基于局部磁场调控压磁-压电半导体器件.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020732299.0 (22)申请日 2020.05.07 (73)专利权人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 张春利梁超杨嘉实 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 邱启旺 (51)Int.Cl. H01L 29/82(2006.01) H01L 41/08(2006.01) H01L 41/12(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 一种基。

2、于局部磁场调控压磁-压电半导体器 件 (57)摘要 本发明公开了一种基于局部磁场调控的压 磁压电半导体器件， 涉及半导体设计技术领域， 该压磁压电半导体器件由第一压磁层、 第二压 磁层、 压电半导体层、 电极、 线圈、 直流电流源、 电 源构成； 所述压电半导体层的两端分别与电极固 定连接， 电极与电源串联； 所述第一压磁层、 压电 半导体层和第二压磁层依次连接， 且所述第一压 磁层、 第二压磁层与压电半导体层设置于线圈 中， 所述线圈的两端与直流电流源串联。 不同于 传统PN结局限于正向电路导通和反向电路截止， 该器件可实现正向电路导通、 电路截止和反向电 路导通， 即电路的三种状态。 权利。

3、要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 211789031 U 2020.10.27 CN 211789031 U 1.一种基于局部磁场调控的压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述压磁-压电半导 体器件由第一压磁层(2)、 第二压磁层(3)、 压电半导体层(1)、 电极(4)、 线圈(6)、 直流电流 源(7)、 电源(5)构成； 所述压电半导体层(1)的两端分别与电极(4)固定连接， 电极(4)与电 源(5)串联； 所述第一压磁层(2)、 压电半导体层(1)和第二压磁层(3)依次连接， 且所述第一 压磁层(2)、 第二压磁层(3)与压电半导体层(1)设置于线圈(6)中， 所述线圈(6)的。

4、两端与直 流电流源(7)串联。 2.根据权利要求1所述压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述第一压磁层(2)、 第二 压磁层(3)的长度相等， 且均为压电半导体层(1)长度的0.010.5； 所述压电半导体层(1) 的长度为0.110 m。 3.根据权利要求1所述压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述第一压磁层(2)、 第二 压磁层(3)的厚度相等， 且均为压电半导体层(1)中央厚度的1/62倍。 4.根据权利要求1所述压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述第一压磁层(2)、 第二 压磁层(3)为同种压磁材料。 5.根据权利要求1所述压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述线圈(。

5、6)产生的磁场方 向与第一压磁层(2)、 第二压磁层(3)的极化轴方向相同。 6.根据权利要求1所述压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述线圈(6)产生的磁场强 度H为： 其中， n为线圈的匝数； I为流过线圈的电流大小， l为单匝线圈的长度。 7.根据权利要求6所述压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述单匝线圈的长度为1 10cm。 8.根据权利要求1所述压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述第一压磁层(2)、 第二 压磁层(3)与压电半导体层(1)的宽度相等。 9.根据权利要求1所述压磁-压电半导体器件， 其特征在于， 所述第一压磁层(2)、 第二 压磁层(3)与压电半导体层(。

6、1)的宽度和总厚度均不超过压电半导体层(1)长度的0.1。 权利要求书 1/1 页 2 CN 211789031 U 2 一种基于局部磁场调控压磁-压电半导体器件 技术领域 0001 本实用新型属于半导体设计技术领域， 具体地， 涉及一种基于局部磁场调控压磁- 压电半导体器件。 背景技术 0002 二极管是一种应用广泛的半导体器件， 为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN 结， 加上相应的电极引线封装而成。 其工作原理是利用PN结的单向导电性， 即给二极管阳极 和阴极加上正向电压时， PN结呈现低阻性， 二极管导通； 给阳极和阴极加上反向电压时， PN 结呈现高阻性， 二极管截至。 二极管的。

