CN105449097A - 双磁性势垒隧道结以及包括其的自旋电子学器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双磁性势垒隧道结以及包括其的自旋电子学器件。一种双磁性势垒隧道结可包括：第一导电层；设置在所述第一导电层上的第一势垒层；设置在所述第一势垒层上的第二导电层；设置在所述第二导电层上的第二势垒层；以及设置在所述第二势垒层上的第三导电层，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层中的每个都由磁性绝缘材料形成。

Description

双磁性势垒隧道结以及包括其的自旋电子学器件

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种双磁性势垒隧道结、以及包括该双磁性势垒隧道结的自旋电子学器件，这样的自旋电子学器件包括但不限于自旋二极管、自旋晶体管、磁敏传感器、磁存储器、自旋振荡器、温度传感器和自旋逻辑器件等。

背景技术

自1975年在Fe/Ge/Co多层膜中发现隧穿磁电阻(TMR)效应以及1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(GMR)以来，自旋电子学中的物理和材料科学的研究和应用取得了很大进展，尤其是磁性隧道结中自旋相关电子的隧穿输运性质和隧穿磁电阻效应已成为凝聚态物理中的重要研究领域之一。1995年Miyazaki等人和Moderola等人分别在“铁磁金属/Al-O绝缘势垒/铁磁金属”中发现了高的室温隧穿磁电阻效应，再次掀起了磁电阻效应的研究浪潮。2000年，Butler等人通过第一性原理研究发现，对于单晶MgO(001)势垒磁性隧道结，隧穿时s带多子电子(Δ1对称性，自旋向上)起主导作用，可以得到巨大的隧穿磁电阻。这个理论在2004年由日本的Yuasa等人和美国的Parkin等人在实验上证实。目前，人们在基于MgO(001)势垒的磁性隧道结中已经获得室温超过600％的TMR值。在器件应用方面，1993年Johnson提出了一种由铁磁性金属发射极、非磁性金属基极和铁磁性金属集电极组成的“铁磁性金属/非磁性金属/铁磁性金属”三明治全金属自旋晶体管结构(参见M.Johnson的文章Science260(1993)320)。这种全金属晶体管的速度可与半导体Si器件相比拟，但能耗低10-20倍，密度高约50倍，且耐辐射，具有记忆功能，可以应用于未来量子计算机的各种逻辑电路、处理器等；1994年，IBM研发出利用巨磁电阻效应的读头，使硬盘存储密度提高17倍，达到3Gb/in²；2009年，希捷公司采用MgO磁性隧道结材料做出磁头，使硬盘演示盘存储密度达到800Gbits/in²。

如上所述，目前的GMR自旋阀和TMR隧道结均采用了“磁层/间隔层/磁层”的三明治结构，其中对于GMR自旋阀而言，间隔层一般使用诸如Cu、Ru之类的非磁导电金属层，而对于TMR隧道结而言，间隔层一般使用诸如Al₂O₃、MgO之类的非磁绝缘层。利用两个磁层的磁矩的平行和反平行配置来产生磁致电阻。

人们在单势垒磁性隧道结的研究方面已经取得了显著成果，但是单势垒隧道结材料在实际应用中还面临着许多问题，如TMR值将随外加电压增加而急剧下降。1997年Zhang等人从理论上预言了具有量子共振隧穿效应的双势垒隧道结的TMR值是单势垒隧道结的2倍，并且TMR值随偏压的增加下降较缓慢(参将Zhang等人的文章Phys.Rev.B56(1997)5484)。进而基于磁性隧道结可能产生的量子效应已经成为一个重要的研究课题。2005年Lu等人利用第一性原理计算的结果预测了Fe/MgO/Fe/Cr结构的磁性隧道结的铁磁金属层Fe中s带电子量子阱态所导致的自旋相关共振隧穿效应(参见Zhong-YiLu等人的文章Phys.Rev.Lett.94(2005)207210)。2006年，Wang等人利用第一性原理计算发现这种基于MgO(001)势垒的双磁性势垒隧道结中随着中间层铁的厚度变化所产生的量子阱分布。同年，Nozaki等人在这种双磁性势垒隧道结中发现通过中间铁层中电子的量子阱态导致的隧穿电导随偏压的振荡效应。

然而，基于MgO(001)势垒的双势垒磁性隧道结的量子共振隧穿效应在实验上并不明显。为了能获得实验上可观察到的量子共振隧穿效应，发明专利CN201510382329.3中提出了在磁性隧道结中使用具有类尖晶石晶体结构的非磁绝缘势垒层。虽然在该结构中可观察到显著的量子共振隧穿效应，但是该结构与基于MgO势垒层的传统双势垒磁性隧道结具有同样的问题：由于两个势垒层之间的作为势阱的中间磁层的厚度非常薄，一般在0.5-5nm的范围，因此很难使蚀刻工艺精确地停止在中间磁层处以暴露和引出中间磁层。这个问题也阻碍了双势垒磁性隧道结在各种自旋电子学器件中的实际应用。

因此，需要继续探索新的双势垒磁性隧道结，其能够克服上述问题中的一个或多个。

发明内容

本发明提出了一种新颖的双磁性势垒隧道结结构。顾名思义，该双磁性势垒隧道结结构包括两个磁性势垒层，因此其完全不同于传统的包括两个非磁势垒层的隧道结。另一方面，本发明的双磁性势垒隧道结的三个导电层中的至少一个可以由非磁导电材料形成，在一些实施例中，这三个导电层可以均由非磁导电材料形成，因此也不同于传统的包括三个磁性导电层的隧道结结构。

