全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件及制备方法技术

本公开提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，顺次制作包括：基片、平滑层、垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层；所述垂直易磁化层的材料为垂直磁各向异性Mn基铁磁金属或亚铁磁金属，包括L10‑MnGa、L10‑MnAl、D022‑Mn3Ga或D022‑Mn3Ge中的一种或多种；所述垂直易磁化层的厚度为1～4nm；所述垂直易磁化层的易磁化轴沿面外方向。本公开在不依赖外加磁场的条件下，不仅可以实现全电学调控的自旋轨道力矩翻转，具有低功耗、多功能和高可靠性等特点。还具有高响应速度、长寿命、高热稳定性、多功能等特点，非常适合用于开发高速自旋存储器件和可编程自旋逻辑器件。

Multi-functional spin-orbit moment device with all-electric control and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件及制备方法
本公开涉及自旋电子学领域，尤其涉及一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件及制备方法。
技术介绍
自旋轨道力矩(SOT)效应提供了一种通过全电学方法在微纳尺度高效调控磁矩的新机制，这为下一代低功耗和非易失性自旋电子学器件的发展带来新的机遇。例如，基于SOT效应的磁性随机存储器(MRAM)可以实现全电学的数据写入和读取，同时具有非易失性、高响应速度、高密度、高稳定性和工艺兼容性强等优点，与传统磁性驱动型和自旋转移力矩(STT)型MRAM相比拥有较大优势。此外，自旋轨道力矩型器件具有显著的多功能特性，这来源于自旋轨道力矩驱动磁矩翻转过程中丰富的可调性，如电流驱动的磁矩翻转方向可受偏置磁场方向的调控、临界翻转电流密度可通过偏置磁场的强度或者电压操控磁各向异性来调节。然而，目前在多数自旋轨道力矩型器件中其多功能性的实现离不开外加磁场的辅助，这增加了器件设计的复杂度、器件功耗以及器件小型化的难度。为了使自旋轨道力矩型器件真正走向实用，能够保持器件多功能特性的同时还能实现器件全电学调控的新原理、新方法仍然有待接下来进一步探索。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件及制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，顺次制作包括：基片、平滑层、垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层；所述垂直易磁化层的材料为垂直磁各向异性Mn基铁磁金属或亚铁磁金属，包括L10-MnGa、L10-MnAl、D022-Mn3Ga或D022-Mn3Ge中的一种或多种；所述垂直易磁化层的厚度为1～4nm；所述垂直易磁化层的易磁化轴沿面外方向。在本公开的一些实施例中，所述重金属的材料为Pt、Ta、W、Pd或其他具有强自旋轨道耦合的重金属材料；所述重金属的厚度为1-3nm。在本公开的一些实施例中，面内易磁化层的材料为Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl，厚度为2-6nm。在本公开的一些实施例中，所述基片的材料为GaAs、Si、玻璃、MgO、蓝宝石或SiC中的一种或多种；所述平滑层的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种或多种；所述覆盖层的材料为Pt、Ta、Al或Pd中的一种或多种，所述覆盖层的厚度为1.5-3nm。根据本公开的一个方面，还提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件的制备方法，包括如下步骤：取一基片；在基片上顺次制作垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层，形成磁性多层膜结构；将磁性多层膜结构置于真空下磁场退火，完成制备；其中，垂直易磁化层的材料为垂直磁各向异性Mn基铁磁金属或亚铁磁金属，包括L10-MnGa、L10-MnAl、D022-Mn3Ga或D022-Mn3Ge中的一种或多种；垂直易磁化层的厚度为1～4nm；垂直易磁化层的易磁化轴沿面外方向。在本公开的一些实施例中，重金属层为具有强自旋轨道耦合的重金属材料为Pt、Ta、W、Pd或其他具有强自旋轨道耦合的重金属材料；重金属层的厚度为1-3nm。在本公开的一些实施例中，基片的材料为GaAs、Si、玻璃、MgO、蓝宝石或SiC中的一种或多种。在本公开的一些实施例中，平滑层的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种或多种。在本公开的一些实施例中，面内易磁化层的材料为Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl中的一种或多种；面内易磁化层的厚度为2-6nm。在本公开的一些实施例中，覆盖层的材料为Pt、Ta、Al或Pd；覆盖层的厚度为1.5-3nm。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件及制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)本公开在不依赖外加磁场的条件下，可以实现全电学调控的自旋轨道力矩翻转，具有低功耗、多功能和高可靠性等特点。(2)本公开中垂直易磁化层具有超高垂直磁各向异性、低磁阻尼因子和高自旋极化度，这使得相关自旋电子学器件具有高隧穿磁电阻比值、高速响应和高热稳定性等显著特征，在SOT-MRAM和自旋逻辑器件领域具有广阔的应用前景。