7、导通与截至， 相当于开关的单向接通与断开， 即 “1” 和 “0” 。 反向电压过大时， 产生隧道击穿或雪崩击穿， 致使电流急剧增大， 二极管失去单向导电 性， 若对电流不加限制， 都可能造成PN结的永久性损坏。 对于一些需要双向导通与断开的稳 定开关， 二极管不能满足要求。 0003 压电电子学的核心在于通过压电半导体材料内的压电电势来调控载流子的输运 特性。 传统的半导体材料制成的PN结一旦形成， 相应的特性不能改变； 压电半导体材料制成 的PN结可以基于压电效应形成 “变形-极化-载流子” 的耦合， 即通过应变来间接调控载流子 的输运特性， 可以广泛应用于传感器、 光电子器件、 电化学催。

8、化等领域。 发明内容 0004 针对现有技术的不足， 本实用新型提出了一种基于局部磁场调控压磁-压电半导 体器件， 突破了传统PN结单向导通的局限， 避免了因为反向电压而永久损坏的可能。 0005 为了实现上述目的， 本实用新型的技术方案是： 一种基于局部磁场调控的压磁-压 电半导体器件， 所述压磁-压电半导体器件由第一压磁层、 第二压磁层、 压电半导体层、 电 极、 线圈、 直流电流源、 电源构成； 所述压电半导体层的两端分别与电极固定连接， 电极与电 源串联； 所述第一压磁层、 压电半导体层和第二压磁层依次连接， 且所述第一压磁层、 第二 压磁层与压电半导体层设置于线圈中， 所述线圈的两端。

9、与直流电流源串联。 0006 进一步地， 所述第一压磁层、 第二压磁层的长度相等， 且均为压电半导体层长度的 0.010.5； 所述压电半导体层的长度为0.110 m。 0007 进一步地， 所述第一压磁层、 第二压磁层的厚度相等， 且均为压电半导体层中央厚 度的1/62倍。 0008 进一步地， 所述第一压磁层、 第二压磁层为同种压磁材料。 0009 进一步地， 所述线圈产生的磁场方向与第一压磁层、 第二压磁层的极化轴方向相 同。 0010进一步地， 所述线圈产生的磁场强度H为： 0011 其中， n为线圈的匝数； I为流过线圈的电流大小， l为单匝线圈的长度。 0012 进一步地， 所述单。

10、匝线圈的长度为110cm。 说明书 1/6 页 3 CN 211789031 U 3 0013 进一步地， 所述第一压磁层、 第二压磁层与压电半导体层的宽度相等。 0014 进一步地， 所述第一压磁层、 第二压磁层与压电半导体层的宽度和总厚度均不超 过压电半导体层长度的0.1。 0015 与现有技术相比， 本发明具有如下有益效果： 不同于P型半导体和N型半导体形成 的PN结， 单向电路导通， 电路截止以及反向电压过大引起的击穿和可能的永久损坏。 该器件 由第一压磁层、 第二压磁层和压电半导体层形成一个复合结构， 当给压电半导体层的左右 两端加正向或反向电压时， 对该器件施加磁场， 间接在压电半。

11、导体层的局部形成势垒势阱， 可实现电信号的正向电路导通、 电路截至、 反向电路导通， 即电路的三种状态， 且此器件较 PN结更加安全和稳定。 该压磁-压电半导体器件形成 “磁场-变形-极化-载流子” 的耦合， 可 以通过非接触式和穿透性强的磁场来间接调控载流子的输运特性。 附图说明 0016 图1是本实用新型提供的压磁-压电半导体器件性能模拟图： 图1A为不同磁场强度 下的电流密度-V曲线； 图1B为不同电压下的电势-z曲线， 即压电半导体层的电势在长度方 向的分布图； 0017 图2是实施例1提供的压磁-压电半导体器件结构示意图； 0018 图3是实施例2提供的压磁-压电半导体器件结构示意图。

12、。 具体实施方式 0019 以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。 此处所描述的仅用于说 明和解释本实用新型， 并不用于限制本实用新型。 0020 本实用新型提供了一种基于局部压磁-压电半导体器件， 该压磁-压电半导体器件 由第一压磁层2、 第二压磁层3、 压电半导体层1、 电极4、 线圈6、 直流电流源7、 电源5构成； 所 述压电半导体层1的两端分别与电极4固定连接， 电极4与电源5串联， 通过此电源5来调节两 个电极4上的电压， 即获得压电半导体层1左右两端的电压。 所述第一压磁层2、 压电半导体 层1和第二压磁层3依次连接， 且所述第一压磁层2、 第二压磁层3与压电半导体层。

