤其是涉及一種霍爾條微器件。
【背景技術】
[0002]拓撲絕緣體是一種新的量子物態。傳統上固體材料可以按照其導電性質分為絕緣體和導體，其中絕緣體材料在其費米能級處存在著有限大小的能隙，因而沒有自由載流子。金屬材料在費米能級處存在著有限的電子態密度，進而擁有自由載流子。而拓撲絕緣體是一類非常特殊的絕緣體，從理論上分析，這類材料的體內的能帶結構是典型的絕緣體類型，在費米能級處存在著能隙，然而在該類材料的表面則總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態，因而導致其表面總是金屬性的。拓撲絕緣體這一特殊的電子結構，是由其能帶結構的特殊拓撲性質所決定的。
[0003]拓撲絕緣體因其獨特的電子結構和性質成為近年來凝聚態物理研究的熱點領域。三維拓撲絕緣體具有絕緣型的體能帶和受時間反演對稱性保護的金屬型表面態。這種表面態在動量空間具有狄拉克型的色散關系，并且在狄拉克點之外的地方是自旋非簡并的。這種獨特的拓撲表面態有可能導致多種新奇的量子現象，如表面量子霍爾效應、激子凝聚現象、量子反常霍爾效應等，三維拓撲絕緣體已經在很多材料中被預言或發現。
[0004]Bi2Se3家族的化合物(Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3)因為其簡單的表面態結構、較大的體能隙、較易制備等優點成為目前研究最多的一類三維拓撲絕緣體材料。人們已通過分子束外延法(MBE)在多種襯底上生長出高質量的Bi2Se3家族的拓撲絕緣體薄膜，并在其中觀測到了一些新奇的量子現象和物理性質。但是采用Bi2Se3家族的化合物作為拓撲絕緣體薄膜，制備得到的霍爾條微器件無法測量量子反常霍爾效應。
[0005]因此，目前迫切需要出現一種新的霍爾條微器件，以解決現有技術中所存在的上述問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的旨在提供一種霍爾條微器件，可以用來測量量子化反常霍爾效應。
[0007]應用本發明的技術方案，提供了一種霍爾條微器件，包括:襯底；凸臺，位于襯底上并具有預定的霍爾條形狀，并具有平整的上表面；以及薄膜層，由拓撲絕緣體材料在凸臺的表面上外延生長而成，且具有與凸臺相對應的形狀。
[0008]進一步地，凸臺與襯底為一體結構。
[0009]進一步地，凸臺是對襯底刻蝕形成。
[0010]進一步地，凸臺的厚度為10nm?500nm。
[0011]進一步地，從凸臺的上表面至襯底的方向上，凸臺的橫截面大小一致。
[0012]進一步地，在從凸臺的上表面至襯底的方向上，凸臺的橫截面漸縮。
[0013]進一步地，凸臺的縱向截面為倒梯形。
[0014]進一步地，薄膜層的厚度為5nm?10nm。
[0015]進一步地，襯底的材料為SrTi03。
[0016]進一步地,拓撲絕緣體材料為摻鉻的秘鋪締合金。
[0017]應用本發明的技術方案，在制備三維拓撲絕緣體薄膜器件時， 申請人:驚奇地發現，摻雜磁性元素Cr后，(BixSbh)2Te3MW變成了鐵磁性的絕緣體。采用摻Cr的(BixSb1J2Te3材料作為薄膜層來制備三維拓撲絕緣體薄膜器件，拓撲絕緣體具有邊態，在極低的溫度條件下就可以測量量子反常霍爾效應。所謂的量子反常霍爾效應，即在不加外加磁場的情況下觀察到量子霍爾效應，這一效應在計量學，未來的電子器件應用中將會有巨大的應用前旦
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[0018]根據下文結合附圖對本發明具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本發明的上述以及其他目的、優點和特征。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本發明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0020]圖1為本發明一種實施例中在SrT13(STO)襯底上通過預刻蝕獲得Hall bar形狀凸平臺、并利用MBE方法制備出拓撲絕緣體薄膜的Hall bar器件的原理示意圖；
[0021]圖2為本發明一種典型實施例制備的霍爾條微器件的結構示意圖；