根据本发明一示范性实施例，一种双磁性势垒隧道结可包括：第一导电层；设置在所述第一导电层上的第一势垒层；设置在所述第一势垒层上的第二导电层；设置在所述第二导电层上的第二势垒层；以及设置在所述第二势垒层上的第三导电层，其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层中的每个都由磁性绝缘材料形成。

在一示例中，所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层中的至少一个由非磁导电材料形成。

在一示例中，所述磁性绝缘材料包括：R₃Fe₅O₁₂，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu；MFe₂O₄，其中M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg和Co；以及Fe₃O₄、BaFe₁₂O₁₉、和SrFe₁₂O₁₉。所述第一势垒层和所述第二势垒层每个的厚度在0.6nm至8nm的范围。

在一示例中，所述第一势垒层具有固定磁化方向，所述第二势垒层具有自由磁化方向。

在一示例中，所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层每个都由非磁导电材料形成。

在一示例中，所述第一导电层由反铁磁导电材料或硬磁导电材料形成以固定所述第一势垒层的磁化方向。

在一示例中，当所述第一导电层由硬磁导电材料形成时，所述双磁性势垒隧道结还包括设置在所述第一导电层和所述第一势垒层之间的耦合层，其通过将所述第一导电层和所述第一势垒层铁磁或反铁磁耦合来固定所述第一势垒层的磁化方向。

在一示例中，所述第二导电层由Cu、Ag、Cr、Au或Ru形成。

在一示例中，所述第二导电层由磁性导电材料形成，所述第二导电层的磁化方向与所述第一势垒层的磁化方向相同，并且所述双磁性势垒隧道结还包括设置在所述第二导电层与所述第二势垒层之间的磁去耦层以将所述第二导电层和所述第二势垒层磁去耦。

在一示例中，所述第二导电层直接接触所述第一势垒层或通过中间耦合层铁磁耦合到所述第一势垒层。

在一示例中，所述第二导电层的厚度小于其自旋扩散长度。

在一示例中，所述第二导电层的厚度小于其弹性散射自由程。

在一示例中，所述第二导电层形成为具有晶体结构或准晶体结构。

在一示例中，所述第三导电层由软磁材料形成，并且，所述第三导电层直接接触所述第二势垒层或者通过中间耦合层铁磁耦合到所述第二势垒层，使得所述第三导电层和所述第二势垒层的磁化方向彼此相同。

根据本发明另一示范性实施例，一种自旋电子学器件可包括上述双磁性势垒隧道结中的任何一种。

在一示例中，所述自旋电子学器件是自旋二极管、自旋晶体管、磁敏传感器、磁存储器、自旋振荡器、温度传感器或自旋逻辑器件。

在一示例中，所述自旋电子学器件是自旋晶体管，所述第一导电层用作所述自旋晶体管的发射极，所述第二导电层用作所述自旋晶体管的基极，并且所述第三导电层用作所述自旋晶体管的集电极。

在一示例中，所述自旋电子学器件是温度传感器，所述第一导电层由反铁磁材料或硬磁材料形成以钉扎所述第一势垒层的磁化方向，所述第三导电层由反铁磁材料或硬磁材料形成以钉扎所述第二势垒层的磁化方向，从而使得所述第一势垒层的磁化方向和所述第二势垒层的磁化方向彼此反平行。

根据本发明另一示范性实施例，一种单磁性势垒隧道结可包括：第一导电层；设置在所述第一导电层上的第一磁层，所述第一磁层由磁性绝缘材料形成；设置在所述第一磁层上的第二导电层；设置在所述第二导电层上的第二磁层，所述第二磁层由磁性导电材料形成；以及设置在所述第二磁层上的第三导电层。

在一示例中，所述第一导电层和所述第三导电层中的一个由反铁磁材料或硬磁材料形成以固定所述第一磁层和所述第二磁层中的对应一个的磁化方向，所述第一导电层和所述第三导电层中的另一个以及所述第二导电层由非磁导电材料形成。

附图说明

图1示出根据本发明一示范性实施例的双磁性势垒隧道结的多层结构。

图2A和图2B示意性示出图1所示的双磁性势垒隧道结的能带图。

图3示出根据本发明另一示范性实施例的双磁性势垒隧道结的多层结构。

图4A和图4B示意性示出图3所示的双磁性势垒隧道结的能带图。

图5示出根据本发明一示范性实施例的自旋二极管的结构示意图。

图6A、6B和6C示出图5的自旋二极管的信号曲线图，以演示该自旋二极管的原理。

图7示出根据本发明一示范性实施例的自旋振荡器的示意性结构图。

图8示出根据本发明一示范性实施例的自旋晶体管的示意性结构图。

图9示出根据本发明一示范性实施例的单磁性势垒隧道结的多层结构。

具体实施方式

这里提供的小标题仅是为了说明的便利，而无意限制本发明的范围。

双磁性势垒隧道结

图1示出根据本发明一示范性实施例的双磁性势垒隧道结100的多层结构。图2A和图2B示意性示出图1所示的双磁性势垒隧道结100的能带图。应注意，为了使图2A和图2B所示的能带图与图1所示的多层结构相对应，以便于理解所示的能带图，图1以横向叠置而非上下叠置的方式示出双磁性势垒隧道结100所包括的多个层。

参照图1，双磁性势垒隧道结100包括第一导电层102、第一势垒层104、第二导电层106、第二势垒层108和第三导电层110。与传统的双势垒磁性隧道结(未示出)不同，本实施例的双磁性势垒隧道结100中的第一势垒层104和第二势垒层108可由磁性绝缘材料形成。