13、1设置于线 圈6中， 所述线圈6的两端与直流电流7源串联。 0021 本领域技术人员可知， 压电半导体兼有压电效应和半导体两种物理性能。 常见的 有-族化合物如CdS、 CdSe、 ZnO、 ZnS、 CdTe、 ZnTe等， -族化合物如GaAs、 GaSb、 InAs、 InSb、 AIN等。 0022 所述第一压磁层2、 第二压磁层3选用同种压磁材料， 常见的压磁材料有金属压磁 材料， 铁氧体压磁材料和稀土压磁材料。 且第一压磁层2、 第二压磁层3的长度、 宽度、 厚度相 等， 所述压电半导体层1的长度为0.110 m， 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的长度均为压 电半导体层1长度的0。

14、.010.5， 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的宽度与压电半导体层1的 宽度相等， 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的厚度均为压电半导体层1中央厚度的1/62 倍， 所述第一压磁层2、 第二压磁层3与压电半导体层1的宽度和总厚度均不超过压电半导体 层1长度的0.1。 所述第一压磁层2、 第二压磁层3在磁场作用下产生相同的纵向伸缩， 在压电 半导体层1的上下两侧引起相同的应变。 由于压电效应， 压电半导体层1的应变引起压电半 导体层1中部的纵向的势阱势垒， 影响载流子的输运特性。 在所述压电半导体层1两端施加 说明书 2/6 页 4 CN 211789031 U 4 电压， 可以认为压电半导体。

15、层1的电势和电流都沿着其轴向， 且只与轴向的位置有关。 且此 时流经压电半导体层1的电流对磁场的变化更为敏感。 0023 所述线圈6产生的磁场方向与第一压磁层2、 第二压磁层3的极化轴方向相同， 通过 调整线圈6的匝数、 单匝长度和电流大小来确定磁场的大小， 所述线圈6产生的磁场强度H 为： 0024 其中， n为线圈的匝数； I为流过线圈的电流大小， l为单匝线圈的长度， 单匝线圈的 长度越小越好， 这样便于通过较小的电流大小变化实现较大的磁场大小变化， 因此将单匝 线圈的长度设置为110cm。 0025 线圈6通电产生磁场， 该压磁-压电半导体器件的磁场方向沿第一压磁层2以及第 二压磁层3。

16、的极化方向。 由于磁致伸缩效应， 局部第一压磁层2、 第二压磁层3产生纵向应变。 由于第一压磁层2、 压电半导体层1和第二压磁层3依次连接， 因而第一压磁层2、 第二压磁层 3的应变引起压电半导体层1的局部产生纵向应变。 由于压电效应， 进一步在压电半导体层1 的局部范围形成势阱势垒， 磁场强度越大， 此势阱势垒越显著。 0026 当施加磁场强度大小不变时， 可以通过在压电半导体层1的两端施加电压来控制 电路的状态。 若正向电压足够大以克服势阱势垒， 即正向电压超过正向电路导通与断开的 电压阈值， 则电路正向导通； 若反向电压足够大以克服势阱势垒， 即反向电压超过反向电路 导通与断开的电压阈值。

17、， 则电路反向导通； 若两端电压不够大， 即电压在上述两个电压阈值 的范围内， 则电路不能导通。 0027 同时， 压电半导体层1的两端施加的电压不变时， 也可以通过调控磁场来控制电路 的状态。 若没有施加磁场， 则压电半导体层1的电路导通， 电流方向由压电半导体层1的两端 电压确定。 施加磁场时， 引起压电半导体层1形成局部势阱势垒， 进一步阻碍纵向电流， 即减 弱电流。 若施加的磁场所形成势阱势垒不能使得电路断开， 则磁场小于电路导通与断开的 阈值； 若施加的磁场所形成势阱势垒使得电路断开， 则磁场超过电路导通与断开的阈值。 0028 将本实用新型的压磁-压电半导体器件导入数值计算软件CO。

