具有量子效应的磁隧道结及包括其的自旋二极管和晶体管制造技术

本发明专利技术涉及具有量子效应的磁隧道结及包括其的自旋二极管和晶体管。一种磁性隧道结包括：第一参考层，由磁性导电材料形成并且具有固定的磁化方向；第一势垒层，设置在所述第一参考层上并且由绝缘材料形成；自由层，设置在所述第一势垒层上，由磁性导电材料形成并且其磁化方向可以响应于外磁场而自由变化；以及第二势垒层，设置在所述自由层上并且由绝缘材料形成，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层的绝缘材料均具有类尖晶石晶体结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及磁性隧道结，更特别地，涉及一种具有显著量子效应的磁性隧道结、以及包括所述磁性隧道结的自旋电子器件，诸如自旋晶体管、自旋二极管、磁敏传感器和振荡器等。
技术介绍
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/Al-O绝缘势垒/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(001)势垒磁性隧道结，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MgO(001)势垒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、厚度小于自旋扩散长度的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，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3Gbits/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。目前，人们在单势垒磁性隧道结的研究方面取得了显著成果，但是单势垒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垒隧道结的TMR值是单势垒隧道结的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MgO(001)势垒的双势垒磁性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等人在这种双势垒磁性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。然而，基于MgO(001)势垒的双势垒磁性隧道结的量子共振隧穿效应在实验上并不明显，这也阻碍了基于该量子效应的自旋电子器件诸如自旋晶体管、自旋二极管、磁敏传感器和振荡器等的实际应用。因此，需要探索新的势垒材料，提高量子效应从而容易通过实验检测到，并且实现其在新型器件中的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有势垒材料在实际应用中面临的许多问题和缺陷，提供一种基于类尖晶石结构势垒层的、具有显著量子效应的磁性隧道结。该势垒层与磁性层的晶格失配度较小，可以具有比较低的偏压依赖性、高TMR值、高击穿电压以及增强的量子阱共振隧穿效应，从而可以广泛应用于自旋晶体管、自旋二极管、磁敏传感器和振荡器等自旋电子学器件中。根据本专利技术一示范性实施例，提供一种磁性隧道结，其可包括：第一参考层，由磁性导电材料形成并且具有固定的磁化方向；第一势垒层，设置在所述第一参考层上并且由绝缘材料形成；自由层，设置在所述第一势垒层上，由磁性导电材料形成并且其磁化方向可以响应于外磁场而自由变化；以及第二势垒层，设置在所述自由层上并且由绝缘材料形成，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均具有类尖晶石晶体结构。在一示例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层由选自以下组的材料形成：MgxAlyOz和ZnxAlyOz，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4。在一示例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层由选自以下组的材料形成：SixMgyOz和SixZnyOz，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。在一示例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层具有0.5-5nm范围内的厚度。在一示例中，所述自由层的厚度可以等于或小于其中的电子的平均自由程。在一示例中，所述磁性隧道结还可包括：第二参考层，设置在所述第二势垒层上，由磁性材料形成并且具有固定的磁化方向。所述第二参考层的磁化方向可以平行于所述第一参考层的磁化方向。在一示例中，所述磁性隧道结还可包括：第三势垒层，设置在所述第二参考层上，由绝缘材料形成，并且具有类尖晶石晶体结构。在一示例中，所述第三势垒层由选自以下组的材料形成：MgxAlyOz、ZnxAlyOz，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4；SixMgyOz、SixZnyOz，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。根据本专利技术另一示范性实施例，提供一种磁性隧道结，其包括：第一参考层，由磁性导电材料形成并且具有固定的磁化方向；第一势垒层，设置在所述第一参考层上并且由绝缘材料形成；自由层，设置在所述第一势垒层上，由磁性导电材料形成并且其磁化方向可以响应于外磁场而自由变化；以及第二势垒层，设置在所述自由层上并且由绝缘材料形成，其中，所述第一势垒层与所述第一参考层和所述自由层的晶格常数相互匹配，且其中，所述第二势垒层与所述自由层的晶格常数相互匹配。根据本专利技术另一示范性实施例，提供一种自旋电子器件，其可包括上述磁性隧道结中的任意一种。根据本专利技术又一示范性实施例，提供一种自旋二极管，其可包括：第一参考层，由磁性导电材料形成并且具有固定的磁化方向；第一势垒层，设置在所述第一参考层上并且由绝缘材料形成；自由层，设置在所述第一势垒层上，由磁性导电材料形成并且其磁化方向可以响应于外磁场而自由变化；第二势垒层，设置在所述自由层上并且由绝缘材料形成；第一电极，功能上连接到所述第一参考层；以及第二电极，功能上连接到所述自由层，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均具有类尖晶石晶体结构。在一示例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层由选自以下组的材料形成：MgxAlyOz和Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性隧道结，包括：第一参考层，由磁性导电材料形成并且具有固定的磁化方向；第一势垒层，设置在所述第一参考层上并且由绝缘材料形成；自由层，设置在所述第一势垒层上，由磁性导电材料形成并且其磁化方向可以响应于外磁场而自由变化；以及第二势垒层，设置在所述自由层上并且由绝缘材料形成，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层的绝缘材料均具有类尖晶石晶体结构。

