基于二维异质结的室温全电控磁存储单元及存储器制造技术

提供一种基于二维异质结的室温全电控磁存储单元，包括自下而上堆叠设置的竞争自旋流合金层、室温范德华磁性自由层、范德华空间层和室温范德华磁性固定层；竞争自旋流合金层由相反自旋霍尔角的合金材料或自旋霍尔角相反的过渡金属元素组成的合金组成，通过竞争自旋流效应产生的额外的面外极化的自旋流实现室温范德华磁性自由层无外磁场辅助的纯电控磁翻转；室温范德华磁性自由层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层；范德华空间层由具有半导体或绝缘体带隙和电阻率的二维范德华材料构成；室温范德华磁性固定层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向固定，不随电信号极性的变化而变化。还提供一种磁存储器。变化。还提供一种磁存储器。变化。还提供一种磁存储器。

【技术实现步骤摘要】
基于二维异质结的室温全电控磁存储单元及存储器


[0001]本公开涉及微电子
，尤其涉及一种基于二维异质结的室温全电控磁存储单元及存储器。

技术介绍

[0002]基于自旋轨道矩的磁存储器(SOT
‑
MRAM)相对于自旋转移矩磁存储器(STT
‑
MRAM)，具有较高的写入速度和较低的功耗，应用前景较好，被认为是下一代MRAM的主要写入方式。
[0003]典型的磁性隧道结(MTJ)器件一般具有三明治结构，即由上下磁性电极夹杂中间非磁性半导体或绝缘体势垒层构成。具有较大隧穿磁电阻(TMR)的磁性隧道结器件广泛应用于磁传感、非易失磁随机存储器以及可编程自旋逻辑器件等自旋电子学领域。传统的磁性隧道结通常由三维共价键结合的磁性金属材料(例如Fe，Co，Ni，CoFeB以及其合金)和非磁性的宽带隙氧化物组成(例如Al2O3，MgO)。当前，基于传统三维材料的磁性隧道结器件的发展受到其材料本身性能因素的限制。不同三维材料之间形成异质结需要考虑晶格匹配以及界面间原子的互扩散、磁性电极垂直磁各向异性较差、或中间势垒层中存在针孔效应等问题都严重限制了基于传统三维材料磁性隧道结的发展。因而，磁性隧道结器件亟需寻找具有高界面质量的新型材料。此外，现有的基于二维磁性材料的磁隧道结器件在室温下不具有隧穿磁电阻，且温度稳定性差，达不到应用要求。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]基于上述问题，本公开提供了一种基于二维异质结的室温全电控磁存储单元及存储器基于二维异质结的室温全电控磁存储单元及存储器，以缓解现有技术中基于体材料的磁隧道结器件的界面晶格失配、界面平整度低、或界面间原子互扩散等问题，以及基于现有二维材料的磁隧道结在室温下不具有隧穿磁电阻，且温度稳定性差等技术问题。
[0006](二)技术方案
[0007]本公开的一个方面，提供一种基于二维异质结的室温全电控磁存储单元，包括：自下而上堆叠设置的竞争自旋流合金层、室温范德华磁性自由层、范德华空间层和室温范德华磁性固定层；其中，所述竞争自旋流合金层由具有相反自旋霍尔角的合金材料或由自旋霍尔角相反的过渡金属元素组成的合金组成，通过竞争自旋流效应产生的额外的面外极化的自旋流实现室温范德华磁性自由层无外磁场辅助的纯电控磁翻转；所述室温范德华磁性自由层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向通过输入竞争自旋流合金层的电信号极性控制；所述范德华空间层由具有半导体带隙和电阻率的二维范德华材料构成，或由具有绝缘体带隙和电阻率的二维范德华材料构成；以及所述室温范德华磁性固定层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向固定，不随竞争自旋流合金层输入电信号极性的变化而变化。
[0008]根据本公开实施例，磁存储单元还包括范德华钉扎层，所述范德华钉扎层设置于
所述室温范德华磁性固定层上，所述范德华钉扎层由室温二维反铁磁材料构成。
[0009]根据本公开实施例，所述竞争自旋流合金层由具有相反自旋霍尔角的合金材料组成时，所述具有相反自旋霍尔角的合金材料为重金属元素和稀土元素组成的合金X
‑
Y，其中，X选自Hf、Pt、Ta或W；Y选自Gd、Tb、Dy或Ho；所述竞争自旋流合金层由自旋霍尔角相反的过渡金属元素组成的合金A
‑
B组成时，具有正自旋霍尔角的过渡金属A选自Hf、Pt、Pd、Rh或Ru；具有负自旋霍尔角的过渡金属B选自Ta、W、Nb或Mo。
[0010]根据本公开实施例，所述室温范德华磁性自由层和室温范德华磁性固定层的制备材料包括二维Fe3GaTe2。
[0011]根据本公开实施例，所述范德华空间层的制备材料选自二维hBN、二维GaSe、二维InSe、二维WSe2、二维WS2、二维MoTe2、二维MoSe2。