具体而言，可用于形成第一势垒层104和第二势垒层108的磁性绝缘材料的示例包括但不限于：R₃Fe₅O₁₂，其中R可以是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu；MFe₂O₄，其中M可以是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg和Co；以及Fe₃O₄、BaFe₁₂O₁₉、SrFe₁₂O₁₉等。第一势垒层104和第二势垒层108可以由不同的材料形成，并且可以形成为具有不同的厚度。例如，在一些实施例中，第一势垒层104和第二势垒层108中的一个，例如第一势垒层104，可用作参考磁层，其磁化方向在双磁性势垒隧道结100的操作期间保持不变，而第一势垒层104和第二势垒层108中的另一个，例如第二势垒层108，可用作自由磁层，其磁化方向在双磁性势垒隧道结100的操作期间可响应于外磁场而自由旋转。在这样的实施例中，第一势垒层104可以由矫顽力较大的磁性绝缘材料形成，并且形成为具有较大的厚度，而第二势垒层108可以由矫顽力较小的磁性绝缘材料形成，并且形成为具有较小的厚度。一般而言，第一势垒层104和第二势垒层108每个的厚度可以在0.6nm至10nm的范围，优选地在0.8nm至8nm的范围，或者更优选地在0.8nm至5nm的范围。

在一些实施例中，第一、第二和第三导电层102、106和110中的每个都可由具有良好导电性的非磁材料形成，例如，诸如Cu、Au、Ag、Al、Ta、Ru、Cr之类的非磁金属或者它们的合金。

第一导电层102还可以由磁性导电材料形成。例如，在一些实施例中，第一导电层102可以由诸如Ir、Fe、Rh、Pt、Pd与Mn的合金之类的反铁磁材料形成。这样的第一导电层102可以用作钉扎层，其能够固定第一势垒层104的磁化方向。在一些实施例中，第一导电层102还可以由例如具有较高矫顽力的硬磁材料形成。由硬磁材料形成的第一导电层102可以与第一势垒层104直接接触，从而通过直接耦合来固定第一势垒层104的磁化方向。或者替代地，还可以在第一导电层102与第一势垒层104之间设置中间耦合层(未示出)，以通过交换耦合来固定第一势垒层104的磁化方向。这样的中间耦合层可以由例如Ru、Cu等材料形成，并且其优选地诱导第一导电层102与第一势垒层104之间的铁磁耦合(即，平行耦合)。

在一些实施例中，当第一导电层102由磁性导电材料形成时，还可以在第一导电层102的与第一势垒层104相反的一侧形成单独的导电层以用作电极层，例如可由Cu、Ta、Ru、Ag、Au等具有良好导电性的金属形成电极层。

除了前述非磁金属或合金之外，第二导电层106还可以由其他非磁导电材料形成，例如但不限于半导体材料、有机材料、超导材料等。优选地，第二导电层106的厚度可以小于形成其的材料的自旋扩散长度，以维持在其中传导的电子的自旋属性。因此在一些实施例中，第二导电层106优选由具有较长的自旋扩散长度的材料形成，例如但不限于Cu、Ru、Ag、Cr、Au等。F.J.Jedema等人在“ElectricalSpinInjectionandAccumulationatRoomTemperatureinanAll-metalMesoscopicSpinValue”，Nature,Vol410,p345-348,2001中报道了Cu的自旋扩散长度在4.2K的温度下可达到1μm，在室温下为约350nm。此外，MarkJohnson在“SpinPolarizationofGoldFilmsviaTransported(Invited)”，J.Appl.Phys75(10),p6714-6719,1994中报道了Au在低温下的自旋扩散长度甚至可达到5.1μm。考虑到要获得良好的磁电阻，第二导电层106的厚度可以为0.5至100nm，优选地，0.6至50nm。

在一些实施例中，第二导电层106还可以由磁材料形成，例如Co、Fe、Ni，和它们的合金。当第二导电层106由磁材料形成时，优选地，其磁化方向可以与固定磁层(例如，第一势垒层104)的磁化方向一致。例如，由磁材料形成的第二导电层106可以直接耦合或者通过中间耦合层铁磁耦合到第一势垒层104。此外，还优选在第二导电层106与自由磁层(例如，第二势垒层108)之间形成磁去耦层以将两者磁去耦，该磁去耦层可以由诸如Cu、Cr、Ru和Ag之类的非磁导电材料形成。

在一些实施例中，第三导电层110也可以由磁材料形成。当第三导电层110由磁材料形成时，优选地，第三导电层110的磁化方向与第二势垒层108平行。在一些实施例中，第三导电层110可以接触从而直接耦合到第二势垒层108；在一些实施例中，第三导电层110可以通过中间耦合层铁磁耦合到第二势垒层108。优选地，第三导电层110可以由软磁材料例如坡莫合金形成。从而当存在外磁场时，第三导电层110可以和第二势垒层108一起随外磁场而旋转，从而能更容易地改变第二势垒层108的方向。在一些实施例中，当第三导电层110由磁材料形成时，还可以在第三导电层110的与第二势垒层108相反的一侧形成单独的导电层以用作电极层，例如可由Cu、Ta、Ru、Ag、Au等具有良好导电性的金属形成电极层。

下面参照图2A和2B所示的能带图来说明图1所示的双磁性势垒隧道结100的操作，其中图2A示出第一势垒层104和第二势垒层108的磁化方向彼此平行时的能带图，图2B示出第一势垒层104和第二势垒层108的磁化方向彼此反平行时的能带图。

