来自轨道霍尔效应的自旋电流和磁阻制造技术

基于独立于重金属中的自旋霍尔效应(SHE)的自旋电流相互作用来感测和操纵磁场的器件。自旋电流是通过由轨道霍尔效应(OHE)引起的面外轨道电流的转换在普通金属中生成的。从轨道电流到自旋电流的转换发生在薄重金属层(几个原子层厚)中，因此通过用普通金属替换重金属，大大减少了对重金属的需求。器件应用包括用于检测和测量磁场的磁阻传感器，以及磁隧道结数据存储单元。据存储单元。据存储单元。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】来自轨道霍尔效应的自旋电流和磁阻
专利

[0001]本专利技术涉及自旋传输电子学领域，并且特别地涉及与轨道霍尔效应相关联的轨道电流到自旋电流的转换。
[0002]专利技术背景
[0003]自旋传输电子学(也称为自旋电子学(spin electronics)或自旋电子学(spintronics))领域具有许多实际应用，其非限制性示例包括用于读取磁编码数据存储介质的磁阻器件；以及用于计算机的磁阻随机存取存储器。
[0004]自旋霍尔效应(SHE)已被用于在各种自旋电子学应用中电操纵电子自旋。自旋电流涉及本征电子自旋的对准，并具有指定的取向。表现出强烈SHE行为的值得注意的材料是重金属。
[0005]目前，自旋霍尔效应器件依靠重金属来提供自旋电流。然而，在一些情况下，期望通过利用普通金属在器件中提供自旋电流来减少对重金属的依赖，同时减少所需重金属的程度。本专利技术的实施例实现了这个目标。
[0006]专利技术概述
[0007]本专利技术的实施例提供了用于基于独立于重金属中自旋霍尔效应(SHE)的自旋电流相互作用来感测和操纵磁场的器件。根据本专利技术的各种实施例，通过转换由普通金属中的轨道霍尔效应(OHE)产生的面外(out
‑
of
‑
plane)轨道电流来生成自旋电流。OHE不依赖于自旋
‑
轨道耦合，且轨道电流是在普通金属中产生的。
[0008]在本文中术语“重金属”表示具有5d电子壳层的金属元素，特别包括但不限于：铂(Pt)；钨(W)；和钽(Ta)。相反，在本文中术语“普通金属”表示缺少5d电子壳层并且具有至多3d或3d/4d电子壳层，或者完全缺少d支壳层的金属元素。普通金属特别包括但不限于：铜(Cu)；和铝(Al)。重金属表现出强烈的自旋
‑
轨道耦合(SOC)，而普通金属表现出弱的自旋
‑
轨道耦合。
[0009]轨道电流涉及原子电子轨道运动的对准，而与电子的本征自旋不同。轨道电流具有指定的取向。本专利技术的实施例经由覆盖普通金属平面部件的重金属薄层(通常只有几个原子层厚(在纳米范围内))提供从轨道电流到自旋电流的转换，从而通过用普通金属替换大部分重金属而显著减少重金属需求。在本文中术语“覆盖”表示薄层邻接金属平面部件的表面并与其电接触。如本文所公开的，根据本专利技术的器件的非限制性应用包括用于检测和测量磁场的磁阻传感器，以及磁隧道结数据存储。
[0010]在本文中“电荷电流”是指如在普通电路中遇到的导体中的电荷流动。
[0011]因此，本专利技术的实施例通过利用普通金属提供轨道电流，然后使用最小程度的重金属将轨道电流转换为自旋电流，从而显著减少了对重金属的需求。
[0012]因此，在本专利技术的实施例中，提供了一种用于生成自旋电流的器件，该器件包括：(a)平面部件，其用于经由在平面部件内流动的面内电荷电流的轨道霍尔效应(OHE)生成面外轨道电流，(b)其中平面部件基本上由缺少5d电子壳层的普通金属构成；(c)与平面部件的表面电接触的重金属层，其用于将面外轨道电流转换为面外自旋电流，(d)其中重金属具
有5d电子壳层。
[0013]附图简述
[0014]当结合附图阅读时，通过参考下面的详细描述可以最好地理解所公开的主题，在附图中：
[0015]图1概念性地示出了利用重金属平面部件从面内电荷电流提供面外自旋电流的现有技术器件配置。
[0016]图2概念性地示出了根据本专利技术实施例的器件部件配置，其中重金属的程度显著减少，并且其中用于提供面外自旋电流的金属平面部件基本上由面内电荷电流流经的普通金属构成。
[0017]图3概念性地示出了利用重金属平面部件从面内电荷电流提供面外自旋电流的现有技术器件配置。
[0018]图4概念性地示出了由重金属平面部件提供的面外自旋电流切换的现有技术磁隧穿结器件。
