CN107369757A - 一种采用拓扑绝缘体构成的电子自旋滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用拓扑绝缘体构成的电子自旋滤波器，包括由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的多层膜结构，或者包括由拓扑绝缘体和电介质相互渗透所形成的结构。通过将拓扑绝缘体与电介质做成多层膜，把三维的拓扑绝缘体变成许多近似于二维的拓扑绝缘体薄片，用电介质隔离开，来提高拓扑绝缘体的总体表面积；或是将拓扑绝缘体与电介质三维渗透融合来提高拓扑绝缘体的总体表面积，从而将拓扑绝缘体的导电能力发挥到了极致。本发明的电子自旋滤波器可以以串联的形式设置在自旋电子器件的一端或两端，从而为自旋电子器件提供具有高激化取向的高密度自旋电流。

Description

一种采用拓扑绝缘体构成的电子自旋滤波器
技术领域
本发明涉及半导体存储器领域，尤其涉及一种采用拓扑绝缘体构成的电子自旋滤波器。
背景技术
自旋电子学(Spintronics)也称磁电子学。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩，是一门新兴的学科和技术。应用于自旋电子学的材料，需要具有较高的电子磁极化率，以及较长的电子松弛时间。许多新材料，例如磁性半导体、半金属(又称为Heusler金属，参见：https://en.wikipedia.org/wiki/Heusler_alloy)、拓扑绝缘体(TI，Topological Insulator，参考：物理与工程，Vol.22，No.1，2012)等，近年来被广泛的研究，以求能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。Heusler金属里100％的同向激化电子自旋已经逐渐得到了实际应用(参见www.nature.com/articles/ncomms4974)。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面具有非常理想(近乎于超导体)的导电性，也就是说该材料的铁磁特性(或高磁化系数)能够产生电流，更重要的是，它不会造成能量的损失。并且，其电子自旋极化方向具有100％的相关一致性，由电流方向来决定。如图1所示，其中拓扑绝缘体1周围的黑色线条外框示意了其表面导电通路，并且输出的自旋电流具有高激化取向。所以拓扑绝缘体是继Heusler金属之后的又一个理想的电子自旋滤波器。近期的研究显示，原型拓扑绝缘体硒化铋(Bi2Se3)的一种薄膜在室温下可被用作自旋电流的一个非常高效的来源，包括在相邻的一种铁磁性镍-铁合金薄膜上产生一个强的自旋转移矩(参见：斯坦福大学张首晟团队在这方面的文章)。最近，研究者们已经将拓扑绝缘体的这一特性用来产生自旋转移力矩(STT，Spin Transfer Torque，参考：Nature 511，449-451，2014；Nature Materials 13，699–704(2014)，Kang L.Wang等)，用于实现磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)元件的写操作，即自旋极化的电流通过磁电阻元件时，可以通过STT改变记忆层的磁化方向。
在STT-MRAM制备过程中，如何获得足够大的具有相同激化方向的自旋电流是最关键的一步。而三维拓扑绝缘体自身体内处于电绝缘状态，只有表面才有导电性。这样将大大的限制拓扑绝缘体作为电子自旋滤波器的应用，特别是在STT-MRAM里面的应用。
发明内容
有鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种采用拓扑绝缘体构成的电子自旋滤波器，较之现有技术，在同等尺寸下提高了电子自旋滤波器的导电性能。
本发明的一种电子自旋滤波器，包括由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的多层膜结构。
进一步地，所述拓扑绝缘体层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的化合物，例如Sb2Se3、Sb2Te3、Bi2Se3、Bi2Te3、BiSbTeSe2等，或者采用的材料是在上述化合物中掺杂Cr或Mn。
进一步地，所述电介质层采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。
优选地，所述电介质层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物，例如BiSeO、SbTeN、BiTeC等。
进一步地，通过退火改善所述电子自旋滤波器的导电性能。
进一步地，所述多层膜结构中膜层的叠加方向垂直或平行于衬底表面。叠加方向垂直于衬底表面，即多层膜的各层面大致平行于衬底；叠加方向平行于衬底表面，即多层膜的各层面大致垂直于衬底。
本发明的另一种电子自旋滤波器，包括由拓扑绝缘体和电介质相互渗透所形成的结构，即拓扑绝缘体和电介质相互掺杂融合形成拓扑绝缘体-电介质导电介质。
进一步地，所述拓扑绝缘体采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的化合物，例如Sb2Se3、Sb2Te3、Bi2Se3、Bi2Te3、BiSbTeSe2等，或者采用的材料是在上述化合物中掺杂Cr或Mn。
进一步地，所述电介质采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。
优选地，所述电介质采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物，例如BiSeO、SbTeN、BiTeC等。
进一步地，拓扑绝缘体和电介质的组分X/(X+Y)稍大于XC，优选约大于XC，其中拓扑绝缘体和电介质所形成的拓扑绝缘体-电介质导电介质中，拓扑绝缘体与电介质的成分比为X：Y，拓扑绝缘体与电介质的渗透阈值为XC。
进一步地，通过退火改善所述拓扑绝缘体-电介质导电介质的导电性能。
进一步地，通过物理共溅射工艺形成拓扑绝缘体和电介质相互渗透的结构。