[0022]圖3為本發明一種典型實施例中對STO襯底經過紫外光刻后的光學顯微鏡照片；以及
[0023]圖4-圖7為本發明的其它典型實施例中的霍爾條微器件的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]如圖2所示，本發明提供了一種霍爾條(Hall bar)微器件，包括襯底10、凸臺20和薄膜層30。其中，凸臺20位于襯底10上并具有預定的霍爾條形狀，凸臺20具有平整的上表面21，以用于拓撲絕緣體材料在該上表面21上外延生長。薄膜層30由拓撲絕緣體材料在凸臺20的表面21上生長而成，且具有與凸臺20相對應的形狀。優選地，拓撲絕緣體材料為摻鉻的鉍銻碲合金。進一步優選地，拓撲絕緣體材料為摻Cr的(BixSbh)2Te3材料，O < X < 10
[0025]霍爾條微器件是指用于測量霍爾效應的固態電子器件。E.H.霍爾于1879年發現:一塊矩形導體或半導體材料在磁感應強度為Bz的磁場中,在垂直于磁場的方向有電流Ix通過器件，在既垂直于磁場Bz、又垂直于電流Ix的方向將產生電場Ey，這就是霍爾效應。用霍爾條微器件測量磁場強度的特點是:器件很小很扁(可以放在窄縫中)，具有較高的準確度、靈敏度和穩定性，還有較寬的工作溫度范圍。
[0026]其中，Cu1-ZuChang 等人在文獻 Experimental Observat1n of the QuantumAnomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator 中已經公開了慘 Cr 的(BixSVx)2Tej^iK發明人驚奇地發現，摻雜磁性元素Cr后，(BixSb1J2Te3材料成為了鐵磁性的絕緣體。拓撲絕緣體具有邊態，在Cr磁性離子摻雜的(BixSlvx)2Te3M料的拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩定的鐵磁絕緣體，是實現量子反常霍爾效應的最佳體系。因此，本發明采用摻Cr的(BixSbh)2Te3M料作為薄膜層制備的霍爾條微器件(也稱為拓撲絕緣體薄膜器件)，在極低的溫度條件下就可以測量量子反常霍爾效應。
[0027]量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，“相當于外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機。”而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。因此，本發明制備的霍爾條微器件，使得量子反常霍爾效應在零磁場的條件下應用量子霍爾效應成為可能，并且這些效應可能在未來電子器件中發揮特殊的作用，可用于制備低能耗的高速電子器件。
[0028]拓撲絕緣體有很多獨特的輸運性質，要在微米尺度甚至亞微米尺度的結構中才能觀測到。例如，拓撲絕緣體的表面態具有電子彈性散射的背散射缺失的特性。本發明在制備霍爾條微器件時，可以采用現有的制備方法。現有技術中為了將一個外延薄膜加工成微器件，一般需要對其進行紫外光刻或電子束刻蝕。而微器件制作工藝需要使材料表面接觸各種化學物質，如光刻膠、顯影液以及各種有機溶劑等。盡管由于拓撲保護，這些化學物質不會破壞拓撲絕緣體的表面態，但與這些物質的接觸卻有可能顯著改變載流子濃度和遷移率，從而影響各種量子效應的觀測。
[0029]為了解決上述問題，本發明的霍爾條微器件是可以通過在不影響拓撲絕緣體外延薄膜表面環境的情況下對其進行微加工獲得，以便實現各種量子現象。在本發明的一種典型實施例中，以STO襯底10上生長的三維拓撲絕緣體(摻Cr的(BixSbh)2Te3)為例，展示了一種不需對拓撲絕緣體薄膜本身進行刻蝕而將其制成微器件的方法。即將STO襯底利用紫外光刻預先刻蝕出一個具Hall bar器件形狀、高度為幾百個納米的凸平臺，以這樣的凸平臺為模板，利用MBE可以直接生長出具有Hall bar形狀的摻Cr的(BixSb1J2Te3薄膜。這種微器件制作方法不會對薄膜質量產生影響，解決了阻礙拓撲絕緣體各種量子效應實現的一個關鍵問題。具體制作方法如下:
[0030]采用STO(Ill)單晶襯底(購買于合肥科晶)。將其切成約2mmX5mm大小進行后續的微加工過程和MBE生長。圖1為制備霍爾條微器件的原理示意圖，整個過程分為五步:
[0031]第一步，將STO襯底10在115°C加熱I分鐘，以去除吸附在表面的水分。然后在STO表面旋涂光刻膠層40，如圖1(a)、(b)所示。所采用的光刻膠層40是濃度為2%的S1813的正性膠，所用膠層40的厚度約為400nm。
[0032]第二步，利用預先準備好的具有Hall bar圖形的掩模板和掩模對準式紫外曝光機(MA6, Karl Suss)對STO襯底10上的光刻膠層40進行曝光，然后將樣品在MF319顯影液中浸泡I分鐘顯影。襯底10上剩余的未被曝光的光刻膠層40呈現掩模版的Hall bar形狀，如圖1 (c)所示。
[0033]第三步，利用反應離子刻蝕系統(PlasmaLab 80 Plus,Oxford Instruments)產生的氬離子束轟擊襯底10表面。沒有被光刻膠覆蓋的襯底10將被刻蝕，而被光刻膠覆蓋的Hall bar形狀區域則不會受到離子束影響，如圖1(d)所示。
[0034]第四步，利用丙酮清洗掉襯底10表面的光刻膠層40，這樣就獲得了具有Hall bar形狀凸臺20的襯底10。利用獲得清潔STO(Ill)表面的標準方法對此襯底10進行處理:首先將其置于80°C的去離子水中加熱兩個小時，然后將其置于管式爐中，在氧氣氣氛下、930°C下退火兩個小時，這樣在凸臺20上就可以獲得適于拓撲絕緣體薄膜MBE生長的重構表面。
[0035]第五步，將處理過的STO傳入超高真空MBE腔(本底真空I X l0.mbar)，進行摻Cr的(BixSbh)2Te3薄膜的生長。在MBE生長過程中，STO襯底溫度設為約180°C，Cr、B1、Sb和Te均由Knudsen Cell蒸發，Sb (Bi)與Te束流比約為1:10。生長的薄膜是5QL(quintuplelayer)厚的Cra 15 (Bia ^ba9) U5Te3,這種薄膜接近電荷中性點,是探測拓撲表面態各種效應的理想系統。
[0036]在本發明的一個優選實施例中，用于制作襯底10的材料為SrTi03。襯底10的厚度可以根據需要設置。凸臺20與襯底10為一體結構，這樣在后續可以實現外延生長和輸運測試。進一步優選地，凸臺20的厚度為10nm?500nm。凸臺20的高度要高于外延生長薄膜過程中原子的遷移距離。這樣在薄膜生長過程中，凸臺20上的薄膜部分會和凸臺20下的部分斷開聯系，即凸臺20上外延生長的薄膜層30與襯底10其他部分上的薄膜不會有電接觸，并具有凸臺20的Hall bar形狀，這樣就獲得了凸臺20上獨立的Hall bar微器件。另外，也可以對沒有掩膜的襯底10部分，即凸臺20下部分進行粗糙化處理，使其不適合外延生長。這樣在薄膜層30外延生長過程中，凸臺20上、下的區別進一步加大，有利于形成單獨的凸臺20上的電子器件。
[0037]在本發明的一個典型實施例中，從凸臺20的上表面21至襯底10的方向上，凸臺20的橫截面大小一致。即該凸臺20的任何一個橫截面其形狀和大小是相同的，且凸臺20垂直于襯底10設置。在本發明的其它實施例中，從凸臺20的上表面21至襯底10的方向上，凸臺20的橫截面漸縮。
[0038]圖3顯示了在另一個實施例中對STO襯底經過紫外光刻后的光學顯微鏡照片，其呈現了另一種霍爾條形狀。從圖3中可以分辨出具有六個電極1-6的Hall bar形狀的凸臺，其中電極I和4為電流電極，電極2和3以及5和6為電壓電極。電極的形狀是可以相對隨意變化的，圖4-圖7為其它典型實施例中的霍爾條微器件的結構示意圖，電極形狀的變化不會影響測量結果。在圖3中，電極I和4是測量時通過電流的方向，一般測量時給出一個固定的電流大小，比如I微安。然后在電極2和3(或者電極5和6)測縱向電阻Rxx。在電極2和6 (或者電極3和5)測橫向電阻Rxy，該Rxy即是霍爾電阻。
