双磁性势垒隧道结以及包括其的自旋电子学器件的制作方法

文档序号:9689545阅读:752来源:国知局
双磁性势垒隧道结以及包括其的自旋电子学器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及自旋电子学领域,更特别地,涉及一种双磁性势皇隧道结、以及 包括该双磁性势皇隧道结的自旋电子学器件,这样的自旋电子学器件包括但不限于自旋二 极管、自旋晶体管、磁敏传感器、磁存储器、自旋振荡器、温度传感器和自旋逻辑器件等。
【背景技术】
[0002] 自1975年在Fe/Ge/Co多层膜中发现隧穿磁电阻(TMR)效应以及1988年在磁性多层 膜中发现巨磁电阻效应(GMR)以来,自旋电子学中的物理和材料科学的研究和应用取得了 很大进展,尤其是磁性隧道结中自旋相关电子的隧穿输运性质和隧穿磁电阻效应已成为凝 聚态物理中的重要研究领域之一。1995年Miyazaki等人和Moderola等人分别在"铁磁金属/ A1-0绝缘势皇/铁磁金属"中发现了高的室温隧穿磁电阻效应,再次掀起了磁电阻效应的研 究浪潮。2000年,Butler等人通过第一性原理研究发现,对于单晶MgO(OOl)势皇磁性隧道 结,隧穿时s带多子电子(Δ1对称性,自旋向上)起主导作用,可以得到巨大的隧穿磁电阻。 这个理论在2004年由日本的Yuasa等人和美国的Parkin等人在实验上证实。目前,人们在基 于Mg0(001)势皇的磁性隧道结中已经获得室温超过600%的TMR值。在器件应用方面,1993 年Johnson提出了一种由铁磁性金属发射极、非磁性金属基极和铁磁性金属集电极组成的 "铁磁性金属/非磁性金属/铁磁性金属"三明治全金属自旋晶体管结构(参见M.Johnson的 文章Science260(1993)320)。这种全金属晶体管的速度可与半导体Si器件相比拟,但能耗 低10-20倍,密度高约50倍,且耐辐射,具有记忆功能,可以应用于未来量子计算机的各种逻 辑电路、处理器等;1994年,IBM研发出利用巨磁电阻效应的读头,使硬盘存储密度提高17 倍,达到3Gb/in2; 2009年,希捷公司采用MgO磁性隧道结材料做出磁头,使硬盘演示盘存储 密度达到 800Gbits/in2。
[0003] 如上所述,目前的GMR自旋阀和TMR隧道结均采用了 "磁层/间隔层/磁层"的三明治 结构,其中对于GMR自旋阀而言,间隔层一般使用诸如Cu、Ru之类的非磁导电金属层,而对于 TMR隧道结而言,间隔层一般使用诸如Al203、Mg0之类的非磁绝缘层。利用两个磁层的磁矩的 平行和反平行配置来产生磁致电阻。
[0004]人们在单势皇磁性隧道结的研究方面已经取得了显著成果,但是单势皇隧道结材 料在实际应用中还面临着许多问题,如TMR值将随外加电压增加而急剧下降。1997年Zhang 等人从理论上预言了具有量子共振隧穿效应的双势皇隧道结的TMR值是单势皇隧道结的2 倍,并且TMR值随偏压的增加下降较缓慢(参将Zhang等人的文章Phys.Rev.B56( 1997) 5484)。进而基于磁性隧道结可能产生的量子效应已经成为一个重要的研究课题。2005年Lu 等人利用第一性原理计算的结果预测了Fe/MgO/Fe/Cr结构的磁性隧道结的铁磁金属层Fe 中s带电子量子阱态所导致的自旋相关共振隧穿效应(参见Zhong-YiLu等人的文章 Phys.Rev.Lett.94(2005)207210)。2006年,Wang等人利用第一性原理计算发现这种基于 Mg0(001)势皇的双磁性势皇隧道结中随着中间层铁的厚度变化所产生的量子阱分布。同 年,Nozaki等人在这种双磁性势皇隧道结中发现通过中间铁层中电子的量子阱态导致的隧 穿电导随偏压的振荡效应。
[0005]然而,基于MgO(OOl)势皇的双势皇磁性隧道结的量子共振隧穿效应在实验上并不 明显。为了能获得实验上可观察到的量子共振隧穿效应,发明专利CN201510382329.3中提 出了在磁性隧道结中使用具有类尖晶石晶体结构的非磁绝缘势皇层。虽然在该结构中可观 察到显著的量子共振隧穿效应,但是该结构与基于MgO势皇层的传统双势皇磁性隧道结具 有同样的问题:由于两个势皇层之间的作为势阱的中间磁层的厚度非常薄,一般在〇.5-5nm 的范围,因此很难使蚀刻工艺精确地停止在中间磁层处以暴露和引出中间磁层。这个问题 也阻碍了双势皇磁性隧道结在各种自旋电子学器件中的实际应用。
[0006]因此,需要继续探索新的双势皇磁性隧道结,其能够克服上述问题中的一个或多 个。

