一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其包括以下步骤：采用磁控溅射方法在YIG基片上生长纳米厚度的Pt薄膜，采用紫外线光刻和氩离子刻蚀方法将Pt薄膜加工成“艹”字形霍尔结；在“艹”字形霍尔结的纵向外加正弦电流；在“艹”字形霍尔结横向即平行于霍尔结表面且垂直于所加正弦电流的方向外加偏置磁场；利用外加的正弦电流和偏置磁场共同调节YIG基片的磁化强度，并利用自旋霍尔磁电阻效应调节Pt薄膜的电阻，生成忆阻器。本发明直接将电荷量与磁通量用忆阻系数相联系，避免了阻变随机存储器不涉及磁效应的问题。本发明可以广泛应用于忆阻器的设计中。
【专利说明】—种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种忆阻器的实现方法，特别是关于一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法。
【背景技术】
[0002]作为一种基于电信号与磁信号转化并能够形成具有高低阻态电流-电压回线的记忆电阻的二端器件，忆阻器在信息存储、人工智能方面具有广泛的应用前景。同时，忆阻器将电荷量和磁通量联系在一起，能够保证电路理论的对称性。因此，忆阻器与电容、电阻以及电感并列为电子电路中的四大基本元件。忆阻器需要满足以下条件:(I)电流-电压曲线是滞回的环形；(2)使电流与电压具有滞回性的过程中必须有磁信号参与。长期以来，寻找忆阻器的物理模型成为一项研究热点。近年，阻变随机存储器被认为是忆阻器，但其不涉及磁效应，并不是严格意义上的忆阻器。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是提供一种直接将电荷量与磁通量用忆阻系数相联系的基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法。
[0004]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其包括以下步骤:1)采用磁控溅射方法在YIG基片上生长纳米厚度的Pt薄膜，采用紫外线光刻和氩离子刻蚀方法将Pt薄膜加工成字形霍尔结；2)在字形霍尔结的纵向外加正弦电流；3)在字形霍尔结横向即平行于霍尔结表面且垂直于所加正弦电流的方向外加偏置磁场；4)利用步骤2)外加的正弦电流和步骤3)外加的偏置磁场共同调节YIG基片的磁化强度，并利用自旋霍尔磁电阻效应调节Pt薄膜的电阻，生成忆阻器。
[0005]所述步骤I)中，字形霍尔结由一个纵向Pt薄膜和两个横向Pt薄膜构成，两个横向Pt薄膜间隔设置在纵向Pt薄膜上，并与纵向Pt薄膜一体成型。
[0006]所述步骤I)中，采用磁控溅射方法在YIG基片上生长的Pt薄膜厚度为3nm。
[0007]所述步骤2)中，在“#”字形霍尔结纵向外加的正弦电流为I = 800sin(t/146.4)
mAo
[0008]所述步骤3)中，外加的偏置磁场为:从t = O时刻起，当电流增大时，该偏置磁场为零；当电流减小时，该偏置磁场为2000e。
[0009]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明由于采用磁控溅射方法在YIG基片上生长纳米厚度的Pt薄膜，采用紫外线光刻和氩离子刻蚀方法将Pt薄膜加工成字形霍尔结；在“*”字形霍尔结的纵向外加正弦电，在字形霍尔结横向即平行于霍尔结表面且垂直于所加正弦电流的方向外加偏置磁场；利用外加的正弦电流和偏置磁场共同调节YIG基片的磁化强度，并利用自旋霍尔磁电阻效应调节Pt薄膜的电阻，生成忆阻器，因此本发明直接将电荷量与磁通量用忆阻系数相联系，避免了阻变随机存储器不涉及磁效应的问题。2、本发明通过电流调控磁场，磁场反过来影响电阻的设计方法能够为基于各种磁电阻效应的忆阻器设计、为具有记忆电感或记忆电容功能的器件的设计提供指导。基于以上优点，本发明可以广泛应用于忆阻器的设计中。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是忆阻器的结构示意图
[0011]图2是本发明实施例中电流-电压滞回曲线图
[0012]图3是本发明实施例中磁化强度-电荷量曲线图
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0014]本发明基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其包括以下步骤:
[0015]I)如图1所示,采用磁控派射方法在YIG(Yttrium Iron Garnet乾铁石槽石)基片上生长纳米厚度的Pt薄膜，采用紫外线光刻和氩离子刻蚀方法将Pt薄膜加工成字形霍尔结；其中，字形霍尔结由一个纵向Pt薄膜和两个与纵向Pt薄膜垂直的横向Pt薄膜构成，两个横向Pt薄膜间隔设置在纵向Pt薄膜上，并与纵向Pt薄膜一体成型。