(3)本公开中重金属层具有强自旋轨道耦合，可以通过自旋霍尔效应产生纯自旋流并诱导垂直易磁化层发生磁化翻转。(4)本公开中面内易磁化层通过层间交换耦合作用，可以提供打破对称性所需的面内等效磁场。(5)本公开中平滑层，为器件的制作提供了良好的界面平整度和晶格匹配。(6)本公开中覆盖层作为保护薄膜对器件进行保护。附图说明图1为本专利技术实施例全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件的材料结构图。图2为本专利技术实施例全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件的制备方法流程图。图3为本专利技术实施例中自旋轨道力矩型器件的磁滞回线。图4为本专利技术实施例中自旋轨道力矩型器件的电流诱导磁化翻转曲线。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】1-基片；2-平滑层；3-垂直易磁化层；4-重金属层；5-面内易磁化层；6-覆盖层。具体实施方式目前在多数自旋轨道力矩型器件中其多功能性的实现离不开外加磁场的辅助，这增加了器件设计的复杂度、器件功耗以及器件小型化的难度。为了实现不依赖外磁场的磁化翻转，目前主要通过引入结构不对称性、交换偏置场、层间交换耦合作用、极化的铁电衬底等方法提供面内等效磁场。其中，层间交换耦合方法的材料制备过程更为简单方便，自旋轨道力矩的可调控性也更强。因此，本专利技术选择层间交换耦合方法来实现全电学方法调控自旋轨道力矩型器件磁化翻转行为的目的。本公开提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，顺次制作包括：基片、平滑层、垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层；所述垂直易磁化层的材料为垂直磁各向异性Mn基铁磁金属或亚铁磁金属，包括L10-MnGa、L10-MnAl、D022-Mn3Ga或D022-Mn3Ge中的一种或多种；所述垂直易磁化层的厚度为1～4nm；所述垂直易磁化层的易磁化轴沿面外方向。本公开在不依赖外加磁场的条件下，不仅可以实现全电学调控的自旋轨道力矩翻转，具有低功耗、多功能和高可靠性等特点。还具有高响应速度、长寿命、高热稳定性、多功能等特点，非常适合用于开发高速自旋存储器件和可编程自旋逻辑器件。在过去的自旋轨道力矩器件研究中，垂直易磁化材料的确定性磁化翻转通常离不开面内外磁场的辅助，这是相关器件实现产业化的主要限制因素。在本公开中，自旋轨道力矩效应可以提供垂直磁矩翻转所需的力矩，包括类场力矩和类阻尼力矩。这种可以在微纳尺度高效调控磁矩的方法将显著提高器件的集成密度并降低功耗。此外，本公开通过优化磁性多层膜结构，利用层间交换耦合作用产生面内等效磁场，实现了不依赖外磁场的电流驱动自旋轨道力矩翻转。综上所述，与现有技术相比，该自旋轨道力矩型器件不仅具备自旋力矩型器件的基本特性，还具有无需外磁场辅助、全电学调控和CMOS工艺兼容等优点，为设计基于自旋的信息存储和逻辑运算器件提供了新的研究思路，具有重要的潜在科学和应用价值。为使本公开的目的、技术方案和优点更加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，其中，顺次制作包括：基片、平滑层、垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层；所述垂直易磁化层的材料为垂直磁各向异性Mn基铁磁金属或亚铁磁金属，包括L10‑MnGa、L10‑MnAl、D022‑Mn3Ga或D022‑Mn3Ge中的一种或多种；所述垂直易磁化层的厚度为1～4nm；所述垂直易磁化层的易磁化轴沿面外方向。

【技术特征摘要】
1.一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，其中，顺次制作包括：基片、平滑层、垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层；所述垂直易磁化层的材料为垂直磁各向异性Mn基铁磁金属或亚铁磁金属，包括L10-MnGa、L10-MnAl、D022-Mn3Ga或D022-Mn3Ge中的一种或多种；所述垂直易磁化层的厚度为1～4nm；所述垂直易磁化层的易磁化轴沿面外方向。2.根据权利要求1所述的一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，其中，所述重金属的材料为Pt、Ta、W、Pd或其他具有强自旋轨道耦合的重金属材料；所述重金属的厚度为1-3nm。3.根据权利要求1所述的一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，其中，面内易磁化层的材料为Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl，厚度为2-6nm。4.根据权利要求1至3任一项所述的一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，其中，所述基片的材料为GaAs、Si、玻璃、MgO、蓝宝石或SiC中的一种或多种；所述平滑层的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种或多种；所述覆盖层的材料为Pt、Ta、Al或Pd中的一种或多种，所述覆盖层的厚度为1.5-3nm。5.一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件的制备方法，包括如下步骤：取一基片；在基片上顺次制作垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵旭鹏，赵建华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11