[0039]在本發明的一個典型實施例中，Hall bar微器件的寬度約為50 μ m，相鄰電壓電極之間距離約為150μπι。在其它實施例中，也可以設計出Hall bar微器件具有最大到毫米級的電極尺寸，其優點是在MBE生長過程中仍可以利用高能電子衍射(reflective highenergy electron diffract1n, RHEED)對凸臺20上薄膜層30的生長進行監控。光刻后STO襯底10表面的清潔程度和表面形貌對氬離子刻蝕的條件非常敏感。首先，刻蝕掉幾百個納米厚的STO襯底需要較長的刻蝕時間，而氬離子的長時間連續轟擊會導致光刻膠的變性，使其難以去除。為了解決這個問題，我們將刻蝕的程序設置為每刻蝕I分鐘停2分鐘以減輕光刻膠的變性，并且在氬刻后用氧等離子體處理表面，以幫助光刻膠的消除。其次，我們發現當氬離子功率設定過高時，襯底10在氧氣氛下高溫退火后其表面會變得粗糙。
[0040]可見，通過在預先刻蝕好Hall bar形狀凸臺20的襯底10上進行MBE生長可以直接實現Hall bar微器件的制備。在此方法中，由于微加工過程被提到了襯底處理和MBE生長之前，因此所獲得薄膜在質量上和普通MBE生長的薄膜基本沒有區別。這尤其適合拓撲絕緣體外延薄膜和量子反常霍爾系統的微器件制作。盡管此實驗僅使用紫外光刻進行襯底的預刻蝕，原則上也可以使用電子束刻蝕和聚焦離子束刻蝕技術預刻蝕襯底，以獲得更小尺寸的器件。
[0041]在本發明的一個典型實施例中，薄膜層30的厚度為5nm?10nm。如果薄膜層30的厚度大于10nm，則很難測出量子反常霍爾效應。如果薄膜層30的厚度小于5nm，則會導致薄膜基本絕緣。利用此方法獲得均勻薄膜的尺寸下限是由薄膜MBE生長的成核間距決定。這個尺度由MBE生長動力學決定，對不同的系統和生長條件有很大不同，在某些情況下可以達到納米尺度。
[0042]至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和范圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的范圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【權利要求】
1.一種霍爾條微器件，包括: 襯底(10)； 凸臺(20)，位于所述襯底(10)上并具有預定的霍爾條形狀，并具有平整的上表面(21);以及 薄膜層(30)，由拓撲絕緣體材料在所述凸臺(20)的所述表面(21)上外延生長而成，且具有與所述凸臺(20)相對應的形狀。
2.根據權利要求1所述的霍爾條微器件，其特征在于，所述凸臺(20)與所述襯底(10)為一體結構。
3.根據權利要求1-2中任一項所述的霍爾條微器件，其特征在于，所述凸臺(20)是對所述襯底(10)刻蝕形成。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的霍爾條微器件，其特征在于，所述凸臺(20)的厚度為 lOOnm ?500nm。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的霍爾條微器件，其特征在于，從所述凸臺(20)的所述上表面(21)至所述襯底(10)的方向上，所述凸臺(20)的橫截面大小一致。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的霍爾條微器件，其特征在于，從所述凸臺(20)的所述上表面(21)至所述襯底(10)的方向上，所述凸臺(20)的橫截面漸縮。
7.根據權利要求6所述的霍爾條微器件，其特征在于，所述凸臺(20)的縱向截面為倒梯形。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的霍爾條微器件，其特征在于，所述薄膜層(30)的厚度為5nm?10nm。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的霍爾條微器件，其特征在于，所述襯底(10)的材料為 SrTi03。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的霍爾條微器件，其特征在于，所述拓撲絕緣體材料為摻鉻的鉍銻碲合金。
【文檔編號】H01L43/14GK104393167SQ201410677663
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】李康, 歐云波, 何珂, 馬旭村 申請人:中國科學院物理研究所