一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件制造技术

本发明专利技术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(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

【技术实现步骤摘要】
一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
一、专利技术目的：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，本专利技术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：本专利技术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。本专利技术提出如下实施方案。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。本专利技术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：本专利技术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。针对本专利技术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：本专利技术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。所述绝缘层，包括SiO2，Al2O3或其他绝缘材料中的一种或者多种。针对本专利技术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:本专利技术提出了阻变隧穿层，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Rint/Rch的关系。其中，ΔR/R是自旋信号，Rint/Rch是接触电阻(Rint)和沟道电阻(Rch)的比值。【具体实施方式】本专利技术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，进一步说明本专利技术的实质性特点。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专利技术，且本专利技术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专利技术范围内的所有变化、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；本专利技术所述阻变隧穿层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合本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。2.根据权利要求1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：所述铁磁层，包括但不限于钡铁氧体(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。3.一种如权利要求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、电子束蒸发沉积的方法将底端电极沉积在绝缘层衬底上；然后依次通过磁控溅射、电子束蒸发沉积的方法将铁磁层、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。4.一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。5.根据权利要求4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...

【专利技术属性】
技术研发人员：林晓阳，罗枭，赵巍胜，张有光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11