CN106711323A - 一种利用二维材料的磁性异质结构磁性隧道结 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用二维材料的磁性异质结构磁性隧道结，其整体上为垂直堆叠的三明治结构，上层为铁磁性层或非铁磁性材料层，下层为铁磁性层或非铁磁性材料层，上层和下层之间为二维材料层。本发明使用二维材料作为隧穿层构成一种新型的新型磁性异质结构，可实现真正的2D原子级厚度和连续可调控的能带特性，为下一代磁存储、磁传感、自旋逻辑、量子计算等应用提供了巨大的尺寸缩小空间和灵活应用的潜力。

Description

一种利用二维材料的磁性异质结构磁性隧道结

技术领域

本发明属于半导体器件领域；具体涉及一种应用电—磁或者类似磁效应的磁性隧道结。

背景技术

自旋电子学是一个新兴的并且有着巨大活力和发展应用前景的领域。近几十年来，自旋电子学发展迅速，新结构、新材料、新器件等方面的创新探索层出不穷，并使得磁存储工业发生了巨大的变革和进步。高灵敏度、微型、集成的磁敏传感器和磁阻元件是近几十年存储器件存储密度快速增长发展的核心。

传统的磁阻元件利用的是各向异性磁电阻(AMR)效应，其磁阻变化只有1％～2％的量级。1988年，在多层磁性金属膜Fe/Cr/Fe中发现了巨磁电阻效应(GMR)，其磁阻变化达到10％～20％，较AMR提升了一个数量级。很快GMR就在各个方面产生了广泛的应用，最重要的是其在硬盘存储方面的应用。1997年，GMR磁读头代替了原来的AMR磁读头，大大提高了硬盘的数据读写精度，使得存储密度从1Gbit/in²提高到100Gbit/in²以上。GMR效应的发现者也因此被授予2007年的诺贝尔物理学奖。GMR效应的成功引领了研究磁阻效应和自旋电子学的一阵热潮。暨此以后，庞磁电阻效应(CMR)、隧穿磁电阻效应(TMR)等被相继发现。其中TMR效应已经可以达到200％的室温磁阻变化并具有很高的磁场灵敏度，目前在磁敏元件和磁性存储领域(MRAM等)的应用已经处于实用应用化的阶段。

TMR效应承载的基本结构是磁性隧道结(MTJ)，类似于一个三明治的结构，由铁磁金属材料/绝缘材料/铁磁金属材料堆叠构成。电子通过量子隧穿效应在上下的铁磁金属材料之间传导。当上下两层铁磁金属材料的磁矩在平行和反平行状态之间变化的时候，不同自旋的电子的传导情况会有很大的区别，对外整体表现为低阻态和高阻态的不同；而这个金属材料的磁矩，则可以通过很小的外磁场来诱导改变，从而实现了微磁场检测或者存储比特的功能。

目前的MTJ结构中，中间的绝缘材料大多使用的是传统的金属氧化物绝缘材料，例如氧化镁MgO、氧化钛TiO₂、氧化铪HfO₂、氧化铝Al₂O₃等材料。这些材料结构简单，生长工艺也较为成熟，研究也很多。但是传统的绝缘材料有一些无法克服缺点：1)传统的金属氧化物绝缘层厚度上的降低会使得绝缘层漏电流急剧增大，使得隧穿结结构失效，抗击穿能力变差；2)传统绝缘材料的能带结构是固定的，少数可以通过制造过程中化学计量比的控制来调节材料的能带，这使得隧穿结界面性能的优化能力受限，往往无法得到理论最优材料参数的材料。

近些年来，以石墨烯为代表的新型二维材料迅速发展并受到人们的热切关注。从最初的石墨烯开始，已经发展到了包括氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等材料在内的十分丰富的材料体系。制备方法也从最开始的机械剥离，到目前多种多样的化学气相沉积生长、分子束外延、干法转移、湿法转移等多种途径，新的方法也不断地被研究开发应用。本专利将基于二维材料或二维材料异质结与磁性材料结合构成新型的新型磁性异质结构，该结构具有结构厚度小，抗击穿能力强，能隙结构连续可调和高隧穿过滤特性。

发明内容

本发明的目的是利用二维材料的特殊结构和物理特性，从本质上解决使用传统绝缘材料作为隧穿绝缘层所制备的磁性隧道结结构存在的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种利用二维材料的磁性异质结构磁性隧道结，其结构为：

整体上为垂直堆叠的三明治结构。上层为铁磁性层或非铁磁性材料层，下层为铁磁性层或非铁磁性材料层，上层和下层之间为二维(2D)材料层。

其中，所述铁磁性层的材料为铁Fe、钴Co、玻莫合金NiFe、铁钴合金CoFe、CoFeB、LaSrMnO、GaMnAs、CoFeAl、YFeO、CoFeO或人工反铁磁中的一种或多种,所述人工反铁磁选自CoFe/Ru/CoFeB、NiFe/Ru/CoFe中的一种；所述非铁磁性材料层为导电层和自旋轨道耦合强的非磁金属层，非铁磁性材料为Ta、Ir、Pt、W中的一种或多种。