参照图2A，例如，第一导电层102中的电子可以是非自旋极化的，也就是说，包括大约相同数量的自旋向上的多子电子和自旋向下的少子电子。当向双磁性势垒隧道结100施加的偏压V使得第一导电层102中的费米能级E_F大于第二导电层106中的费米能级E_F时，二者之间可发生电子隧穿，其中电子隧穿的几率T由下面的公式1确定。

公式1

其中，m是电子的有效质量，E_B是势垒高度，w是势垒宽度，是普朗克常数。应注意的是，在本发明的双磁性势垒隧道结100中，第一势垒层104和第二势垒层108均由磁材料形成，磁材料的磁化方向会影响势垒层对特定自旋的电子的势垒高度。具体而言，自旋方向与势垒层的磁化方向相同的电子，将更容易隧穿通过势垒(即，势垒高度低)，而自旋方向与势垒层的磁化方向相反的电子将更难以隧穿通过势垒(即，势垒高度高)。因此，如图2A所示，第一导电层102中的自旋向上的电子更容易隧穿通过第一势垒层104，从而在第二导电层106中得到自旋极化的电流。

由于第二导电层106的厚度小于其自旋扩散长度，因此隧穿经过第一势垒层104而进入第二导电层106的自旋向上的电子在到达第二势垒层108时，仍可保持其自旋属性。当第二势垒层108的磁化方向与第一势垒层104的磁化方向相同(在本示例中，二者均向上)时，如图2A所示，其势垒高度E_B对于第二导电层106中的自旋向上的电子而言较低，因此第二导电层106中的自旋向上的电子可以继续隧穿通过第二势垒层108，到达第三导电层110。此时，将有较大的电流从第一导电层102隧穿经过第一势垒层104和第二势垒层108到达第三导电层110，因此双磁性势垒隧道结100表现为低电阻状态。

相反，当第二势垒层108的磁化方向与第一势垒层104的磁化方向相反(在本示例中，第一势垒层104的磁化方向向上，第二势垒层108的磁化方向向下)时，如图2B所示，其势垒高度E_B对于第二导电层106中的自旋向上的电子而言较高，因此第二导电层106中的自旋向上的电子难以隧穿通过第二势垒层108而到达第三导电层110。仅有第二导电层106中的少量自旋向下的电子，其可能来自于隧穿经过第一势垒层104的自旋向下的电子，或者隧穿经过第一势垒层104的自旋向上的电子在第二导电层106中受到杂质散射而改变其自旋方向，变成自旋向下的电子，可隧穿通过第二势垒层108而到达第三导电层110。此时，将有较小的电流从第一导电层102隧穿经过第一势垒层104和第二势垒层108到达第三导电层110，因此双磁性势垒隧道结100表现为高电阻状态。

上面以电子从第一导电层102向第三导电层110移动为例描述了双磁性势垒隧道结100的操作。应理解，双磁性势垒隧道结100亦可以被相反地偏置，使得电子从第三导电层110向第一导电层102移动，其具体操作过程与上面描述的相同，因此此处不再重复描述。

图3示出根据本发明另一示范性实施例的双磁性势垒隧道结200的多层结构。图4A和图4B示意性示出图3所示的双磁性势垒隧道结200的能带图。应注意，图3所示的双磁性势垒隧道结200与图1所示的双磁性势垒隧道结100基本相同，除了第二导电层206以外。相同的元素用相同的附图标记指示，此处不再对其进行重复描述。

如图3所示，双磁性势垒隧道结200包括有第二导电层206。在图1所示的实施例中，第二导电层106的厚度小于该层的自旋扩散长度，以维持在其中的传导电子的自旋属性。而在图3所示的示例中，第二导电层206的厚度小于该层的弹性散射平均自由程，其一般比该层的自旋扩散长度更小，以使得第二导电层206中的能级出现量子化。例如，W.Wu等人在“InfluenceofSurfaceandGrain-boundaryScatteringontheResistivityofCopperinreduceddimensions”，Appl.Phys.Lett.，Vol.84,No.15,p2838-2840,2004中报导了Cu的弹性散射平均自由程在室温下为约39nm。此外，Ag的弹性散射平均自由程为大约53nm，Au的弹性散射平均自由程为大约36nm。一般而言，为了确保产生良好的量子能级，第二导电层206的厚度可以在0.5nm至30nm的范围，优选地，在0.6nm至20nm的范围，或者更优选地，在0.8nm至10nm的范围。

为了确保在第二导电层206中产生量子能级，在前面参照图1描述的用于形成第二导电层106的材料中，可以使用具有周期性排列的、晶体或准晶体结构的材料来形成第二导电层206。此外，第二导电层206中的量子能级还与两侧的势垒高度相关。如前所述，第一势垒层104和第二势垒层108的势垒高度还与它们的磁化方向相关。一般而言，当第一势垒层104和第二势垒层108的势垒高度较高、第二导电层206的厚度较小、第二导电层206的晶体结构更完整、并且第二导电层206两侧的界面质量越高时，可以在第二导电层206中形成更稳定的、并且能隙更宽的多个量子能级。

下面参照图4A和4B所示的能带图来说明图3所示的双磁性势垒隧道结200的操作，其中图4A示出第一势垒层104和第二势垒层108的磁化方向彼此平行时的能带图，图4B示出第一势垒层104和第二势垒层108的磁化方向彼此反平行时的能带图。

如图4A所示，第二导电层206中有多个量子化能级En，其中n可以等于1、2、3、4等，虽然图4A仅示意性示出了两个能级。当向双磁性势垒隧道结200施加偏压V，使得例如第一导电层102的电子能级进入第二导电层206中的某个量子能级En附近时，第一导电层102中的电子与势阱中的电子能级共振，第一导电层102中的多子电子通过量子干涉效应隧穿到第二导电层206中。由于第二势垒层108的磁化方向与第一势垒层104相同，所以势阱中的多子电子能够继续隧穿通过第二势垒层108而到达第三导电层110。此时，通过双磁性势垒隧道结200的电流较大，双磁性势垒隧道结200处于低电阻态。