[0016]2)在字形霍尔结的纵向外加正弦电流，当正弦电流有足够大的峰值时，它产生的静磁场使YIG饱和磁化。
[0017]3)在字形霍尔结横向即平行于霍尔结表面且垂直于所加正弦电流的方向外加偏置磁场。
[0018]4)利用步骤2)外加的正弦电流和步骤3)外加的偏置磁场共同调节HG基片的磁化强度，并利用自旋霍尔磁电阻效应调节Pt薄膜的电阻，生成忆阻器。
[0019]实施例:采用本发明基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，设计以下忆阻器，其具体包括以下步骤:
[0020]I)采用磁控溅射方法在YIG基片上生长3nm厚的Pt薄膜，采用紫外线光刻和氩离子刻蚀方法将Pt薄膜加工成字形霍尔结。
[0021]2)在字形霍尔结的纵向外加正弦电流I = 800sin(t/146.4)mA，将Pt薄膜视为无限大的电流平面，利用磁感应强度与电流之间的关系式:
[0022]B = μ 0I2d (I)
[0023]计算正弦电流产生的静磁场。
[0024]式中，d表示Pt薄膜的宽度，μ ^为真空磁导率。
[0025]将真空磁导率μ 0 = 4 31 X 10'外加正弦电流I = 800sin (t/146.4)mA和Pt薄膜的宽度d = 50 μ m均代入式(I)，计算得到外加正弦电流I产生的静磁场B的峰值为1000e。
[0026]3)在霍尔结横向即平行于霍尔结表面且垂直于正弦电流的方向外加偏置磁场,外加的偏置磁场为:从t = O时刻起，当电流增大时，该偏置磁场为零；当电流减小时，该偏置磁场为2000e。
[0027]由于高低电阻之差很小，为容易分辨，采用实际电压与低阻态电压的差值U作为待测电压，用欧姆定律:
[0028]U=IAR=I (R-Rlow) (2)[0029]计算待测电压U。
[0030]式中，R为电流I时Pt薄膜的电阻，Rlow为低阻态阻值，Rlow = 1313.9 Ω。
[0031 ] 根据式(2)，画出电流-电压关系图，如图2所示，得到电流-电压滞回曲线。
[0032]4)如图3所示，根据O时刻到1/4周期内的电流值，计算得到霍尔结的磁化强度-电荷量曲线。该曲线上每一点斜率的倒数为该电荷量q对应的忆阻系数M。采用磁化强度-电荷量曲线的最高点和原点连线斜率的倒数值作为忆阻系数的标定值Mtl, M0 =0.48emu/C。给定外加电流，忆阻系数的标定值Mtl与忆阻器的电流-电压曲线一一对应。
[0033]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其包括以下步骤: 1)采用磁控溅射方法在YIG基片上生长纳米厚度的Pt薄膜，采用紫外线光刻和氩离子刻蚀方法将Pt薄膜加工成字形霍尔结； 2)在字形霍尔结的纵向外加正弦电流； 3)在字形霍尔结横向即平行于霍尔结表面且垂直于所加正弦电流的方向外加偏置磁场； 4)利用步骤2)外加的正弦电流和步骤3)外加的偏置磁场共同调节HG基片的磁化强度，并利用自旋霍尔磁电阻效应调节Pt薄膜的电阻，生成忆阻器。
2.如权利要求1所述的一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其特征在于:所述步骤I)中，字形霍尔结由一个纵向Pt薄膜和两个横向Pt薄膜构成，两个横向Pt薄膜间隔设置在纵向Pt薄膜上，并与纵向Pt薄膜一体成型。
3.如权利要求1所述的一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其特征在于:所述步骤I)中，采用磁控溅射方法在YIG基片上生长的Pt薄膜厚度为3nm。
4.如权利要求2所述的一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其特征在于:所述步骤I)中，采用磁控溅射方法在YIG基片上生长的Pt薄膜厚度为3nm。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其特征在于:所述步骤2)中，在字形霍尔结纵向外加的正弦电流为I =800sin(t/146.4)mA。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其特征在于:所述步骤3)中，外加的偏置磁场为:从t = O时刻起，当电流增大时，该偏置磁场为零；当电流减小时，该偏置磁场为2000e。
7.如权利要求5所述的一种基于自旋霍尔磁电阻效应的忆阻器的实现方法，其特征在于:所述步骤3)中，外加的偏置磁场为:从t = O时刻起，当电流增大时，该偏置磁场为零；当电流减小时，该偏置磁场为2000e。
【文档编号】H01L43/14GK104009155SQ201410264504
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】宋成, 憨家豪, 潘峰 申请人:清华大学