一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构的制作方法

本实用新型涉及一种磁阻结构，尤其是一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构。

背景技术：

存储是信息领域的核心问题。高密度、响应快、低能耗的存储，是未来存储器发展的要求，也是信息社会高速发展的必然趋势。传统存储器是基于电荷的存储器，这类存储器本质上是通过电容的充放电来实现。通过磁场调控其磁阻而实现存储，具有能耗高，噪声大、散热慢等缺点。自1988年巨磁阻效应发现以来，作为一门新兴的学科，自旋电子学正逐渐步入我们的视野。人们正通过对电子自旋的调控，以克服目前仅利用电子电荷这一自由度所产生的器件尺寸及集成度等物理极限，研制出功耗更小、数据处理更快、集成密度更高的新型元器件，为现代信息技术发展带来质的飞跃。

典型的磁存储器(mram)利用磁性隧道结的电阻变化实现存储，即底下一层薄膜是铁磁材料(钉扎层)，其磁自旋方向固定；中间一层是隧穿层；上面一层是自由层，其自旋方向可以在外加应力的情况下改变。如果自由层的自旋方向和钉扎层的自旋方向一致，则隧道层处在低电阻的状态；反之则处于高阻状态。mram又分为传统的mram和stt-mram两类，前者采用磁场驱动，后者采用自旋极化电流驱动。对于传统的mram，由于在半导体器件中本身无法引入磁场，需要引入大电流来产生磁场，因而需要在结构中增加旁路。因此，这种结构功耗较大，而且也很难进行高密度集成。若采用极化电流驱动，即stt-mram，则不需要增加旁路，因此功耗可以降低，集成度也可以大幅提高。磁各向异性可控的磁性薄膜是实现stt-mram结构高密度磁存储器等自旋电子器件的理想材料。通过电场调控自旋方向使得磁矩可在垂直于膜面和平行于膜面方向进行翻转，即磁各项异性翻转，其驱动能耗是传统磁存储器的千分之一，且具有灵活的调节能力，显现出无以伦比的突出优势，对于实现高密度的存储具有重要意义。另外，磁矩在膜面的整齐排列，在半导体异质表面产生很强的等效磁场，增强自旋电子的larmor进动，抑制其去相位过程，有利于提高电流的注入极化率。同时，当其与自旋矩转移效应结合，还可制备出临界翻转电流密度低、磁化翻转速度快、热稳定性强的垂直易磁化自旋电子器件。因此，构建电可调的各向异性隧穿磁阻结构，实现电场诱导磁易轴在面内与面外间的可逆翻转，是开发新型、非易失性、低功耗自旋电子元器件的重要解决方案。

技术实现要素：

本实用新型鉴于磁电阻的设计需求，提出一种基于过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构的电可调的各向异性隧穿磁阻结构，该结构具有门电压可调的磁各向异性，并在自旋极化电流注入过程中呈现不同的高低磁阻态，可解决电场操纵磁各向异性、实现低功耗自旋电子元器件等问题。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，包括半导体基底半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；

所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向，所述该隧穿磁电阻结构可通过施加门电压对过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控铁磁金属纳米团簇的磁各向异性，使得从顶电极流经磁性参考层的自旋极化电流在隧穿注入至过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构过程中产生不同的高低磁阻态。

在一较佳实施例中：所述半导体基底半导体基底采用n型或p型掺杂的硅、锗，n型或p型掺杂的ⅲ-ⅴ族化合物半导体，n型或p型掺杂的ⅱ-ⅵ族化合物中的一种。

在一较佳实施例中：所述介电层采用氧化铝、氧化镁、二氧化铪、二氧化钛、六方氮化硼中的一种或几种的组合，其厚度为50～800nm。

在一较佳实施例中：所述石墨稀透明电极的厚度为1～3分子层。

在一较佳实施例中：所述过渡金属硫化物二维材料化学式为mx2，其中m＝mo、w，x＝s、se。

在一较佳实施例中：所述过渡金属硫化物二维材料的厚度为1～3分子层。

在一较佳实施例中：所述铁磁金属纳米团簇为由铁磁金属材料构成的纳米颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构中的一种，所述铁磁金属材料为铁、钴、镍金属中的一种或几种，或其合金。

在一较佳实施例中：所述铁磁金属材料构成的纳米颗粒状非周期性团簇结构的颗粒大小、颗粒间距，以及周期性团簇阵列结构的颗粒大小、颗粒间距均在1～500nm范围内。

在一较佳实施例中：所述隧穿层材料采用mgo、mgn、zno、al2o3、bn中的一种。

在一较佳实施例中：性参考层材料采用feco、cofeb、mnas、cras、cro2、crsb、nimnsb、tan、tao、tio或tin中的一种，其厚度d2满足范围0<d2<500nm。

相较于现有技术，本实用新型产生的有益效果是：本实用新型提供了一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，该器件可通过门电压调控过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构的磁各向异性；器件适用于0k≤t≤320k温度范围内，空气环境或真空环境中，采用全电学调控方式，可解决电场操纵磁各向异性、实现低功耗自旋电子元器件，以及器件集成与兼容性等问题。

