一種用阻變材料做隧穿層的自旋電子器件制造技術

本發明專利技術涉及一種用阻變材料做隧穿層的自旋電子器件，該結構可以是磁隧道結、自旋注入構型等自旋電子結構的一部分。包括：鐵磁金屬電極；阻變隧穿層；鐵磁金屬電極或者自旋注入溝道。所述隧穿層，是在不同電壓條件下電阻不同的阻變材料。包括但不限于氧化鉿(HfO

A spin electron device using barrier material as tunneling layer

The invention relates to a spin electron device using a barrier material as a tunneling layer, which may be part of a spin electron structure such as a magnetic tunneling junction, a spin injection configuration, etc.. Includes: ferromagnetic metal electrode; barrier tunneling layer; ferromagnetic metal electrode or spin injected channel. The tunneling layer is a barrier material with different resistances under different voltage conditions. Including, but not limited to, hafnium oxide (HfO

【技術實現步驟摘要】
一種用阻變材料做隧穿層的自旋電子器件
本專利技術涉及一種用阻變材料做隧穿層的自旋電子器件，用于調控自旋電流的隧穿幾率，屬于自旋電子學領域。
技術介紹
自旋電子學主要研究與電子電荷和自旋相關的過程，包括自旋流的產生、自旋注入、自旋輸運、自旋檢測及自旋控制，最終實現新型的電子器件，如自旋量子阱發光二極管、自旋p-n結二極管、磁隧道效應晶體管、自旋場效應晶體管等。很多自旋電子結構和器件都用到了隧穿層。隧穿層的作用可以用量子隧穿效應解釋。在兩層金屬(或者半導體)之間夾極薄的絕緣層，電子在其中一層金屬(半導體)中可以被認為是自由的，而絕緣層構成了勢壘，電子不易通過絕緣層。當電子能量小于勢壘值時，經典力學中電子不能以負能量存在于絕緣層，所以無法穿過勢壘。但是量子力學指出，電子具有波動性，其運動用波函數描述，由薛定諤方程可以解出電子在各個區域出現的概率密度，從而可以得到電子穿過勢壘的概率。這里的絕緣層也可以稱為隧穿層。與自旋相關的隧穿效應的理論和實驗證明，在鐵磁金屬/絕緣層/半導體(MIS)中或者鐵磁層/絕緣層/鐵磁層(MTJ)等結構中，隧穿層發揮著重要的作用。在鐵磁金屬中，自旋向上的多數載流子和自旋向下的少數載流子的電導有較大差別，從而可以得到自旋極化的電流。自旋極化的電流穿過隧穿層的幾率與隧穿層的電阻有關。通過控制隧穿層的電阻，可以調控相關結構和器件的性能。含有非阻變隧穿層的自旋電子結構會出現幾個問題：第一，器件制備完后，其隧穿層的材料和厚度都已經確定，那么接觸電阻也被確定，但是此接觸電阻不一定對應最好的性能；第二，對于某些特殊器件，需要對自旋電流穿過隧穿層的幾率進行調控，而非阻變隧穿層無法滿足此要求。
技術實現思路
一、專利技術目的：針對上述背景中提到的含有非阻變隧穿層的自旋電子結構存在的問題，本專利技術提出一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，可以使用氧化鉿等阻變材料作為隧穿層，利用電壓等參數改變隧穿層的電阻，進而調控自旋電流隧穿幾率，從而保證所制備的器件性能達到最優。二、技術方案：本專利技術的技術方案是實現一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件。其特點是，可調控自旋電流穿過隧穿層的幾率。本專利技術提出如下實施方案。方案：當改變隧穿層的兩端電壓時，隧穿層的電阻發生變化。可以通過電場控制模塊，調控隧穿層兩端電壓，使電阻處于所需的窗口之內或者某一特定電阻值，從而調節器件性能或調控自旋電流的隧穿幾率。本專利技術中的方案以磁性隧道結和非局域自旋注入構型為具體實例來說明。實例一：本專利技術一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，具體為一種磁性隧道結器件，其最下端為絕緣層，其上依次沉積普通金屬電極、鐵磁參考層、阻變隧穿層、鐵磁自由層、普通金屬電極，并在最上端沉積一個絕緣層。其特征在于：所述隧穿層是在不同電壓條件下電阻不同的阻變材料。所述鐵磁層，包括鋇鐵氧體(BAM)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鑭鍶錳氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種。所述隧穿層，包括但不限于氧化鉿(HfO2)，氧化鈦(TiO2)，五氧化二鉭(Ta2O5),氧化鋅(ZnO)，二氧化鋯(ZrO2)或其他阻變材料中的一種或者多種等。所述絕緣層，包括SiO2，Al2O3或其他絕緣材料中的一種或者多種。針對本專利技術所述的含有阻變隧穿層的磁性隧道結結構，現提供一種可行的制備方式如下：采用磁控濺射、電子束蒸發沉積等方法將底端電極沉積在絕緣層襯底上；然后依次通過磁控濺射、電子束蒸發沉積等方法將鐵磁層、隧穿層、鐵磁層沉積到底端電極上；最后通過磁控濺射、電子束蒸發沉積等方法鍍頂端電極和絕緣層。制備過程中還需要采用微納加工的方法(光刻、刻蝕、包埋、沉積)實現器件圖形化。最終完成含有阻變隧穿層的磁性隧道結的制備。實例二：本專利技術一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，具體為一種非局域自旋注入器件。首先將自旋溝道制備在襯底上，襯底分為兩層，下層為導電層，上層為絕緣層。然后在自旋溝道上的外側兩端各沉積一普通金屬電極，自旋溝道中部兩處分別依次沉積隧穿層、鐵磁金屬電極、絕緣層。所述自旋溝道，包括金屬、半導體、石墨烯等材料，且允許長距離自旋流輸運的物質。所述普通金屬電極,包括金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)或其他非鐵磁金屬材料中的一種或多種。所述鐵磁金屬電極，包括鋇鐵氧體(BAM)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鑭鍶錳氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種。所述隧穿層，包括氧化鉿(HfO2)，氧化鈦(TiO2)，五氧化二鉭(Ta2O5),氧化鋅(ZnO)，二氧化鋯(ZrO2)或其他阻變材料中的一種或者多種等。所述絕緣層，包括SiO2，Al2O3或其他絕緣材料中的一種或者多種。針對本專利技術所述的含有阻變隧穿層的非局域自旋注入構型器件，現提供一種可行的制備方式如下：在導電層襯底上通過氧化等方法制備絕緣層襯底。采用磁控濺射、電子束蒸發或機械剝離等方法將自旋溝道制備在襯底上；然后通過電子束蒸發的方式在自旋溝道上的外側兩端各沉積一個Au電極；然后通過電子束蒸發的方式在自旋溝道中部兩處分別沉積隧穿層，并通過磁控濺射的方式在隧穿層上方分別依次鍍鐵磁金屬電極和絕緣層；制備過程中還需要采用微納加工的方法(光刻、刻蝕、包埋、沉積)實現器件圖形化。最終完成非局域自旋注入構型器件的制備。三、優點及功效:本專利技術提出了阻變隧穿層，通過使用壓控電阻的阻變材料作為隧穿層，可以實現將隧穿電阻調控在合適區間內，提高自旋電子器件的性能或實現自旋注入效率的調控。【附圖說明】圖1為含有阻變隧穿層的自旋電子結構示意圖。圖2為含有阻變隧穿層的磁性隧道結輸運性質測量示意圖。圖3為含有阻變隧穿層的非局域自旋注入器件示意圖。圖4為圖3所示的非局域自旋注入結構的ΔR/R與Rint/Rch的關系。其中，ΔR/R是自旋信號，Rint/Rch是接觸電阻(Rint)和溝道電阻(Rch)的比值。【具體實施方式】本專利技術提出了一種用阻變材料做隧穿層的自旋電子器件，在磁性隧道結具體實例中，通過實現隧穿層電阻的調控，實現了自旋電流隧穿幾率的調控，從而實現了隧穿磁阻的調控；在非局域自旋注入結構具體實例中，通過實現隧穿層電阻的調控，實現了自旋注入效率的調控。參照附圖，進一步說明本專利技術的實質性特點。附圖均為示意圖，其中涉及的各功能層或區域的厚度非實際尺寸、工作模式中的電阻及電壓值也非實際值。在此公開了詳細的示例性的實施例，其特定的結構細節和功能細節僅是表示描述示例實施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本專利技術，且本專利技術不應該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實施例，而是應該覆蓋落入本專利技術范圍內的所有變化、等價物和可替換物。圖1為含有阻變隧穿層的自旋電子器件結構示意圖，該結構可以是磁隧道結、自旋注入構型等自旋電子結構的一部分。結構包括：鐵磁金屬電極111；本專利技術所述阻變隧穿層121；鐵磁金屬電極或者自旋注入溝道131。圖2為含有阻變隧穿層的磁性隧道結輸運性質測量示意圖。該結構由電場控制模塊和磁性隧道結構成。電場控制模塊包括：絕緣層311、312，如氧化鋁；恒壓源。磁性隧道結包括：普通金屬電極321、322如金；鐵磁層331、332，如FeCo合本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，具體為一種磁性隧道結器件，其最下端為絕緣層，其上依次沉積普通金屬電極、鐵磁參考層、阻變隧穿層、鐵磁自由層、普通金屬電極，并在最上端沉積一個絕緣層；其特征在于：所述隧穿層是在不同電壓條件下電阻不同的阻變材料。