18、MSOL进行仿真模拟， 其性能结果如图1。 在仿真模拟中， 第一压磁层2、 第二压磁层3的材料均为CoFe2O4， 掺杂n型 载流子的ZnO用作压电半导体层1的材料。 具体使用的结构参数为： 第一压磁层2、 第二压磁 层3的长度均为2 m， 压电半导体层1长度为20 m， 压电半导体层1的厚度为30nm， 第一压磁层 2、 第二压磁层3的厚度均为35nm， 压电半导体层1与第一压磁层2、 第二压磁层3的宽度均为 100nm。 对该器件的右端施加电势V， 左端施加电势-V。 电势V的数值在-1.5V1.5V之间变 化， 则作用在该器件两端的电压在-3V3V之间变化。 0029 图1A为电流密度-。

19、V曲线， n型载流子初始浓度为n011021m-3， 当磁场大小为H4 105A/m， 电势V为0时， 无电流产生； 电势V增大到0.5V时， 电流密度为负， 即在压电半导体 层1有从右向左的电流经过； 电势V减小到-0.5V时， 电流密度为正， 即在压电半导体层1有从 左向右的电流经过。 当磁场大小为H8105A/m， 电势V为-0.50.5V时， 都无电流产生； 电 势V大于1V时， 电流密度为负， 即在压电半导体层1有从右向左的电流经过； 电势V小于-1V 时， 电流密度为正， 即在压电半导体层1有从左向右的电流经过。 从图1A可以看出， 施加的磁 场越大， 电压克服势阱势垒以使得电路导。

20、通的难度越大， 电流密度为0所对应的电势V范围 的平台宽度也越大。 说明书 3/6 页 5 CN 211789031 U 5 0030 图1B为电势-z曲线， 可以表示该器件中与轴向垂直的横截面上的平均电势沿轴向 的分布， 其中n型载流子初始浓度为n011021m-3。 磁场大小为H8105A/m， 当电势V为 0.6V， 势阱对电流的阻碍使得电路不能导通； 当电势V为1.5V， 势阱被克服， 电路得以导通， 并且电势大小沿纵向单调变化。 0031 由图1A的结果可以看出， 对于电流密度为0所对应的电势分布的平台， 磁场强度增 大可以增大电势平台宽度。 即增大电路正向导通或反向导通所对应的电势。

21、阈值的范围， 因 此， 有以下两种调控电流的方式： 0032 1)磁场大小不变， 通过两端电压调控流经该器件的电流状态和大小： 0033 在压电半导体层1的两端施加电压， 当两端电压为0时， 流过该器件的电流为0， 因 为磁场可以导致压电半导体层1内形成势垒势阱， 阻碍电流的流通； 当压电半导体层1两端 电压到某个临界值时， 压电半导体层1内部的势阱势垒刚好被抵消， 流过该器件的电流不再 为0； 当压电半导体层1两端电压更大时， 此后电流也更大。 0034 若规定电流正向为从右侧流入， 从左侧流出。 当施加的磁场大小H为某个恒定的值 H1时， 对压磁-压电半导体器件的右端施加电势V， 左端施加。

22、电势-V(即右端电势-左端电势 两端电压2V)。 则会相应产生正向的恒定电势阈值V1和反向的恒定电势阈值V2， 并且V2 0V1时， 正向的电流密度大于0， 有正向电流产生。 当右端电势-左端电势两端电压 2V2时， 反向的电流密度到达临界值： VV2时， 反向电流密度的绝对值大于0， 有反向电流产 生。 V2VV1时， 电流密度为0， 即电路断开。 0036 电压阈值V1和V2的大小与压磁-压电半导体复合结构和施加的磁场有关。 具体来 说， 由压磁层和压电半导体层的参数如： 长宽厚、 选用材料， 所施加的恒定磁场大小H1来共 同决定。 将具体条件输入到COMSOL中则可以得出图1所示的结果。。

