一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构制造技术

本实用新型专利技术公开一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，包括半导体基底半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向，所述该隧穿磁电阻结构可通过施加门电压对过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控铁磁金属纳米团簇的磁各向异性，使得从顶电极流经磁性参考层的自旋极化电流在隧穿注入至过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构过程中产生不同的高低磁阻态。

An electrically tunable anisotropic tunneling magnetoresistive structure

【技术实现步骤摘要】
一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构
本技术涉及一种磁阻结构，尤其是一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构。
技术介绍
存储是信息领域的核心问题。高密度、响应快、低能耗的存储，是未来存储器发展的要求，也是信息社会高速发展的必然趋势。传统存储器是基于电荷的存储器，这类存储器本质上是通过电容的充放电来实现。通过磁场调控其磁阻而实现存储，具有能耗高，噪声大、散热慢等缺点。自1988年巨磁阻效应发现以来，作为一门新兴的学科，自旋电子学正逐渐步入我们的视野。人们正通过对电子自旋的调控，以克服目前仅利用电子电荷这一自由度所产生的器件尺寸及集成度等物理极限，研制出功耗更小、数据处理更快、集成密度更高的新型元器件，为现代信息技术发展带来质的飞跃。典型的磁存储器(MRAM)利用磁性隧道结的电阻变化实现存储，即底下一层薄膜是铁磁材料(钉扎层)，其磁自旋方向固定；中间一层是隧穿层；上面一层是自由层，其自旋方向可以在外加应力的情况下改变。如果自由层的自旋方向和钉扎层的自旋方向一致，则隧道层处在低电阻的状态；反之则处于高阻状态。MRAM又分为传统的MRAM和STT-MRAM两类，前者采用磁场驱动，后者采用自旋极化电流驱动。对于传统的MRAM，由于在半导体器件中本身无法引入磁场，需要引入大电流来产生磁场，因而需要在结构中增加旁路。因此，这种结构功耗较大，而且也很难进行高密度集成。若采用极化电流驱动，即STT-MRAM，则不需要增加旁路，因此功耗可以降低，集成度也可以大幅提高。磁各向异性可控的磁性薄膜是实现STT-MRAM结构高密度磁存储器等自旋电子器件的理想材料。通过电场调控自旋方向使得磁矩可在垂直于膜面和平行于膜面方向进行翻转，即磁各项异性翻转，其驱动能耗是传统磁存储器的千分之一，且具有灵活的调节能力，显现出无以伦比的突出优势，对于实现高密度的存储具有重要意义。另外，磁矩在膜面的整齐排列，在半导体异质表面产生很强的等效磁场，增强自旋电子的Larmor进动，抑制其去相位过程，有利于提高电流的注入极化率。同时，当其与自旋矩转移效应结合，还可制备出临界翻转电流密度低、磁化翻转速度快、热稳定性强的垂直易磁化自旋电子器件。因此，构建电可调的各向异性隧穿磁阻结构，实现电场诱导磁易轴在面内与面外间的可逆翻转，是开发新型、非易失性、低功耗自旋电子元器件的重要解决方案。
技术实现思路
本技术鉴于磁电阻的设计需求，提出一种基于过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构的电可调的各向异性隧穿磁阻结构，该结构具有门电压可调的磁各向异性，并在自旋极化电流注入过程中呈现不同的高低磁阻态，可解决电场操纵磁各向异性、实现低功耗自旋电子元器件等问题。为了解决上述的技术问题，本技术提供了一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，包括半导体基底半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向，所述该隧穿磁电阻结构可通过施加门电压对过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控铁磁金属纳米团簇的磁各向异性，使得从顶电极流经磁性参考层的自旋极化电流在隧穿注入至过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构过程中产生不同的高低磁阻态。在一较佳实施例中：所述半导体基底半导体基底采用n型或p型掺杂的硅、锗，n型或p型掺杂的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，n型或p型掺杂的Ⅱ-Ⅵ族化合物中的一种。在一较佳实施例中：所述介电层采用氧化铝、氧化镁、二氧化铪、二氧化钛、六方氮化硼中的一种或几种的组合，其厚度为50～800nm。在一较佳实施例中：所述石墨稀透明电极的厚度为1～3分子层。在一较佳实施例中：所述过渡金属硫化物二维材料化学式为MX2，其中M＝Mo、W，X＝S、Se。在一较佳实施例中：所述过渡金属硫化物二维材料的厚度为1～3分子层。