CN106876395B

CN106876395B - 一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件

Info

Publication number: CN106876395B
Application number: CN201710047134.2A
Authority: CN
Inventors: 林晓阳; 罗枭; 赵巍胜; 张有光
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-01-22
Filing date: 2017-01-22
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2037-01-22
Also published as: CN106876395A

Abstract

本发明涉及一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件，该结构可以是磁隧道结、自旋注入构型等自旋电子结构的一部分。包括：铁磁金属电极；阻变隧穿层；铁磁金属电极或者自旋注入沟道。所述隧穿层，是在不同电压条件下电阻不同的阻变材料。包括但不限于氧化铪(HfO₂)，氧化钛(TiO₂)，五氧化二钽(Ta₂O₅),氧化锌(ZnO)，二氧化锆(ZrO₂)或其他阻变材料中的一种或者多种等。本发明提出了阻变隧穿层，通过使用压控电阻的阻变材料作为隧穿层，可以实现将隧穿电阻调控在合适区间内，提高自旋电子器件的性能或实现自旋注入效率的调控。

Description

一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件

【技术领域】

本发明涉及一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件，用于调控自旋电流的隧穿几率，属于自旋电子学领域。

【背景技术】

自旋电子学主要研究与电子电荷和自旋相关的过程，包括自旋流的产生、自旋注入、自旋输运、自旋检测及自旋控制，最终实现新型的电子器件，如自旋量子阱发光二极管、自旋p-n结二极管、磁隧道效应晶体管、自旋场效应晶体管等。很多自旋电子结构和器件都用到了隧穿层。

隧穿层的作用可以用量子隧穿效应解释。在两层金属(或者半导体)之间夹极薄的绝缘层，电子在其中一层金属(半导体)中可以被认为是自由的，而绝缘层构成了势垒，电子不易通过绝缘层。当电子能量小于势垒值时，经典力学中电子不能以负能量存在于绝缘层，所以无法穿过势垒。但是量子力学指出，电子具有波动性，其运动用波函数描述，由薛定谔方程可以解出电子在各个区域出现的概率密度，从而可以得到电子穿过势垒的概率。这里的绝缘层也可以称为隧穿层。

与自旋相关的隧穿效应的理论和实验证明，在铁磁金属/绝缘层/半导体(MIS)中或者铁磁层/绝缘层/铁磁层(MTJ)等结构中，隧穿层发挥着重要的作用。在铁磁金属中，自旋向上的多数载流子和自旋向下的少数载流子的电导有较大差别，从而可以得到自旋极化的电流。自旋极化的电流穿过隧穿层的几率与隧穿层的电阻有关。通过控制隧穿层的电阻，可以调控相关结构和器件的性能。

含有非阻变隧穿层的自旋电子结构会出现几个问题：第一，器件制备完后，其隧穿层的材料和厚度都已经确定，那么接触电阻也被确定，但是此接触电阻不一定对应最好的性能；第二，对于某些特殊器件，需要对自旋电流穿过隧穿层的几率进行调控，而非阻变隧穿层无法满足此要求。

【发明内容】

一、发明目的：

针对上述背景中提到的含有非阻变隧穿层的自旋电子结构存在的问题，本发明提出一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，可以使用氧化铪等阻变材料作为隧穿层，利用电压等参数改变隧穿层的电阻，进而调控自旋电流隧穿几率，从而保证所制备的器件性能达到最优。

二、技术方案：

本发明的技术方案是实现一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件。其特点是，可调控自旋电流穿过隧穿层的几率。本发明提出如下实施方案。

方案：当改变隧穿层的两端电压时，隧穿层的电阻发生变化。可以通过电场控制模块，调控隧穿层两端电压，使电阻处于所需的窗口之内或者某一特定电阻值，从而调节器件性能或调控自旋电流的隧穿几率。

本发明中的方案以磁性隧道结和非局域自旋注入构型为具体实例来说明。

实例一：

本发明一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，具体为一种磁性隧道结器件，其最下端为绝缘层，其上依次沉积普通金属电极、铁磁参考层、阻变隧穿层、铁磁自由层、普通金属电极，并在最上端沉积一个绝缘层。其特征在于：所述隧穿层是在不同电压条件下电阻不同的阻变材料。

所述铁磁层，包括钡铁氧体(BAM)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)、镧锶锰氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种。

所述隧穿层，包括但不限于氧化铪(HfO₂)，氧化钛(TiO₂)，五氧化二钽(Ta₂O₅),氧化锌(ZnO)，二氧化锆(ZrO₂)或其他阻变材料中的一种或者多种等。