其中，以二维材料层作为隧穿层，所述二维材料选自氮化硼BN、黑磷BP、氮化硼和石墨烯的复合结构、氧化石墨烯、石墨烯、硒化铟InSe中的一种。

进一步地，所述二维材料层的厚度为

本发明所述磁性异质结构磁性隧道结的制备方法，包括步骤：

1)首先利用掩膜版或者光刻版的方式，利用磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积方法中的一种或多种，在衬底上面生长下层铁磁性层或非铁磁性层材料，形成底电极；

2)接着利用化学气相沉积、湿法转移、干法转移方法中的一种或多种，制备二维材料隧穿层；

3)利用掩膜版的方式，采用磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积方法中的一种或多种，生长上层铁磁性层或非铁磁性材料层，形成顶电极。本发明的一种优选实施方式为，所述步骤2)中，用胶带和/或高分子溶胶将二维材料转移到步骤1)所制底电极上。所述高分子溶胶可以为原花青素、瓜尔胶、聚丙烯酰胺、黄原胶中的一种。

本发明的另一优选实施方式为，所述步骤2)中，中间的2D材料层采用微波辅助等离子体化学气相沉积(CVD)的方法制备：

S1：将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器；

S2：通入甲烷和氢气的混合气体，由于微波的注入使甲烷-氢气混合气体产生了等离子体，在底电极的表面进行沉积石墨烯。

本发明的有益效果在于：

本发明使用二维材料作为隧穿层构成一种新型的新型磁性异质结构，可实现真正的2D原子级厚度和连续可调控的能带特性，为下一代磁存储、磁传感、自旋逻辑、量子计算等应用提供了巨大的尺寸缩小空间和灵活应用的潜力。

使用二维材料作为隧穿壁垒来构成磁性隧道结，实现了真正的原子层级别的厚度，从而使器件的尺寸等比例缩小的极限大大提高，并从根本上解决了传统绝缘材料所存在的过薄导致的漏电流问题。

使用二维材料作为隧穿壁垒来构成磁性隧道结，使得可以透过外场作用调节材料的能带结构和能隙大小，使得能隙大小这一重要的材料参数从真正意义上实现了连续变化，并可以在应用场景下进行调控。

附图说明

图1为上下两层都为铁磁性层，中间为2D材料的磁性异质结示意图；

图2为上层为铁磁性层，下层为导电层和自旋轨道耦合强的非磁性层，中间为2D材料的磁性异质结示意图；

图3为下层为铁磁性层，上层为导电层和自旋轨道耦合强的非磁性层，中间为2D材料的磁性异质结示意图；

图4为磁性异质结的制备过程示意图；

图中，100为铁磁电极上层，101为2D材料，102为铁磁电极，110为非铁磁电极，2为衬底。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如无特别说明，实施例中采用的手段均为本领域技术人员已知的技术手段。

实施例1

一种利用二维材料的磁性异质结构磁性隧道结，结构见图1，整体上为垂直堆叠在衬底2上的三明治结构。上层为铁磁电极上层100，下层为铁磁电极102，上层和下层之间为2D材料101。

本实施例中，铁磁电极上层100为硼铁化钴(CoFeB)材料制成，下层的铁磁电极102为硼铁化钴(CoFeB)材料制成，中间的2D材料101层由石墨烯构成。上下层铁磁电极CoFeB的矫顽力不同，可以在不同的磁场下进行磁矩翻转，使上下层铁磁性层的磁矩呈平形态或反平形态。

制备流程见图4。其中，硼铁化钴(CoFeB)材料层的上层和下层均采用磁控溅射方法制成，采用的靶材为Co₂₀Fe₆₀B₂₀。溅射的工艺参数为：背底真空度为10Pa，溅射功率为90W，氩气流量为20sccm，溅射压强为0.4Pa，靶材与衬底距离为5cm。