[0012]根据本公开实施例，所述范德华钉扎层制备材料包括二维TaCoTe2。
[0013]根据本公开实施例，室温范德华磁性自由层、范德华空间层、室温范德华磁性固定层或范德华钉扎层的厚度分别为单原子层厚度至五十纳米之间。
[0014]根据本公开实施例，由室温范德华磁性自由层、范德华空间层和室温范德华磁性固定层组成的隧道结的结电阻状态由室温范德华磁性自由层和室温范德华磁性固定层的相对磁化状态确定：当室温范德华磁性自由层和室温范德华磁性固定层的磁矩方向相同，隧道结为低电阻态；当室温范德华磁性自由层和室温范德华磁性固定层的磁矩方向相反时，隧道结为高电阻态。
[0015]本公开的另一方面，提供一种基于二维异质结的室温全电控磁存储器，包括：如以上所述的基于二维异质结的室温全电控磁存储单元；金属顶电极，设置于所述磁存储单元的上方；其中，所述金属顶电极作为室温全电控磁存储器的数据读取端；所述磁存储单元中的竞争自旋流合金层作为磁存储器的数据写入端。
[0016]根据本公开实施例，磁存储器还包括：金属底电极，设置于所述磁存储单元中的竞争自旋流合金层下方，所述金属底电极作为磁存储器的数据写入端。
[0017](三)有益效果
[0018]从上述技术方案可以看出，本公开基于二维异质结的室温全电控磁存储单元及存储器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
[0019](1)室温全电控磁存储单元中除了竞争自旋流合金层外，每一层均采用二维材料制成，不同于体材料，二维材料最薄能够制备到单原子层厚度，因此相比体材料拥有更高的紧凑性；
[0020](2)利用二维材料异质结制备高质量隧道结器件，不同于体材料，二维层状范德华材料层内由共价键紧密结合，层与层之间仅通过微弱的范德华力结合，因而二维层状材料表面不存在悬挂键。我们可以任意堆垛不同的二维范德华材料形成异质结，而不需要考虑晶格匹配以及界面间原子的互扩散、磁性电极垂直磁各向异性较差、或中间势垒层中存在针孔效应等问题，很容易制备高界面质量的隧道结器件；
[0021](3)利用电子隧穿通过具有半导体或绝缘体带隙的范德华空间层时其自旋极化方向不变的特点来提高磁阻信号，实现室温下最高具有≥80％的TMR，满足磁存储器的应用要求。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0023]图1(a)为本公开一实施例的基于二维异质结的室温全电控磁存储单元的结构示意图；
[0024]图1(b)为本公开另一实施例的基于二维异质结的室温全电控磁存储单元的结构示意图；其中，图1(b)所示的磁存储单元设置有范德华钉扎层；
[0025]图2(a)为本公开一实施例的基于二维异质结的室温全电控磁存储器的结构示意图；其中，图2(a)所示的磁存储器仅设置有金属顶电极；
[0026]图2(b)为本公开另一实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维异质结的室温全电控磁存储单元，包括：自下而上堆叠设置的竞争自旋流合金层、室温范德华磁性自由层、范德华空间层和室温范德华磁性固定层；其中，所述竞争自旋流合金层由具有相反自旋霍尔角的合金材料或由自旋霍尔角相反的过渡金属元素组成的合金组成，通过竞争自旋流效应产生的额外的面外极化的自旋流实现室温范德华磁性自由层无外磁场辅助的纯电控磁翻转；所述室温范德华磁性自由层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向通过输入竞争自旋流合金层的电信号极性控制；所述范德华空间层由具有半导体带隙和电阻率的二维范德华材料构成，或由具有绝缘体带隙和电阻率的二维范德华材料构成；以及所述室温范德华磁性固定层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向固定，不随竞争自旋流合金层输入电信号极性的变化而变化。2.根据权利要求1所述的磁存储单元，还包括范德华钉扎层，所述范德华钉扎层设置于所述室温范德华磁性固定层上，所述范德华钉扎层由室温二维反铁磁材料构成。3.根据权利要求1所述的磁存储单元，所述竞争自旋流合金层由具有相反自旋霍尔角的合金材料组成时，所述具有相反自旋霍尔角的合金材料为重金属元素和稀土元素组成的合金X
‑
Y，其中，X选自Hf、Pt、Ta或W；Y选自Gd、Tb、Dy或Ho；所述竞争自旋流合金层由自旋霍尔角相反的过渡金属元素组成的合金A
‑
B组成时，具有正自旋霍尔角的过渡金属A选自Hf、Pt、Pd、Rh或Ru；具有负自旋霍尔角的过渡...

【专利技术属性】
技术研发人员：王开友，林海龙，朱文凯，兰修凯，
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：