所述绝缘层，包括SiO₂，Al₂O₃或其他绝缘材料中的一种或者多种。

针对本发明所述的含有阻变隧穿层的磁性隧道结结构，现提供一种可行的制备方式如下：

采用磁控溅射、电子束蒸发沉积等方法将底端电极沉积在绝缘层衬底上；然后依次通过磁控溅射、电子束蒸发沉积等方法将铁磁层、隧穿层、铁磁层沉积到底端电极上；最后通过磁控溅射、电子束蒸发沉积等方法镀顶端电极和绝缘层。制备过程中还需要采用微纳加工的方法(光刻、刻蚀、包埋、沉积)实现器件图形化。最终完成含有阻变隧穿层的磁性隧道结的制备。

实例二：

本发明一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，具体为一种非局域自旋注入器件。首先将自旋沟道制备在衬底上，衬底分为两层，下层为导电层，上层为绝缘层。然后在自旋沟道上的外侧两端各沉积一普通金属电极，自旋沟道中部两处分别依次沉积隧穿层、铁磁金属电极、绝缘层。

所述自旋沟道，包括金属、半导体、石墨烯等材料，且允许长距离自旋流输运的物质。

所述普通金属电极,包括金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)或其他非铁磁金属材料中的一种或多种。

所述铁磁金属电极，包括钡铁氧体(BAM)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)、镧锶锰氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种。

所述隧穿层，包括氧化铪(HfO₂)，氧化钛(TiO₂)，五氧化二钽(Ta₂O₅),氧化锌(ZnO)，二氧化锆(ZrO₂)或其他阻变材料中的一种或者多种等。

针对本发明所述的含有阻变隧穿层的非局域自旋注入构型器件，现提供一种可行的制备方式如下：

在导电层衬底上通过氧化等方法制备绝缘层衬底。采用磁控溅射、电子束蒸发或机械剥离等方法将自旋沟道制备在衬底上；然后通过电子束蒸发的方式在自旋沟道上的外侧两端各沉积一个Au电极；然后通过电子束蒸发的方式在自旋沟道中部两处分别沉积隧穿层，并通过磁控溅射的方式在隧穿层上方分别依次镀铁磁金属电极和绝缘层；制备过程中还需要采用微纳加工的方法(光刻、刻蚀、包埋、沉积)实现器件图形化。最终完成非局域自旋注入构型器件的制备。

三、优点及功效:

本发明提出了阻变隧穿层，通过使用压控电阻的阻变材料作为隧穿层，可以实现将隧穿电阻调控在合适区间内，提高自旋电子器件的性能或实现自旋注入效率的调控。

【附图说明】

图1为含有阻变隧穿层的自旋电子结构示意图。

图2为含有阻变隧穿层的磁性隧道结输运性质测量示意图。

图3为含有阻变隧穿层的非局域自旋注入器件示意图。

图4为图3所示的非局域自旋注入结构的ΔR/R与R_int/R_ch的关系。其中，ΔR/R是自旋信号，R_int/R_ch是接触电阻(R_int)和沟道电阻(R_ch)的比值。

【具体实施方式】

本发明提出了一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件，在磁性隧道结具体实例中，通过实现隧穿层电阻的调控，实现了自旋电流隧穿几率的调控，从而实现了隧穿磁阻的调控；在非局域自旋注入结构具体实例中，通过实现隧穿层电阻的调控，实现了自旋注入效率的调控。

参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸、工作模式中的电阻及电压值也非实际值。

在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。

图1为含有阻变隧穿层的自旋电子器件结构示意图，该结构可以是磁隧道结、自旋注入构型等自旋电子结构的一部分。结构包括：铁磁金属电极111；本发明所述阻变隧穿层121；铁磁金属电极或者自旋注入沟道131。

图2为含有阻变隧穿层的磁性隧道结输运性质测量示意图。该结构由电场控制模块和磁性隧道结构成。电场控制模块包括：绝缘层311、312，如氧化铝；恒压源。磁性隧道结包括：普通金属电极321、322如金；铁磁层331、332，如FeCo合金；阻变隧穿层341，如氧化铪。饱和磁化时，铁磁层331和铁磁层332的磁化方向相互平行，而通常两铁磁层的矫顽力不同，因此反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化方向首先翻转，使两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个铁磁层隧穿到另一个铁磁层的隧穿几率与两铁磁层的磁化方向的有关。通过测量两种情况下的电阻，得到磁阻信号ΔR/R。而自旋电流通过隧穿层341的几率还与隧穿层的电阻有关，因此，通过调控绝缘层311和312之间的电场来改变隧穿层341的电阻，可以实现隧穿几率的调控，从而可以实现隧穿磁阻的调控。