[0019]图5概念性地示出了根据本专利技术实施例的用于检测和测量由外部磁场引起的永久磁场的旋转的磁场传感器器件。
[0020]图6A概念性地示出了通过根据本专利技术实施例的器件在永磁体中建立具有第一取向的磁场。
[0021]图6B概念性地示出了根据该实施例的在图6A的器件的永磁体中建立具有第二取向的磁场。
[0022]图7概念性地示出了根据本专利技术实施例的由面外轨道到自旋电流转换切换的磁隧穿结器件。
[0023]为了说明的简单和清晰，图中所示的项目不一定是按比例绘制的，并且一些项目的尺寸相对于其他项目可能被夸大。此外，附图中可以重复附图标记以指示相应或类似的项目。
[0024]本专利技术的详细描述
[0025]图1概念性地示出了利用重金属平面部件101的现有技术器件配置100，其用于从流过重金属平面部件101的面内电荷电流102生成面外自旋电流103。如前所述，通常使用铂、钨和钽作为平面部件101的重金属。
[0026]在本文中术语“平面部件”表示具有至少一个面的三维部件，该至少一个面基本上呈平面形式，并且具有足以邻接另一部件的相应面的表面积。平面部件具有位于部件内部且取向平行于面的表面的“面内”轴，以及至少部分位于部件外部且取向垂直于面的表面的“面外”轴。在本文中，平面部件内的电荷电流流动方向参考平面部件的面内轴；在本文中，自旋电流取向和轨道电流取向参考平面部件的面外轴。
[0027]图2概念性地示出了根据本专利技术实施例的器件部件配置200，其中重金属的程度基本上减少到薄层201。金属平面部件251由普通金属制成并构成器件200的主体的大部分，使得层201与平面部件251的顶面电接触。根据本专利技术，流过普通金属251的面内电荷电流202经由轨道霍尔效应(OHE)生成面外轨道电流205，而薄层201经由自旋
‑
轨道耦合将面外轨道流205转换成面外自旋电流203。在相关实施例中，重金属层201只有几个原子厚——1纳米的总厚度通常就足够了。(如前所述，附图不旨在按比例绘制，并且为了清楚起见，薄层201
在附图中的尺寸被夸大了。)因此，通过利用普通金属来传导电荷电流202，本专利技术的实施例提供了生成面外自旋电流所需的重金属量的显著减少。在其他实施例中，铜和铝用于普通金属251。
[0028]图3概念性地示出了利用如图1所示的重金属平面部件101从面内电荷电流202提供面外自旋电流203的现有技术器件配置300。在该实施例中，平面外自旋电流203控制位于重金属平面部件101上方的永磁体301的磁场取向302。
[0029]图4概念性地示出了现有技术的三端子磁隧穿结器件400。磁隧穿结410(MTJ)在薄绝缘层412上方结合了铁磁参考层411，薄绝缘层412下方是铁磁自由层213。绝缘层412通常只有几纳米厚，使得电子可以隧穿绝缘层412并在参考层411和自由层413之间通过。参考层411在方向431上保持磁化，但是自由层413的磁化可以在方向432(其平行于方向431)和方向433(其反向平行于方向431)之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生成自旋电流的器件，所述器件包括：平面部件，其用于经由在所述平面部件内流动的面内电荷电流的轨道霍尔效应(OHE)生成面外轨道电流，其中，所述平面部件基本上由缺少5d电子壳层的普通金属构成；与所述平面部件的面电接触的重金属层，其用于将所述面外轨道电流转换为面外自旋电流，其中，所述重金属具有5d电子壳层。2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述普通金属选自由以下项组成的组：铜；和铝。3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述重金属选自由以下项组成的组：铂；钨；和钽。4.根据权利要求1所述的器件，还包括：所述重金属层上方的铁磁部件；两个电端子，所述两个电端子连接到所述平面部件的不同侧面；电阻测量装置，所述电阻测量装置连接在所述两个电端子之间；使得所述器件能够操作来...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜丙海，肖杰文，
申请(专利权)人：耶达研究与发展有限公司，
类型：发明
国别省市：