【技術特征摘要】
1.一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，具體為一種磁性隧道結器件，其最下端為絕緣層，其上依次沉積普通金屬電極、鐵磁參考層、阻變隧穿層、鐵磁自由層、普通金屬電極，并在最上端沉積一個絕緣層；其特征在于：所述隧穿層是在不同電壓條件下電阻不同的阻變材料。2.根據權利要求1所述的一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，其特征在于：所述鐵磁層，包括但不限于鋇鐵氧體(BAM)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鑭鍶錳氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種。3.一種如權利要求1所述的自旋電子器件的制備方法，特征在于：該方法具體如下：采用磁控濺射、電子束蒸發沉積的方法將底端電極沉積在絕緣層襯底上；然后依次通過磁控濺射、電子束蒸發沉積的方法將鐵磁層、隧穿層、鐵磁層沉積到底端電極上；最后通過磁控濺射、電子束蒸發沉積等方法鍍頂端電極和絕緣層；制備過程中還需要采用微納加工的方法實現器件圖形化，最終完成含有阻變隧穿層的磁性隧道結的制備。4.一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，具體為一種非局域自旋注入器件；首先將自旋溝道制備在襯底上，襯底分為兩層，下層為導電層，上層為絕緣層；然后在自旋溝道上的外側兩端各沉積一普通金屬電極，自旋溝道中部兩處分別依次沉積隧穿層、鐵磁金屬電極、絕緣層；其特征在于：所述隧穿層是在不同電壓條件下電阻不同的阻變材料。5.根據權利要求4所述的一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，其特征在于：所述自旋溝道，包括金屬、半導體、石墨烯材料...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林曉陽，羅梟，趙巍勝，張有光，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京,11