当例如通过外磁场而改变第二势垒层108的磁化方向时，如前所述，磁化方向的变化会改变第二势垒层108的势垒高度，进而改变第二导电层206中的量子能级En的位置。从而，即使偏置电压V保持不变，即，第一导电层102中的电子能级不变，由于第二导电层206中的量子能级En的位置发生了变化，所以前述量子干涉效应不再发生，因此电子不能从第一导电层102共振隧穿到第二导电层206中，双磁性势垒隧道结200处于高电阻态。如此操作的双磁性势垒隧道结200可用作自旋晶体管，这将在下面进一步详细描述。

上面参照图1至图4B描述了本发明的双磁性势垒隧道结的一些示范性实施例。可以看出，本发明的双磁性势垒隧道结截然不同于常规的双势垒磁性隧道结。例如，本发明的双磁性势垒隧道结结构包括两个磁性势垒层，因此其完全不同于传统的包括两个非磁势垒层的隧道结。另一方面，本发明的双磁性势垒隧道结的三个导电层中的至少一个可以由非磁导电材料形成，在一些实施例中，这三个导电层可以均由非磁导电材料形成，因此也不同于传统的包括三个磁性导电层的隧道结结构。

如前所述，本发明的双磁性势垒隧道结的中间导电层(106、206)可以形成为具有更大的厚度。因此，能够更容易地引出中间导电层。例如，可以使蚀刻工艺停止在中间导电层上以暴露出部分中间导电层，从而在该部分中间导电层上沉积引线。这对于双磁性势垒隧道结的实际应用而言是非常重要的。

另一方面，本发明的双磁性势垒隧道结的两个势垒层由磁化材料形成，并且可以直接接触势阱层(即，中间导电层106、206)，因此能通过势垒层的磁矩来调制势阱层中的量子能级(磁矩调制势垒高度，势垒高度进而调制量子能级)。这为本发明的双磁性势垒隧道结带来了更灵活的操作和更丰富的应用场景。

再者，与常规的包括三个磁性金属层的双势垒磁性隧道结相比，本发明的双磁性势垒隧道结仅包括两个磁层，即第一势垒层104和第二势垒层108。因此，就用于控制磁化方向的相关结构和工艺而言，本发明的双磁性势垒隧道结更简单，且更易于实施。例如，常规的双势垒磁性隧道结包括两个磁化方向相同的固定磁化层和一个位于二者之间的自由磁化层，因此至少需要两个钉扎层来分别固定这两个固定磁化层的磁化方向，并且需要相应的磁控沉积工艺或磁场下退火工艺来将这两个固定磁化层的磁化方向设置为彼此相同。而本发明的双磁性势垒隧道结仅包括一个固定磁化层(例如，第一势垒层104)和一个自由磁化层(例如，第二势垒层108)，因此只需要一个钉扎层来钉扎固定磁化层的磁化方向，并且不需要考虑将该固定磁化层的磁化方向设置为与别的固定磁化层相同。

又一方面，在本发明的双磁性势垒隧道结中，三个导电层可以由各种导电材料形成，例如由磁性导电材料或非磁性导电材料形成均可。因此，本发明的双磁性势垒隧道结具有更灵活的材料选择范围。

上面描述了本发明的双磁性势垒隧道结的一些示范性实施例。将理解，本发明的双磁性势垒隧道结可以作为自旋电子学器件应用于多种场合，下面给出一些示范性的应用示例。

磁敏传感器

继续参照图1和图3，双磁性势垒隧道结100和200可用作磁敏传感器。

如前所述，第一势垒层104可具有固定磁化方向，第二势垒层108可具有自由磁化方向。也就是说，第二势垒层108的磁化方向可以随外磁场而自由旋转。可以理解的是，双磁性势垒隧道结100/200的电阻大小与第二势垒层108的自由磁化方向(外磁场方向)和第一势垒层104的固定磁化方向之间的夹角θ的余弦成正比。因此，利用一个双磁性势垒隧道结100/200即可确定外磁场在一个方向上的分量；而利用三个相互正交设置的双磁性势垒隧道结100/200，即可确定三维空间中的磁场。

在另一些实施例中，还可以使用四个双磁性势垒隧道结100/200来构成惠斯通电桥电路，并且利用该惠斯通电桥电路来测量沿某一方向的磁场分量。这样的惠斯通电桥电路能够补偿因诸如温度之类的环境因素对单个双磁性势垒隧道结100/200所造成的影响，从而提高测量准确性。同样，可以利用三个相互正交设置的惠斯通电桥电路来确定三维空间中的磁场。由于使用常规的磁性隧道结构成的惠斯通电桥电路来作为磁场传感器是本领域已知的，而将本发明的双磁性势垒隧道结应用到该技术是显而易见的，并不需要任何创造性的劳动，因此此处不再对这样的惠斯通电桥电路进行详细的描述。

特别地，利用双磁性势垒隧道结100/200的磁敏传感器还可以用作例如诸如硬盘驱动器之类的磁存储装置中的磁头等。

应理解，本发明的双磁性势垒隧道结100/200在磁敏传感器领域中的应用可以基本上与常规的单势垒或双势垒磁性隧道结在该领域的应用相同。换言之，本发明的双磁性势垒隧道结100/200可以直接取代常规的单势垒或双势垒磁性隧道结应用在磁敏传感器领域中，除了必要的参数优化之外。因此，这里不再对这些具体应用进行进一步的详细描述。