附图说明

图1电可调的各向异性隧穿磁阻结构示意图。

图2载流子掺杂对ws2二维材料/co金属纳米团簇异质结构磁各向异性能的调控。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作详细说明，但本实用新型保护的范围不仅限于下述实施例：

本实施例结构如图1所示，包含括半导体基底半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；

所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向，所述该隧穿磁电阻结构可通过施加门电压对过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控铁磁金属纳米团簇的磁各向异性，使得从顶电极流经磁性参考层的自旋极化电流在隧穿注入至过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构过程中产生不同的高低磁阻态。

其中半导体基底半导体基底采用p型掺杂的si片，背栅电极采用ti/au

(10/60nm)电极，介电层采用300nm厚的al2o3，过渡金属硫化物二维材料采用单分子层ws2二维材料，厚度为0.8nm，石墨烯透明电极采用双分子层石墨烯薄膜，铁磁金属纳米团簇采用co金属构成的颗粒状非周期性团簇结构；团簇侧向尺度约为10nm，纵向高度约为5nm，且团簇形貌较为一致，隧穿层采用3分子层bn二维材料，磁性参考层采用厚度为40nm的feni合金薄膜，顶电极采用ni/au(10/60nm)电极。

本实用新型的制作方法如下：

第一步，通过化学清洗(使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗)获得清洁的p型掺杂的si半导体基底；

第二步，采用原子层沉积(ald)法在si半导体基底表面生长300nm厚的al2o3薄膜作为介电层；

第三步，采用转移技术制备石墨烯透明电极；

1)取一小片生长在铜箔上的单分子层石墨烯，在其表面旋涂一层pmma；待pmma固化后，用(nh4)2s2o8溶液(～1mol/l)将铜箔溶解；

2)将带有石墨烯的pmma转移到半导体基底表面，待残留液体晾干后，将半导体基底放置于加热台上，在120℃下加热1小时使石墨烯与半导体基底更紧密接触；

3)将转移了石墨烯的半导体基底浸泡于丙酮中数小时，以彻底溶解pmma；

4)重复以上步骤2～4，转移双分子层石墨烯薄膜，构成石墨烯透明电极；

第四步，采用化学气相沉积(cvd)方法在石墨烯薄膜上外延生长满覆盖的单层ws2二维材料；生长过程中采用高纯、s粉末、以及wo3粉末作为固态生长源；wo3粉末均匀平铺于石英舟中，将生长了al2o3薄膜的基底表面正对贴近wo3粉末，加热蒸发高纯s粉末，经由惰性气体携带至基底表面参与反应；生长在常压ar气氛围中进行，wo3粉末加热温度为700～1000℃，s粉末加热温度为150～350℃，生长时间为60～120min；

第五步，采用热蒸镀技术在半导体基底下表面制备ti/au背电极，控制ti/au的沉积厚度为10/60nm；

第六步，采用热蒸发方法在单层ws2二维材料上制备co金属纳米团簇：

1)将半导体基底放置于制备腔的磁力杆上，腔内放置一个直流加热灯丝，灯丝上挂载co金属源；

2)先用机械泵将腔内气压抽至低于10^-3torr，再用分子泵将气压抽至10^-8torr以下，然后通过直流加热灯丝将co金属源加热至1200℃左右，待30称后co金属源温度稳定，利用磁力杆将半导体基底推至co金属源正前方约10cm处；

3)分别控制沉积时间为40s后，利用磁力杆将半导体基底推至远离蒸发源，同时关闭直流加热电源，待30min后腔体基本冷却，向腔内通入氩气至大气压后取出半导体基底，并立即放置于氮气环境中保护以防止氧化；

第七步，采用第五步所述转移方法，制备3分子层bn二维材料作为隧穿层；

第八步，采用磁控溅射方法在bn二维材料上制备feni磁性参考层；

1)将半导体基底放置于磁控溅射系统的真空腔中，先用机械泵将腔内气压抽至低于10^-3torr，再用涡轮分子泵将气压抽至10^-6torr以下。对feni靶材预溅射30min，以去除靶材表面氧化层及其它吸附杂质；

2)靶材处理完毕后，打开档板阀，在100v射频信号的条件对正下方的ws2二维材料表面溅射feni金属合金，控制溅射时间为2分钟，获得尺度为40nm的feni磁性参考层。

3)溅射完毕之后，关闭档板阀，向腔内通入氩气至大气压后取出半导体基底，并立即放置于氮气环境中保护以防止氧化。

第九步，采用热蒸镀技术在feni磁性参考层表面上制备ni/au顶电极，控制ni/au的沉积厚度为10/60nm，构成电可调的垂直式隧穿磁电阻结构。

以上所述仅为本实用新型的较佳实例而已，并不是用来限制本实用新型的，其他的凡是在本实用新型的相似原理、精神和原则之内所做的任何修改、替换和改进等，均应该包含在本实用新型的保护范围之内，本实用新型未详尽描述的内容均为常规技术内容。