图3为含有阻变隧穿层的非局域自旋注入器件的方案。该结构由电场控制模块和非局域自旋注入结构组成。电场控制模块包括：衬底，衬底分为两层，下层为衬底导电层411，如Si，上层为衬底绝缘层421，如SiO₂。非局域自旋注入结构包括：普通金属电极431、432，如Au；自旋沟道441，如石墨烯；阻变隧穿层451、452，如氧化铪；铁磁金属电极461、462，如FeCo合金；绝缘层471、472，如Al₂O₃。

恒压源使得衬底绝缘层421与绝缘层471之间、衬底绝缘层421与绝缘层472之间形成电场。通过调控电场可以实现调控隧穿层451的电阻。不过注意，调控电场和自旋注入是交替进行的，不然恒压源和恒流源会相互干扰。

在铁磁金属电极461和普通金属电极431之间的恒流源控制输入电流I，铁磁金属电极462和普通金属电极432之间检测电压。由于铁磁金属电极对于两种自旋方向的电子的电导有差异，导致电流通过铁磁金属电极461时，这两种电子的数量不均等，其化学势也不等，从而在铁磁金属电极461下方形成自旋极化。极化电流在自旋沟道441中漂移和扩散，到达铁磁金属电极462下方时仍保持一定的化学势差，此化学势差被铁磁金属电极462探测到，具体表现为电势差。该电势差和输入电流的比值定义为ΔR，自旋信号为ΔR/R。理论分析表明，当接触电阻(R_int)和沟道电阻(R_ch)的比值R_int/R_ch在一定的区间内时，自旋信号ΔR/R可以达到最大值。因此，器件制备完毕后，在沟道电阻(R_ch)不变的情况下，通过电场控制模块调控隧穿层的阻值使接触电阻(R_int)在一定的阻值窗口内，就可以使该器件有最大的自旋信号。

Claims

1.一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，具体为一种磁性隧道结器件，其最下端为绝缘层，其上依次沉积普通金属电极、铁磁参考层、阻变隧穿层、铁磁自由层、普通金属电极，并在最上端沉积一个绝缘层；其特征在于：所述隧穿层是在不同电压条件下电阻不同的阻变材料；所述隧穿层为氧化铪(HfO₂)，氧化钛(TiO₂)，五氧化二钽(Ta₂O₅)，二氧化锆(ZrO₂)中的一种或者多种；所述铁磁层为钡铁氧体(BAM)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)、镧锶锰氧(LSMO)和赫斯勒合金中的一种或多种。

2.一种如权利要求1所述的自旋电子器件的制备方法，特征在于：该方法具体如下：采用磁控溅射或电子束蒸发沉积的方法将底端电极沉积在绝缘层衬底上；然后通过磁控溅射或电子束蒸发沉积的方法依次将铁磁层、隧穿层、铁磁层沉积到底端电极上；最后通过磁控溅射或电子束蒸发沉积的方法镀顶端电极和绝缘层；制备过程中还需要采用微纳加工的方法实现器件图形化，最终完成含有阻变隧穿层的磁性隧道结的制备。

3.一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，具体为一种非局域自旋注入器件；首先将自旋沟道制备在衬底上，衬底分为两层，下层为导电层，上层为绝缘层；然后在自旋沟道上的外侧两端各沉积一普通金属电极，自旋沟道中部两处分别依次沉积隧穿层、铁磁金属电极、绝缘层；其特征在于：所述隧穿层是在不同电压条件下电阻不同的阻变材料；所述隧穿层为氧化铪(HfO₂)，氧化钛(TiO₂)，五氧化二钽(Ta₂O₅)，二氧化锆(ZrO₂)中的一种或者多种。

4.根据权利要求3所述的一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，其特征在于：所述自旋沟道，包括金属、半导体、石墨烯材料，且允许长距离自旋流输运的物质。

5.根据权利要求3所述的一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，其特征在于：所述普通金属电极包括金(Au)、铂(Pt)或铜(Cu)。

6.根据权利要求3所述的一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，其特征在于：所述铁磁金属电极包括钡铁氧体(BAM)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)、镧锶锰氧(LSMO)或赫斯勒合金。

7.根据权利要求1或3所述的一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，其特征在于：所述绝缘层包括SiO₂或Al₂O₃。

8.一种如权利要求3所述的自旋电子器件的制备方法，特征在于：该方法具体如下：在导电层衬底上通过氧化的方法制备绝缘层衬底；采用磁控溅射、电子束蒸发或机械剥离的方法将自旋沟道制备在衬底上；然后通过电子束蒸发的方式在自旋沟道上的外侧两端各沉积一个普通金属电极；然后通过电子束蒸发的方式在自旋沟道中部两处分别沉积隧穿层，并通过磁控溅射的方式在隧穿层上方分别依次镀铁磁金属电极和绝缘层；制备过程中还需要采用微纳加工的方法实现器件图形化，最终完成非局域自旋注入构型器件的制备。