磁存储器

仍继续参照图1和图3，如前所述，当第一势垒层104的磁化方向平行于第二势垒层108的磁化方向时，双磁性势垒隧道结100/200的电阻最低；相反，当第一势垒层104的磁化方向反平行于第二势垒层108的磁化方向时，双磁性势垒隧道结100/200的电阻最高。利用该属性，双磁性势垒隧道结100/200还可用作磁存储器。例如，双磁性势垒隧道结100/200的低阻态可对应于逻辑数据“0”，双磁性势垒隧道结100/200的高阻态可对应于逻辑数据“1”，或者反之亦可。数据的写入可利用电流引起的奥斯特磁场、自旋转移力矩(STT)效应、自旋霍尔效应相关的自旋转移力矩(SHE-STT)效应等来实现。由于常规的单势垒和双势垒磁性隧道结用作磁存储器以及相关的读取和写入操作是本领域已知的，而将本发明的双磁性势垒隧道结应用到这些技术是显而易见的，并不需要任何创造性的劳动，因此此处不再对这样的磁存储器及其相关的操作进行详细的描述。

自旋二极管

图5示出根据本发明一示范性实施例的自旋二极管300的实施例。自旋二极管300中与图1所示的双磁性势垒隧道结100的相同的部分用相同的附图标记指示，此处不再重复对其的详细描述。但是应理解，图3所示的双磁性势垒隧道结200同样可用于自旋二极管300。图6A、6B和6C示出图5所示的自旋二极管300的信号曲线以演示其原理。

如图5所示，自旋二极管300包括形成在衬底101上的叠层结构。衬底101可以是绝缘体衬底或半导体衬底，例如但不限于玻璃衬底、Si衬底、SiO₂衬底、塑料衬底、蓝宝石衬底等。衬底101上可以形成有缓冲层103。缓冲层103可以由金属或合金制成，例如Cr、CoFe、Ta、Ru等，可具有5nm-5μm之间的厚度。缓冲层103可改善形成在其上的第一导电层102与衬底101之间的粘合性，为第一导电层102提供良好的沉积表面。在一些实施例中，缓冲层103亦可被省略。

在缓冲层103上可以形成有前面参照图1描述的双磁性势垒隧道结100，其包括第一导电层102、第一势垒层104、第二导电层106、第二势垒层108和第三导电层110。这里，第一势垒层104可具有固定磁化方向，而第二势垒层108可具有自由磁化方向。由于这些层已经在上面参照图1进行了详细论述，此处不再赘述。

在第三导电层110上可以形成有盖层105。盖层105可以由耐腐蚀且具有良好导电性的金属形成，例如Ta、Au等，以保护下面的多层结构。当第三导电层110由具有耐腐蚀和良好导电性的金属形成时，盖层105亦可被省略。第一导电层102可耦接到第一电极端子107，盖层105可耦接到第二电极端子109。

下面参照图5、6A、6B和6C来描述自旋二极管300的原理。为了说明的便利，以从第一电极端子107经自旋二极管300到第二电极端子109的电流方向为正电流方向。应注意，电子流动方向与电流方向相反。在第一电极端子107处可以施加交流电流I，如图6A所示。当交流电流I为负极性时，电子从第一导电层102隧穿经过第一势垒层104而到达第二导电层106。由于第一势垒层104具有固定磁化方向，隧穿后的电流成为自旋极化电流。自旋极化电流在隧穿经过第二势垒层108时，其携带的自旋转移力矩使第二势垒层108的磁化方向与第一势垒层104的磁化方向一致(图6B中右侧的磁化方向所示)，从而隧道结的电阻较低。当交流电流I为负极性时，电子从第三导电层110隧穿经过第二势垒层108到达第二导电层106。由于第一势垒层104具有固定磁化方向，所以在第二导电层106与第一势垒层104的界面处，具有与第一势垒层104的磁化方向对应的自旋的电子可以隧穿经过第一势垒层104，而具有与第一势垒层104的磁化方向相反的自旋的电子会被反射到第二导电层106与第二势垒层108的界面处，从而使第二势垒层108的磁化方向趋于与第一势垒层104的磁化方向相反(图6B中左侧的磁化方向所示)，进而使隧道结的电阻较高。当交流电流I的频率与具有自由磁化的第二势垒层108的磁矩进动频率接近时，在正向和负向电流的作用下，隧道结的电阻值变化(如图6B的ΔR所示)，使得自旋二极管300在第二电极端子109处输出直流电压，如图6C的ΔV所示，其中ΔV＝I*ΔR。从而，自旋二极管300将交流输入信号(图6A)转变成倍频的直流信号(图6C)。

自旋振荡器

图7示出根据本发明一示范性实施例的自旋振荡器400，其包括图1所示的双磁性势垒隧道结100。但是应理解，图2所示的双磁性势垒隧道结100亦可用于图7的自旋振荡器400。图7所示的自旋振荡器400可具有与图5所示的自旋二极管300相同的多层结构，仅其操作有所不同。因此，这里不再重复描述自旋振荡器400的多层结构。

如图7所示，可以利用直流电源301在自旋振荡器400的第一电极端子107和第二电极端子109之间施加直流电流I_DC。电感器302可以与直流电源301串联以保证仅直流电流I_DC被施加到自旋振荡器400，而滤除交流信号成分。当直流电流I_DC流经自旋振荡器400时，由于自旋转移力矩(STT)效应，将使自由磁层(第二势垒层108)的磁矩绕平衡位置发生进动。第二势垒层108的磁矩进动导致自旋振荡器400的电阻变化，从而输出振荡信号。还可以在输出端子109处连接电容器303以滤除直流信号，而仅输出交流信号。