23、 0037 2)两端电压不变， 通过磁场大小调控流经该器件的电流状态和大小： 0038 在两端施加恒定电压， 检测到该器件有电流经过时， 可调整磁场大小， 磁场可以导 致压电半导体层1内形成势垒势阱， 阻碍电流的流通， 磁场足够大时， 电流不能流通， 即电路 断开。 0039 若规定电流正向为从右侧流入， 从左侧流出。 当施加的磁场大小H为任意值且大于 0时， 对压磁-压电半导体的右端施加电势V， 左端施加电势-V， 当施加的电势VV3时(即右 端电势-左端电势两端电压2V2V3)， 则会相应产生恒定磁场阈值H3。 0040 具体来说， 当施加的磁场大小HH3时， 电流密度到达临界点： 0H0。

24、时， 电流为正向； V3H3时， 电流 密度为0， 即电路断开。 0041 磁场阈值H3的大小与压磁-压电半导体和施加的电压有关。 具体来说， 由压磁层和 压电半导体层的参数如： 长宽厚、 选用材料， 以及所施加恒定电势大小V3来共同决定。 0042 实施例1 0043 如图2本实用新型提供了一种压磁-压电半导体器件， 由第一压磁层2、 第二压磁层 3、 压电半导体层1、 电极4、 线圈6、 直流电流源7、 电源5构成； 所述压电半导体层1的两端分别 与电极4固定连接， 电极4与电源5串联； 所述第一压磁层2、 第二压磁层3分别设置于压电半 说明书 4/6 页 6 CN 211789031 U。

25、 6 导体层1的上下两侧， 且所述第一压磁层2、 第二压磁层3与压电半导体层1设置于线圈6中， 所述线圈6的两端与直流电流源7串联。 图2中压电半导体层1向右的箭头表示压电半导体层 的c轴方向， 图2中左上角的坐标系为压电半导体层的材料坐标系； 图2中第一压磁层2、 第二 压磁层3中向上的箭头表示压磁层的极化方向， 图2中右上角的坐标系为压磁层的材料坐标 系。 当该压磁-压电半导体器件处于沿压磁层的极化方向的磁场， 第一压磁层2和第二压磁 层3由于压磁常数h31产生纵向伸缩， 使得压电半导体层1也会产生纵向伸缩。 0044 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的长度相等， 且均为压电半导体层1长度。

26、的0.5， 所 述压电半导体层1的长度为0.1 m； 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的厚度相等， 且均为压电 半导体层1中央厚度的2倍。 所述第一压磁层2、 第二压磁层3与压电半导体层1的宽度相等。 所述第一压磁层2、 第二压磁层3与压电半导体层1的宽度和总厚度均为压电半导体层1长度 的0.1。 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的材料均为CoFe2O4。 所述压电半导体层1的材料为 ZnO。 所述线圈产生的磁场方向与第一压磁层2、 第二压磁层3的极化轴方向相同， 且所述线 圈产生的磁场强度H为： 0045 其中， n为线圈的匝数； I为流过线圈的电流大小， l为单匝线圈的长度， 单匝线圈的 。

27、长度为10cm。 0046 当线圈和流经线圈的电流不变时， 通过改变压电半导体层的两端电压来控制电路 的状态。 给正向电压足够大以克服势阱势垒， 即正向电压超过正向电路导通与断开的电压 阈值， 则电路正向导通； 给反向电压足够大以克服势阱势垒， 即反向电压超过反向电路导通 与断开的电压阈值， 则电路反向导通； 给两端电压不够大， 即电压在上述两个电压阈值的范 围内， 则电路不能导通。 0047 同时， 压电半导体层的两端电压不变时， 也可以通过调控线圈产生的磁场来控制 电路的状态。 不施加磁场， 则压电半导体层的电路导通， 电流方向由两端电压确定。 施加磁 场时， 引起压电半导体层形成局部势阱。