【技术特征摘要】
1.一种磁性隧道结，包括：第一参考层，由磁性导电材料形成并且具有固定的磁化方向；第一势垒层，设置在所述第一参考层上并且由绝缘材料形成；自由层，设置在所述第一势垒层上，由磁性导电材料形成并且其磁化方向可以响应于外磁场而自由变化；以及第二势垒层，设置在所述自由层上并且由绝缘材料形成，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层的绝缘材料均具有类尖晶石晶体结构。2.如权利要求1所述的磁性隧道结，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层由选自以下组的材料形成：MgxAlyOz和ZnxAlyOz，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4。3.如权利要求1所述的磁性隧道结，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层由选自以下组的材料形成：SixMgyOz和SixZnyOz，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。4.如权利要求1所述的磁性隧道结，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层每个具有0.5-5nm范围内的厚度。5.如权利要求1所述的磁性隧道结，还包括：第二参考层，设置在所述第二势垒层上，由磁性材料形成并且具有固定的磁化方向。6.如权利要求5所述的磁性隧道结，其中，所述第二参考层的磁化方向平行于所述第一参考层的磁化方向。7.如权利要求5所述的磁性隧道结，还包括：第三势垒层，设置在所述第二参考层上，由绝缘材料形成，并且具有类
\t尖晶石晶体结构。8.如权利要求7所述的磁性隧道结，其中，所述第三势垒层由选自以下组的材料形成：MgxAlyOz、ZnxAlyOz，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4；SixMgyOz、SixZnyOz，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。9.一种磁性隧道结，包括：第一参考层，由磁性导电材料形成并且具有固定的磁化方向；第一势垒层，设置在所述第一参考层上并且由绝缘材料形成；自由层，设置在所述第一势垒层上，由磁性导电材料形成并且其磁化方向可以响应于外磁场而自由变化；以及第二势垒层，设置在所述自由层上并且由绝缘材料形成，其中，所述第一势垒层与所述第一参考层和所述自由层的晶格常数相互匹配，且其中，所述第二势垒层与所述自由层的晶格常数相互匹配。10.一种自旋电子学器件，包括如权利要求1-9中的任意一项所述的磁性隧道结。11.一种自旋二极管，包括：第一参考层，由磁性导电材料形成并且具有固定的磁化方向；第一势垒层，设置在所述第一参考层上并且由绝缘材料形成；自由层，设置在所述第一势垒层上，由磁性导电材料形成并且其磁化方向可以响应于外磁场而自由变化；第二势垒层，设置在所述自由层上并且由绝缘材料形成；第一电极，功能上连接到所述第一参考层；以及第二电极，功能上连接到所述自由层，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均具有类尖晶石晶体结构。12.如权利要求11所述的自旋二极管，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层由选自以下组的材料形成：MgxAlyOz和ZnxAlyOz，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤...

【专利技术属性】
技术研发人员：温振超，陶丙山，袁忠辉，姜丽仙，韩秀峰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11