自旋振荡器400具有许多优点。例如，相对于传统的LC振荡器和晶体振荡器，自旋振荡器400可具有非常小的体积，并且还产生频率高得多的振荡信号，例如能达到10GHz以上，而晶体振荡器的输出频率一般不超过200MHz。因此，自旋振荡器400在高频振荡电子设备中可具有广泛的用途。

自旋晶体管

图8示出根据本发明一实施例的自旋晶体管500，其包括图1所示的双磁性势垒隧道结100。应理解，图3所示的双磁性势垒隧道结200亦可用于图8所示的自旋晶体管500。图8所示的自旋晶体管500的多层结构与图5所示的自旋二极管300基本相同，此处不再重复对其进行详细描述。与图5所示的自旋二极管300不同的是，自旋晶体管500的第二导电层106还连接到第三电极端子111。其中，第一电极端子107可用作发射极，第二电极端子109可用作集电极，第三电极端子111可用作基极。

当第二势垒层108的磁化方向与第一势垒层104相同时，与第一和第二势垒层104、108的磁化方向一致的多子电子将从发射极107隧穿经过第一和第二势垒层104、108到达集电极109，此时集电极109上的电流较大。当第二势垒层108的磁化方向与第一势垒层104相反时，此时虽然多子电子能隧穿经过第一势垒层104到达第二导电层106，但是由于与第二势垒层108的磁化方向相反而受到强烈的散射作用，因此停留在第二导电层106中，发生振荡，仅有很少电子由于受到杂质散射或其他非弹性散射作用导致自旋翻转，从而可以通过第二势垒层108而进入第三导电层110，此时集电极109的电流较小。此外，如前所述，还可以通过在合适的条件下诱发量子共振隧穿效应，来使集电极109上的电流得到放大。

温度传感器

返回参照图1，双磁性势垒隧道结100还可以用作温度传感器。实验表明，当磁性隧道结具有反平行配置时，磁性隧道结的电阻随温度呈线性变化。利用该现象，可以将磁性隧道结用作温度传感器，其具有高精度、高稳定性、高灵敏度、小型化等优点。具体而言，双磁性势垒隧道结100用作温度传感器时，第一势垒层104和第二势垒层108的磁化可以彼此反平行排列。在一些实施例中，可以将第一势垒层104和第二势垒层108形成为具有较大的矫顽力，例如但不限于通过将其形成为具有较大的厚度来实现较大的矫顽力，使得第一势垒层104和第二势垒层108的磁化方向被固定在彼此相反的方向上。这种结构在本领域中也称为自钉扎结构。在另一些实施例中，例如第一导电层102可以由反铁磁材料形成以固定第一势垒层104的磁化方向，并且第三导电层110可以由反铁磁材料形成以固定第二势垒层108的磁化方向，使得第一势垒层104的磁化方向反平行于第二势垒层108的磁化方向。此外，当用于温度传感器时，本发明的双磁性势垒隧道结还可进行各种变化，例如发明专利申请公开WO2015/062174A1中描述的那些。

类似地，图3所示的双磁性势垒隧道结200也可用作温度传感器。

其他应用

上面描述了本发明的双磁性势垒隧道结的一些应用示例，但是应理解，本发明的双磁性势垒隧道结的应用场景不限于上述示例。例如，在一些实施例中，本发明的双磁性势垒隧道结还可以用于自旋逻辑器件等，例如在韩秀峰等人编著的《自旋电子学导论》第27章第6节所述的自旋逻辑器件，以及发明专利申请CN201510574526.5中描述的逻辑器件等。基本上，本发明的双磁性势垒隧道结可以应用到传统的单势垒或双势垒磁性隧道结所能应用到的所有场景，包括但不限于上述示例场景。

单磁性势垒隧道结及其应用

上面描述了包括两个磁性势垒层的隧道结，应理解的是，还可以将本发明的磁性势垒层应用到单势垒隧道结结构。

图9示出根据本发明一示范性实施例的单磁性势垒隧道结600。在图9所示的单磁性势垒隧道结600中，与图1所示的双磁性势垒隧道结100相同的元素用相同的附图标记表示，此处省略对其的重复描述。

如图9所示，单磁性势垒隧道结600包括依次设置的第一导电层102、第一磁层104、第二导电层106、第二磁层608和第三导电层110。其中，第一磁层104由磁性绝缘材料形成，用作势垒层，如前面参照图1描述的那样。与图1所示的双磁性势垒隧道结100不同的是，第二磁层608是导电磁层，而不是绝缘势垒磁层。

优选地，第二磁层608由铁磁材料形成。可用于形成第二磁层608的导电磁性材料的示例包括但不限于Co、Fe、Ni以及它们的合金。应理解的是，这些材料仅是部分示例，第二磁层608可以由用于常规磁性隧道结中的导电磁层的那些材料中的任何材料形成。

在一些实施例中，第一磁层104和第二磁层608中的一个可以用作具有固定磁化的参考磁层，而另一个可用作磁化方向可随外磁场改变的自由磁层。例如，当第一磁层104用作参考磁层时，第一导电层102可由反铁磁材料或硬磁材料形成以钉扎第一磁层104的磁化方向，而第二磁层608可由矫顽力较小的软磁材料形成。反之，当第二磁层608用作参考磁层时，第三导电层110可由反铁磁材料或硬磁材料形成以钉扎第二磁层108的磁化方向，而第一磁层104可由矫顽力较小的软磁绝缘材料形成。