28、势垒， 进一步阻碍纵向电流， 即减弱电流。 当施加的 磁场所形成势阱势垒不能使得电路断开， 则磁场小于电路导通与断开的阈值； 当施加的磁 场所形成势阱势垒使得电路断开， 则磁场超过电路导通与断开的阈值。 0048 总之， 可以通过调控压电半导体层的两端电压和线圈产生的磁场大小来调控流经 压电半导体层的电流状态和大小， 使得该器件可以实现电信号的正向电路导通、 电路截至、 反向电路导通， 即电路的三种状态。 0049 实施例2 0050 如图3提供了一种基于局部压磁-压电半导体器件， 该压磁-压电半导体器件由第 一压磁层2、 第二压磁层3、 压电半导体层1、 电极4、 线圈6、 直流电流源7、 。

29、电源5构成； 所述压 电半导体层1的两端分别与电极4固定连接， 电极4与电源5串联； 所述压电半导体层1的上下 侧均设有凹槽， 第一压磁层2、 第二压磁层3分别设置于压电半导体层1的凹槽中。 且所述第 一压磁层2、 第二压磁层3与压电半导体层1设置于线圈6中， 所述线圈6的两端与直流电流源 7串联。 图3中压电半导体层1向右的箭头表示压电半导体层的c轴方向， 图3中左上角的坐标 系为压电半导体层的材料坐标系； 图3中第一压磁层2、 第二压磁层3中向上的箭头表示压磁 层的极化方向， 图3中右上角的坐标系为压磁层的材料坐标系。 当该压磁-压电半导体器件 处于沿压磁层的极化方向的磁场， 第一压磁层2。

30、和第二压磁层3由于压磁常数h31产生纵向伸 说明书 5/6 页 7 CN 211789031 U 7 缩， 使得压电半导体层1也会产生纵向伸缩。 0051 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的长度相等， 且均为压电半导体层1长度的0.01， 所述压电半导体层1的长度为10 m。 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的厚度相等， 且均为压 电半导体层1中央厚度的1/6倍， 所述第一压磁层2、 第二压磁层3与压电半导体层1的宽度相 等。 所述第一压磁层2、 第二压磁层3与压电半导体层1的宽度和总厚度均为压电半导体层1 长度的0.05。 所述第一压磁层2、 第二压磁层3的材料均为CoFe2O4。 所述压电。

31、半导体层1的材 料为ZnO。 所述线圈产生的磁场方向与第一压磁层2、 第二压磁层3的极化轴方向相同， 且所 述线圈产生的磁场强度H为： 0052 其中， n为线圈的匝数； I为流过线圈的电流大小， l为单匝线圈的长度， 单匝线圈的 长度为1cm。 0053 当线圈和流经线圈的电流不变时， 通过改变压电半导体层的两端电压来控制电路 的状态。 给正向电压足够大以克服势阱势垒， 即正向电压超过正向电路导通与断开的电压 阈值， 则电路正向导通； 给反向电压足够大以克服势阱势垒， 即反向电压超过反向电路导通 与断开的电压阈值， 则电路反向导通； 给两端电压不够大， 即电压在上述两个电压阈值的范 围内， 。

32、则电路不能导通。 0054 同时， 压电半导体层的两端电压不变时， 也可以通过调控线圈产生的磁场来控制 电路的状态。 不施加磁场， 则压电半导体层的电路导通， 电流方向由两端电压确定。 施加磁 场时， 引起压电半导体层形成局部势阱势垒， 进一步阻碍纵向电流， 即减弱电流。 当施加的 磁场所形成势阱势垒不能使得电路断开， 则磁场小于电路导通与断开的阈值； 当施加的磁 场所形成势阱势垒使得电路断开， 则磁场超过电路导通与断开的阈值。 0055 总之， 可以通过调控压电半导体层的两端电压和线圈产生的磁场大小来调控流经 压电半导体层的电流状态和大小， 使得该器件可以实现电信号的正向电路导通、 电路截至、 反向电路导通， 即电路的三种状态。 说明书 6/6 页 8 CN 211789031 U 8 图1A 图1B 说明书附图 1/3 页 9 CN 211789031 U 9 图2 说明书附图 2/3 页 10 CN 211789031 U 10 图3 说明书附图 3/3 页 11 CN 211789031 U 11 。