一种自旋电荷转换结构、制备和测试方法以及相关器件

本申请涉及半导体器件，特别是涉及一种自旋电荷转换结构、制备和测试方法以及相关器件。

背景技术：

1、目前，基于自旋的新型磁性存储器，如stt-mram、sot-mram等，因其相较于传统存储技术而言具备非易失、存储速度快、低功耗等优势而受到广泛关注。

2、自旋流的产生、操作和探测决定了mram写入效率，是优化mram写入效率的关键，其中，如何实现电荷流-自旋流的高效转换是当前优化mram的主要方向之一。

3、由此，如何得到电荷流-自旋流转换效率更高的mram，成为当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、基于上述问题，本申请提供了一种自旋电荷转换结构、制备和测试方法以及相关器件，可以得到电荷流-自旋流转换效率更高的自旋电荷转换器件，在半导体工艺中应用本申请提供的自旋电荷转换器件，可以得到电荷流-自旋流转换效率更高的mram。

2、本申请实施例公开了如下技术方案：

3、第一方面，本申请实施例提供了一种自旋电荷转换结构，所述结构包括：衬底、拓扑绝缘体层、铁磁层、覆盖层以及金属电极；

4、所述拓扑绝缘体层、所述铁磁层以及所述覆盖层基于磁控溅射技术依次生长于所述衬底的第一表面；

5、所述金属电极基于蒸发镀膜工艺生长于所述覆盖层背离所述衬底的第一表面的一侧。

6、可选地，所述拓扑绝缘体层，选自mnbi2te4、bi2te3或pdmn3中的任意一项。

7、可选地，所述铁磁层，选自cofeb、nife、cofe、co或fe中的任意一项。

8、可选地，所述覆盖层为二氧化硅层。

9、可选地，所述衬底为非晶二氧化硅衬底或钛酸锶衬底。

10、第二方面，本申请实施例提供了一种自旋电荷转换结构的制备方法，所述方法包括：

11、提供衬底；

12、在所述衬底的第一表面上，基于磁控溅射技术依次生长拓扑绝缘体层、铁磁层和覆盖层，形成磁性薄膜；

13、基于预设的光刻及刻蚀流程，对所述磁性薄膜进行图形化；

14、在所述图形化后的磁性薄膜背离所述衬底的第一表面的一侧，通过蒸发镀膜工艺生长金属电极，得到自旋电荷转换结构。

15、第三方面，本申请实施例提供了一种自旋电荷转换结构的测试方法，所述方法包括：

16、提供衬底；

17、在所述衬底的第一表面上，基于磁控溅射技术依次生长拓扑绝缘体层、铁磁层和覆盖层，形成磁性薄膜；

18、将所述磁性薄膜图形化，形成待测试图形；所述待测试图形为霍尔棒图形；

19、在所述形成待测试图形后的磁性薄膜表面，通过蒸发镀膜工艺生长金属电极，得到待测试自旋电荷转换结构；

20、基于预设的二阶非线性测试方法，测试所述待测试自旋电荷转换结构的自旋电荷转换效率。

21、第四方面，本申请实施例提供了一种自旋电荷转换结构的测试方法，所述方法包括：

22、提供衬底；

23、在所述衬底的第一表面上，基于磁控溅射技术依次生长拓扑绝缘体层、铁磁层和覆盖层，形成磁性薄膜；

24、将所述磁性薄膜图形化，形成待测试图形；所述待测试图形为共面波导图形；

25、在所述形成待测试图形后的磁性薄膜表面，通过蒸发镀膜工艺生长金属电极，得到待测试自旋电荷转换结构；

26、基于自旋转矩铁磁共振技术，测试所述待测试自旋电荷转换结构的自旋电荷转换效率。

27、可选地，所述共面波导图形包括：电极区和待测样品区；所述待测样品的宽度取值范围为2微米至100微米，长度取值范围为5微米至200微米。

28、第五方面，本申请实施例提供了一种磁性存储器，所述磁性存储器包括上述第一方面中任一项所述的自旋电荷转换结构。

29、相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

30、本申请实施例提供了一种自旋电荷转换结构，该器件包括：衬底、拓扑绝缘体层、铁磁层、覆盖层以及金属电极；拓扑绝缘体层、铁磁层以及覆盖层基于磁控溅射技术依次生长于衬底的第一表面；金属电极基于蒸发镀膜工艺生长于覆盖层背离衬底的第一表面的一侧。由于该自旋电荷转换结构包括拓扑绝缘体层/铁磁层异质结构，其电荷流-自旋流转换效率更高，从而可以在半导体制造工艺中通过应用这样的自旋电荷转换结构来得到电荷流-自旋流转换效率更高的mram。此外，由于本申请实施例提供的自旋电荷转换结构中的磁性薄膜是通过磁控溅射技术，在衬底上依次生长拓扑绝缘体层、铁磁层以及覆盖层而形成的，所以可以在较为宽松的工艺条件下较大规模地制备这样的磁性薄膜，能够以较低的成本得到拓扑绝缘体/铁磁层异质结构，易于将其应用于半导体器件中。

技术特征：

1.一种自旋电荷转换结构，其特征在于，所述结构包括：衬底、拓扑绝缘体层、铁磁层、覆盖层以及金属电极；

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述拓扑绝缘体层，选自mnbi2te4、bi2te3或pdmn3中的任意一项。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述铁磁层，选自cofeb、nife、cofe、co或fe中的任意一项。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述覆盖层为二氧化硅层。

5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述衬底为非晶二氧化硅衬底或钛酸锶衬底。

6.一种自旋电荷转换结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

7.一种自旋电荷转换结构的测试方法，其特征在于，所述方法包括：

8.一种自旋电荷转换结构的测试方法，其特征在于，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述共面波导图形包括：电极区和待测样品区；所述待测样品的宽度取值范围为2微米至100微米，长度取值范围为5微米至200微米。

10.一种磁性存储器，其特征在于，所述磁性存储器包括权利要求1-5中任一项所述的自旋电荷转换结构。

技术总结
本申请公开了一种自旋电荷转换结构、制备和测试方法以及相关器件，可用于半导体器件领域，该结构包括：衬底、拓扑绝缘体层、铁磁层、覆盖层以及金属电极；其中，拓扑绝缘体层、铁磁层以及覆盖层基于磁控溅射技术依次生长于衬底的第一表面；金属电极基于蒸发镀膜工艺生长于覆盖层背离衬底的第一表面的一侧。由于该自旋电荷转换结构包括拓扑绝缘体层/铁磁层异质结构，其电荷流‑自旋流转换效率更高，从而可以在半导体制造工艺中通过应用这样的自旋电荷转换结构来得到电荷流‑自旋流转换效率更高的MRAM。

技术研发人员：龙世兵,夏超超,毕冲,高南
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16