磁电隔离器、磁存储器、磁电流传感器和磁温度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种能利用磁子来传输信息的自旋电子学器件，所述自旋电子学器件可以是磁电隔离器、磁存储器、磁电流传感器或磁温度传感器。
【背景技术】
[0002]传统的电子学器件都是利用电子的电荷属性来工作的。随着大规模集成电路的集成密度不断提升，单个器件的尺寸不断向更小的方向发展。在纳米尺度下，电子学器件面临很多的挑战，例如，量子效应开始影响电路的行为。因此，开发新型电路对于集成电路的发展具有非常重要的意义。
[0003]近二十年来，自旋电子学得到了长足的发展。电子除了电荷自由度之外，还具有自旋自由度。自旋是电子与生倶来的一个角动量，不同自旋的电子在输运过程中表现出不同的行为。通过对电子自旋的操控，已经为理论研究和应用科学开启了另一扇大门，许多新颖的自旋相关物理现象相继被发现，因此也产生了许多新颖的基于自旋自由度的器件。例如，已经提出了磁随机存取存储器、磁传感器、磁振荡器、自旋晶体管等等，并且其中的一些已经被广泛使用。
【发明内容】
[0004]在现有的自旋电子学器件中，自旋仍是借助于电流来传输的，因此只能在导体中传输。通过使用特殊的材料，例如铁磁金属，可以产生自旋极化的电流，一般简称为自旋流。本发明人发现，自旋也可以利用磁子在磁性绝缘材料中传输。磁子，亦称为自旋波，是磁材料基态的元激发，同时携带有一个角动量，因此可以作为信息的载体。与传统的自旋电子学相比，基于磁性绝缘体的磁子流可以实现纯的自旋信息传播，而不会与电子的电荷自由度耦合。由于不包含电荷的输运，所以基于磁子流的信息传递基本不会产生热损耗，从而能够大幅度降低器件的功耗。
[0005]本发明的一个方面在于提供一种磁电隔离器，其可包括:第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，例如电压信号或电流信号。
[0006]在一些实施例中，所述第一电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电信号沿所述第一方向产生在所述第二电极层上。
[0007]在一些实施例中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。所述磁性绝缘层的厚度为lnm至50 μ m。
[0008]在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。所述第一电极层和所述第二电极层之间的间距为3nm至50 μ mD
[0009]在一些实施例中，所述磁性绝缘层由从包括如下材料的组中选择的材料形成:R3Fe5012，其中 R 是 Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu ;MFe204，其中 M 是 Μη、
Zn、Cu、N1、Mg 或 Co ;Fe304、BaFe12019、SrFe12019。
[0010]在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层中的每个由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应AHE材料形成。
[0011 ] 在一些实施例中，所述SHE材料包括:Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、B1、Pb、Hf、Y，或它们的组合；IrMn、PtMn、AuMn ;Bi2Se3、Bi2Te3。所述 AHE 材料包括:Fe、Co、N1、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，或它们的组合。
[0012]在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层中的每个的厚度为0.6nm至100nmo
[0013]在一些实施例中，所述第一电极层连接到第一电极端子和第二电极端子以用于施加沿所述第一方向的所述第一电流，并且所述第一电极层还连接到第三电极端子和第四电极端子以用于施加沿所述第二方向的第二电流，所述第二电流用于将所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第一方向上，并且当取消所述第二电流时，所述磁性绝缘层的磁化稳定在所述第一方向上。
[0014]在一些实施例中，所述磁电隔离器还包括:第三电极层，由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应AHE材料形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上，并且用于施加沿所述第二方向的第二电流，所述第二电流用于将所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第一方向上，并且当取消所述第二电流时，所述磁性绝缘层的磁化稳定在所述第一方向上。
[0015]在一些实施例中，所述第一方向是所述磁性绝缘层的易磁化轴方向和形状各向异性方向之一，所述第二方向是所述易磁化轴方向和所述形状各向异性方向中的另一个。
[0016]在一些实施例中，当所述磁性绝缘层的磁化稳定在所述第一方向上时，所述磁性绝缘层的磁化能通过施加大于预定阈值的所述第一电流而恢复到所述第二方向上。
[0017]本发明的另一方面提供一种具有多个存储单元的磁存储器，每个存储单元包括:第一电极层，其在施加有沿第一方向的第一电流时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，所述磁性绝缘层的磁化能在所述第一方向与第二方向之间切换，所述第二方向垂直于所述第一方向；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，其中，当所述磁性绝缘层的磁化在所述第二方向上时，所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，且其中，当所述磁性绝缘层的磁化在所述第一方向上时，所述第一电极层产生的自旋流基本不能在所述磁性绝缘层中激发磁子流，从而所述第二电极层不能生成所述电信号。
[0018]在一些实施例中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
[0019]在一些实施例中，所述第一电极层连接到第一电极端子和第二电极端子以用于施加所述第一电流，并且所述第一电极层还连接到第三电极端子和第四电极端子以用于施加沿所述第二方向的第二电流，当所述第一电流大于一预定阈值时，能使所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第二方向上，当所述第二电流大于一预定阈值时，能使所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第一方向上。
[0020]在一些实施例中，所述第一方向是所述磁性绝缘层的易磁化轴方向和形状各向异性方向之一，所述第二方向是所述易磁化轴方向和所述形状各向异性方向中的另一个。
[0021]在一些实施例中，所述第一电极层的所述第一电极端子和所述第三电极端子分别通过第一晶体管和第三晶体管连接到第一位线，并且所述第一电极层的所述第二电极端子和所述第四电极端子分别通过第二晶体管和第四晶体管连接到第一源极线，所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端子连接到第一控制线，并且所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端子连接到第二控制线。所述第二电极层通过第五电极端子连接到第二位线，并且通过第六电极端子连接到第二源极线，所述第五电极端子和所述第六电极端子排列在所述第一方向上。在所述第六电极端子和所述第二源极线之间串联连接有第五晶体管，所述第五晶体管的控制端子连接到选择线。
[0022]本发明的另一方面提供一种磁电流传感器，其包括:第一电极层，其在待测电流流过时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，所述电信号的幅度大小与所述待测电流成正比。
[0023]在一些实施例中，所述待测电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电压信号沿所述第一方向生成在所述第二电极层上。
[0024]在一些实施例中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
[0025]在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。
[0026]本发明的另一方面提供一种磁温度传感器，其包括:第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，所述电压信号的幅度大小与环境温度成正比。
[0027]在一些实施例中，所述第一电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电压信号沿所述第一方向生成在所述第二电极层上。
[0028]在一些实施例中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
[0029]在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。
[0030]本发明的另一方面提供一种自旋电子学器件，其包括:第一电极层，其由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应材料形成；磁性绝缘层，其接触所述