在一些特殊应用中，例如当将隧道结600用于温度传感器时，此时要求两个磁层反平行设置，使得隧道结600的电阻与温度成线性关系。为此，第一导电层102和第三导电层110两者都可以由反铁磁材料或硬磁材料形成以分别钉扎第一磁层104和第二磁层108的磁化方向，使两者的磁化方向彼此反平行。

第二导电层106可以由非磁导电层形成。如前所述，优选地，第二导电层106由具有较大的自旋扩散长度的材料形成。

容易理解的是，通过第一磁层104和第二磁层108的平行配置和反平行配置，单磁性势垒隧道结600可以实现低电阻态和高电阻态。其原理和前面描述的类似，此处不再赘述。

与前面描述的双磁性势垒隧道结100和200相比，图9所示的单磁性势垒隧道结600只有一个势垒层，因此其不能形成势阱结构，也不能产生量子共振隧穿现象。但是，由于单磁性势垒隧道结600只有一个势垒层，因此其具有较小的电阻，从而可以在较低的电压下操作，有助于节省能耗。

同样，单磁性势垒隧道结600也可以作为自旋电子器件用于各种应用中，包括但不限于上面作为示例描述的那些应用。

此外，虽然上面在平面磁化的上下文中描述了本发明的一些实施例，但是将理解，本发明的磁隧道结中的磁层亦可具有垂直磁化。例如，两个磁层可以都具有垂直磁化，或者一个磁层具有面内磁化，而另一个磁层具有垂直磁化。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。

Claims (20)

1.一种双磁性势垒隧道结，包括：

第一导电层；

设置在所述第一导电层上的第一势垒层；

设置在所述第一势垒层上的第二导电层；

设置在所述第二导电层上的第二势垒层；以及

设置在所述第二势垒层上的第三导电层，

其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层中的每个都由磁性绝缘材料形成。

2.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层中的至少一个由非磁导电材料形成。

3.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述磁性绝缘材料包括：

R₃Fe₅O₁₂，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu；

MFe₂O₄，其中M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg和Co；以及

Fe₃O₄、BaFe₁₂O₁₉、和SrFe₁₂O₁₉，并且

其中，所述第一势垒层和所述第二势垒层每个的厚度在0.6nm至8nm的范围。

4.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第一势垒层具有固定磁化方向，所述第二势垒层具有自由磁化方向。

5.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层每个都由非磁导电材料形成。

6.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第一导电层由反铁磁导电材料或硬磁导电材料形成以固定所述第一势垒层的磁化方向。

7.如权利要求6所述的双磁性势垒隧道结，其中，当所述第一导电层由硬磁导电材料形成时，所述双磁性势垒隧道结还包括设置在所述第一导电层和所述第一势垒层之间的耦合层，其通过将所述第一导电层和所述第一势垒层铁磁或反铁磁耦合来固定所述第一势垒层的磁化方向。

8.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第二导电层由Cu、Ag、Cr、Au或Ru形成。

9.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第二导电层由磁性导电材料形成，所述第二导电层的磁化方向与所述第一势垒层的磁化方向相同，并且所述双磁性势垒隧道结还包括设置在所述第二导电层与所述第二势垒层之间的磁去耦层以将所述第二导电层和所述第二势垒层磁去耦。

10.如权利要求9所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第二导电层直接接触所述第一势垒层或通过中间耦合层铁磁耦合到所述第一势垒层。

11.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第二导电层的厚度小于其自旋扩散长度。

12.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第二导电层的厚度小于其弹性散射自由程。

13.如权利要求12所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第二导电层形成为具有晶体结构或准晶体结构。

14.如权利要求1所述的双磁性势垒隧道结，其中，所述第三导电层由软磁材料形成，并且，所述第三导电层直接接触所述第二势垒层或者通过中间耦合层铁磁耦合到所述第二势垒层，使得所述第三导电层和所述第二势垒层的磁化方向彼此相同。

15.一种自旋电子学器件，包括权利要求1至14中的任一项所述的双磁性势垒隧道结。

16.如权利要求15所述的自旋电子学器件，其中，所述自旋电子学器件是自旋二极管、自旋晶体管、磁敏传感器、磁存储器、自旋振荡器、温度传感器或自旋逻辑器件。

17.如权利要求15所述的自旋电子学器件，其中，所述自旋电子学器件是自旋晶体管，所述第一导电层用作所述自旋晶体管的发射极，所述第二导电层用作所述自旋晶体管的基极，并且所述第三导电层用作所述自旋晶体管的集电极。

18.如权利要求15所述的自旋电子学器件，其中，所述自旋电子学器件是温度传感器，所述第一导电层由反铁磁材料或硬磁材料形成以钉扎所述第一势垒层的磁化方向，所述第三导电层由反铁磁材料或硬磁材料形成以钉扎所述第二势垒层的磁化方向，从而使得所述第一势垒层的磁化方向和所述第二势垒层的磁化方向彼此反平行。

19.一种单磁性势垒隧道结，包括：

第一导电层；

设置在所述第一导电层上的第一磁层，所述第一磁层由磁性绝缘材料形成；

设置在所述第一磁层上的第二导电层；

设置在所述第二导电层上的第二磁层，所述第二磁层由磁性导电材料形成；以及

设置在所述第二磁层上的第三导电层。

20.如权利要求19所述的单磁性势垒隧道结，其中，所述第一导电层和所述第三导电层中的一个由反铁磁材料或硬磁材料形成以固定所述第一磁层和所述第二磁层中的对应一个的磁化方向，所述第一导电层和所述第三导电层中的另一个以及所述第二导电层由非磁导电材料形成。