在一较佳实施例中：所述铁磁金属纳米团簇为由铁磁金属材料构成的纳米颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构中的一种，所述铁磁金属材料为铁、钴、镍金属中的一种或几种，或其合金。在一较佳实施例中：所述铁磁金属材料构成的纳米颗粒状非周期性团簇结构的颗粒大小、颗粒间距，以及周期性团簇阵列结构的颗粒大小、颗粒间距均在1～500nm范围内。在一较佳实施例中：所述隧穿层材料采用MgO、MgN、ZnO、Al2O3、BN中的一种。在一较佳实施例中：性参考层材料采用FeCo、CoFeB、MnAs、CrAs、CrO2、CrSb、NiMnSb、TaN、TaO、TiO或TiN中的一种，其厚度d2满足范围0<d2<500nm。相较于现有技术，本技术产生的有益效果是：本技术提供了一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，该器件可通过门电压调控过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构的磁各向异性；器件适用于0K≤T≤320K温度范围内，空气环境或真空环境中，采用全电学调控方式，可解决电场操纵磁各向异性、实现低功耗自旋电子元器件，以及器件集成与兼容性等问题。附图说明图1电可调的各向异性隧穿磁阻结构示意图。图2载流子掺杂对WS2二维材料/Co金属纳米团簇异质结构磁各向异性能的调控。具体实施方式下面结合附图与实施例对本技术作详细说明，但本技术保护的范围不仅限于下述实施例：本实施例结构如图1所示，包含括半导体基底半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向，所述该隧穿磁电阻结构可通过施加门电压对过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控铁磁金属纳米团簇的磁各向异性，使得从顶电极流经磁性参考层的自旋极化电流在隧穿注入至过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构过程中产生不同的高低磁阻态。其中半导体基底半导体基底采用p型掺杂的Si片，背栅电极采用Ti/Au(10/60nm)电极，介电层采用300nm厚的Al2O3，过渡金属硫化物二维材料采用单分子层WS2二维材料，厚度为0.8nm，石墨烯透明电极采用双分子层石墨烯薄膜，铁磁金属纳米团簇采用Co金属构成的颗粒状非周期性团簇结构；团簇侧向尺度约为10nm，纵向高度约为5nm，且团簇形貌较为一致，隧穿层采用3分子层BN二维材料，磁性参考层采用厚度为40nm的FeNi合金薄膜，顶电极采用Ni/Au(10/60nm)电极。本技术的制作方法如下：第一步，通过化学清洗(使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗)获得清洁的p型掺杂的Si半导体基底；第二步，采用原子层沉积(ALD)法在Si半导体基底表面生长300nm厚的Al2O3薄膜作为介电层；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，其特征在于：包括半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；/n所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向。/n

【技术特征摘要】
1.一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，其特征在于：包括半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；
所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向。


2.如权利要求1所述一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，其特征在于：所述半导体基底采用n型或p型掺杂的硅、锗，n型或p型掺杂的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，n型或p型掺杂的Ⅱ-Ⅵ族化合物中的一种。


3.如权利要求1所述一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，其特征在于：所述介电层采用氧化铝、氧化镁、二氧化铪、二氧化钛、六方氮化硼中的一种或几种的组合，其厚度为50～800nm。


4.如权利要求1所述一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，其特征在于：所述石墨稀透明电极的厚度为1～3分子层。


5.如权利要求1所述一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，其特征在于：所述过渡金属硫化物二维材料化学式为MX2，其中M＝Mo、W，X＝S、Se。


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【专利技术属性】
技术研发人员：吴雅苹，唐唯卿，吴志明，康俊勇，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：新型
国别省市：福建;35