中间的2D材料101层采用以下方法制备：-

S1：制备PPC(聚碳酸丙烯脂)溶胶：将15wt％的PPC放入苯甲醚中，置于50摄氏度热板上使其完全溶解；然后滴到载玻片上，在50摄氏度下加热约2h至凝固。

S2：将PPC溶胶用胶带转移到1mm见方的洁净载玻片上的PDMS(聚二甲基硅氧烷)块上；将载玻片固定至显微镜下。

S3：在显微镜下找到机械剥离的带石墨烯的衬底(制备石墨烯的衬底)，对准，加热PPC至40摄氏度之后压下，使石墨烯被PPC粘上来。

S4：换成已经做好102层的衬底2，在显微镜下对准，加热PPC至110摄氏度后，移动使带石墨烯的PPC和衬底贴紧，再抬起载玻片。石墨烯被转移到衬底上。

所获得的氧化石墨烯2D材料层的厚度为0.3～0.5nm。

实施例2

一种利用二维材料的磁性异质结构磁性隧道结，结构见图2，整体上为垂直堆叠在衬底2上的三明治结构。上层为铁磁电极上层100，下层为非铁磁电极110，上层和下层之间为2D材料101。

本实施例中，铁磁电极上层100为硼铁化钴(CoFeB)材料制成，下层的非铁磁电极110为Pt材料制成，中间的2D材料101层由石墨烯构成。

其中，硼铁化钴(CoFeB)材料层的上层采用和实施例1相同的磁控溅射方法制成。下层的非磁电极110为Pt材料通过真空热蒸发制成。

中间的2D材料101层可采用如下方法制备：

S1：利用胶带的粘合力，通过多次粘贴将HOPG(高定向热解石墨),鳞片石墨等层层剥离；

S2：将带有石墨薄片的胶带粘贴到硅片等非铁磁电极下层上；

S3:去除胶带，在非磁电极下层的表面形成单层或少层的石墨烯作为隧穿层；

铁磁电极上层利用硬掩膜的方法，在中间2D材料隧穿层上，通过和实施例1相同的磁控溅射方法制成。为了防止磁控溅射生长过程中将2D材料损坏，可减小溅射的功率和增大靶材与衬底之间的距离。

实施例3

一种利用二维材料的磁性异质结构磁性隧道结，结构见图3，整体上为垂直堆叠在衬底2上的三明治结构。上层为非磁电极110，下层为铁磁电极102，上层和下层之间为2D材料101。

本实施例中，铁磁电极下层100为硼铁化钴(CoFeB)材料制成，上层的非铁磁电极110为Pt材料制成，中间的2D材料101层由石墨烯构成。

其中，硼铁化钴(CoFeB)材料层的下层采用和实施例1相同的磁控溅射方法制成。上层的非铁磁电极110为Pt材料采用和实施例2相同的真空热蒸发方法制成。

中间的2D材料101层可采用微波辅助等离子体CVD生长的方法制备：

S1：将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器；

S2：通入甲烷和氢气的混合气体，由于微波的注入使甲烷-氢气混合气体产生了等离子体，在电磁电极下层100的表面进行沉积石墨烯。

此法由于具有等离子体的辅助沉积，具有沉积温度低，时间短等优点。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用二维材料的磁性异质结构磁性隧道结，其特征在于，

整体上为垂直堆叠的三明治结构，上层为铁磁性层或非铁磁性材料层，下层为铁磁性层或非铁磁性材料层，上层和下层之间为二维材料层。

2.根据权利要求1所述的磁性异质结构磁性隧道结，其特征在于，所述铁磁性层的材料为铁Fe、钴Co、玻莫合金NiFe、铁钴合金CoFe、CoFeB、LaSrMnO、GaMnAs、CoFeAl、YFeO、CoFeO或人工反铁磁中的一种或多种，所述人工反铁磁选自CoFe/Ru/CoFeB、NiFe/Ru/CoFe中的一种；所述非铁磁性材料层为导电层和自旋轨道耦合强的非磁金属层，非铁磁性材料为Ta、Ir、Pt、W中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的磁性异质结构磁性隧道结，其特征在于，以二维材料层作为隧穿层，所述二维材料选自氮化硼、黑磷、硒化钨、氮化硼和石墨烯的复合结构、氧化石墨烯、石墨烯、硒化铟中的一种。

4.根据权利要求1～3任一项所述的磁性异质结构磁性隧道结，其特征在于，所述二维材料层的厚度为

5.权利要求1～4任一项所述磁性异质结构磁性隧道结的制备方法，其特征在于，包括步骤：

1)首先利用掩膜版或者光刻版的方式，采用磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积方法中的一种或多种，在衬底上面生长下层铁磁性层或非铁磁性层材料，形成底电极；

2)接着利用化学气相沉积、湿法转移、干法转移方法中的一种或多种，制备二维材料隧穿层；

3)利用掩膜版的方式，采用磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积方法中的一种或多种，生长上层铁磁性层或非铁磁性材料层，形成顶电极。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，用胶带和/或高分子溶胶将二维材料转移到步骤1)所制底电极上。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，中间的2D材料层采用微波辅助等离子体化学气相沉积的方法制备：

S1：将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器；

S2：通入甲烷和氢气的混合气体，由于微波的注入使甲烷-氢气混合气体产生了等离子体，在底电极的表面进行沉积石墨烯。