【发明内容】

[0007] 本发明提出了一种新颖的双磁性势皇隧道结结构。顾名思义,该双磁性势皇隧道 结结构包括两个磁性势皇层,因此其完全不同于传统的包括两个非磁势皇层的隧道结。另 一方面,本发明的双磁性势皇隧道结的三个导电层中的至少一个可以由非磁导电材料形 成,在一些实施例中,这三个导电层可以均由非磁导电材料形成,因此也不同于传统的包括 三个磁性导电层的隧道结结构。
[0008] 根据本发明一示范性实施例,一种双磁性势皇隧道结可包括:第一导电层;设置在 所述第一导电层上的第一势皇层;设置在所述第一势皇层上的第二导电层;设置在所述第 二导电层上的第二势皇层;以及设置在所述第二势皇层上的第三导电层,其中,所述第一势 皇层和所述第二势皇层中的每个都由磁性绝缘材料形成。
[0009]在一示例中,所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层中的至少一个 由非磁导电材料形成。
[0010] 在一示例中,所述磁性绝缘材料包括:R3Fe5012,其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、0又、!1〇4『、1'111、¥13和1^;]\^62〇4,其中]?是]\111、211、(:11、附、]\^和(:0;以及卩63〇4、8&卩612〇19、和 SrFei2〇i9。所述第一势皇层和所述第二势皇层每个的厚度在0.6nm至8nm的范围。
[0011] 在一示例中,所述第一势皇层具有固定磁化方向,所述第二势皇层具有自由磁化 方向。
[0012] 在一示例中,所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层每个都由非磁 导电材料形成。
[0013]在一示例中,所述第一导电层由反铁磁导电材料或硬磁导电材料形成以固定所述 第一势皇层的磁化方向。
[0014]在一示例中,当所述第一导电层由硬磁导电材料形成时,所述双磁性势皇隧道结 还包括设置在所述第一导电层和所述第一势皇层之间的耦合层,其通过将所述第一导电层 和所述第一势皇层铁磁或反铁磁耦合来固定所述第一势皇层的磁化方向。
[0015] 在一示例中,所述第二导电层由(^11、48、0、411或1?11形成。
[0016]在一示例中,所述第二导电层由磁性导电材料形成,所述第二导电层的磁化方向 与所述第一势皇层的磁化方向相同,并且所述双磁性势皇隧道结还包括设置在所述第二导 电层与所述第二势皇层之间的磁去耦层以将所述第二导电层和所述第二势皇层磁去耦。
[0017] 在一示例中,所述第二导电层直接接触所述第一势皇层或通过中间耦合层铁磁耦 合到所述第一势皇层。
[0018] 在一示例中,所述第二导电层的厚度小于其自旋扩散长度。
[0019] 在一示例中,所述第二导电层的厚度小于其弹性散射自由程。
[0020] 在一示例中,所述第二导电层形成为具有晶体结构或准晶体结构。
[0021] 在一示例中,所述第三导电层由软磁材料形成,并且,所述第三导电层直接接触所 述第二势皇层或者通过中间耦合层铁磁耦合到所述第二势皇层,使得所述第三导电层和所 述第二势皇层的磁化方向彼此相同。
[0022] 根据本发明另一示范性实施例,一种自旋电子学器件可包括上述双磁性势皇隧道 结中的任何一种。
[0023] 在一示例中,所述自旋电子学器件是自旋二极管、自旋晶体管、磁敏传感器、磁存 储器、自旋振荡器、温度传感器或自旋逻辑器件。
[0024] 在一示例中,所述自旋电子学器件是自旋晶体管,所述第一导电层用作所述自旋 晶体管的发射极,所述第二导电层用作所述自旋晶体管的基极,并且所述第三导电层用作 所述自旋晶体管的集电极。
[0025] 在一示例中,所述自旋电子学器件是温度传感器,所述第一导电层由反铁磁材料 或硬磁材料形成以钉扎所述第一势皇层的磁化方向,所述第三导电层由反铁磁材料或硬磁 材料形成以钉扎所述第二势皇层的磁化方向,从而使得所述第一势皇层的磁化方向和所述 第二势皇层的磁化方向彼此反平行。
[0026] 根据本发明另一示范性实施例,一种单磁性势皇隧道结可包括:第一导电层;设置 在所述第一导电层上的第一磁层,所述第一磁层由磁性绝缘材料形成;设置在所述第一磁 层上的第二导电层;设置在所述第二导电层上的第二磁层,所述第二磁层由磁性导电材料 形成;以及设置在所述第二磁层上的第三导电层。
[0027]在一不例中,所述第一导电层和所述第三导电层中的一个由反铁磁材料或硬磁材 料形成以固定所述第一磁层和所述第二磁层中的对应一个的磁化方向,所述第一导电层和 所述第三导电层中的另一个以及所述第二导电层由非磁导电材料形成。
【附图说明】
[0028]图1示出根据本发明一示范性实施例的双磁性势皇
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