进一步地，使用拓扑绝缘体和电介质相混合的靶材，通过物理溅射工艺形成拓扑绝缘体和电介质相互渗透的结构。
本发明的电子自旋滤波器，一种是将拓扑绝缘体与电介质做成多层膜，把三维的拓扑绝缘体变成许多近似于二维的拓扑绝缘体薄片，用电介质隔离开，从而提高拓扑绝缘体的总体表面积；另一种是将拓扑绝缘体与电介质三维渗透融合来提高拓扑绝缘体的总体表面积。进一步地，根据两元介质的渗透理论(PERCOLATIONTHEORY，参考：Rev Mod Phys Vol.64，October 1992)，两种介质在其渗透阈值(PERCOLATION THRESHOLD)附近，其结构分布可以用三维枝晶(FRACTAL)来描述，其表面积处于极大，从而把拓扑绝缘体的导电能力发挥到了极致。
本发明的电子自旋滤波器可以以串联的形式设置在自旋电子器件的一端或两端，从而为自旋电子器件提供具有高激化取向的高密度自旋电流。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是拓扑绝缘体表面导电示意图，输出电流具有高激化取向；
图2是本发明的一种电子自旋滤波器的结构示意图，输出的自旋电流具有高激化取向；
图3与图2的电子自旋滤波器结构相同，仅是示出的输入电流方向相反；
图4是图2中电子自旋滤波器的一种制备过程中的结构示意图，已完成拓扑绝缘体的沉积以及光刻；
图5图3中结构经刻蚀、沉积电介质、平坦化后的结构示意图；
图6是本发明的另一种电子自旋滤波器的结构示意图；
图7与图6的电子自旋滤波器结构相同，仅是示出的输入电流方向相反。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
图2和图3示出了本发明的一种电子自旋滤波器(图2和图3在于输入电流I的方向不同，从而输出电流的电子自旋极化方向相反)，其中包括重复交替设置的拓扑绝缘体层101和电介质层102构成了多层膜结构，即[拓扑绝缘体/电介质层]n的多层超晶格结构。图2和图3中的结构采用了7层拓扑绝缘体层101和6层电介质层102。
对于拓扑绝缘体层101，虽然拓扑绝缘体材料众多，但是真正能在室温下保持拓扑绝缘性的并不多，例如Bi2Se3、Sb2Te3或Bi2Te3(参见：Robustness of topologicalorder and formation of quantum well states in topological insulators exposed to ambientenvironment，3694-3698，PNAS，March 6，2012，vol.109，no.1)都是不错的选择。
电介质层102可采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。优选的是与拓扑绝缘体具有相同的或相近的晶体结构，或者很容易结晶，能与拓扑绝缘体形成很好的晶格匹配，由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物，例如铋硒氧化物(BiSeO)、锑碲氮化物(SbTeN)或铋碲碳化物(BiTeC)。
本实施例的电子自旋滤波器可以以串联的形式设置在自旋电子器件的一端或两端，从而为自旋电子器件提供具有高激化取向的高密度自旋电流。图2和图3中的电子自旋滤波器的左右两侧可以直接与金属层或自旋电子器件的导电层相邻设置，从而构成串联设置。
图2和图3中的黑色线条示意了电子自旋滤波器的导电通路，较之图1中的结构，在同等尺寸下，可以提供更高密度的自旋电流。
本实施例的电子自旋滤波器的多层膜的各层面即可以是平行于衬底，也可以是垂直于衬底。
对于前者(即平行于衬底)，可以采用两种靶材(分别针对拓扑绝缘体层101和电介质层102)，通过物理溅射形成交替叠加的多层膜，即所谓的超晶格结构，溅射完成后通过退火，形成更好的层状结构以获得高导通电流。
对于后者(即垂直于衬底)，如图4所示，可以先沉积拓扑绝缘体100，再形成光阻层104，刻蚀后形成沟槽，再沉积电介质并平坦化后，即形成了重复交替设置的拓扑绝缘体层101和电介质层102，如图5所示。完成后通过退火，形成更好的层状结构以获得高导通电流。
对于后者(即垂直于衬底)，也可以先沉积电介质，再形成光阻层，刻蚀后形成沟槽，再沉积拓扑绝缘体并平坦化后，即形成了重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层。完成后通过退火，形成更好的层状结构以获得高导通电流。
实施例2
图6和图7示出了本发明的另一种电子自旋滤波器(图6和图7在于输入电流I的方向不同，从而输出电流的电子自旋极化方向相反)，其中拓扑绝缘体和电介质相互渗透形成三维枝晶网状结构。鉴于拓扑绝缘体和电介质的晶粒融合非常密集，图6和图7仅是通过方框内的黑色色块示意出两者结合处所存在的电流通路。
拓扑绝缘体可采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的化合物，例如Sb2Se3、Sb2Te3、Bi2Se3、Bi2Te3、BiSbTeSe2等，或者采用的材料是在上述化合物中掺杂Cr或Mn。
电介质可采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。优选的是与拓扑绝缘体具有相同的或相近的晶体结构，或者很容易结晶，能与拓扑绝缘体形成很好的晶格匹配，由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物，例如铋硒氧化物(BiSeO)、锑碲氮化物(SbTeN)或铋碲碳化物(BiTeC)。
拓扑绝缘体和电介质层相邻所形成的拓扑绝缘体(X)-电介质(Y)导电介质中，拓扑绝缘体与电介质的成分比为X：Y，拓扑绝缘体与电介质的渗透阈值为XC，需满足X/(X+Y)>XC，优选X/(X+Y)略高于XC，在XC附近可使拓扑绝缘体(X)-电介质(Y)导电介质具有最大的拓扑绝缘体表面积，从而具有最大的自旋电流密度，可获得最佳的电子自旋滤波效果。并且还可以通过高温退火来进一步改善拓扑绝缘体(X)-电介质(Y)导电介质的介质结构和导电性能。
本实施例的电子自旋滤波器同样可以以串联的形式设置在自旋电子器件的一端或两端，从而为自旋电子器件提供具有高激化取向的高密度自旋电流。图5中的电子自旋滤波器的左右两侧可以直接与金属层或自旋电子器件的导电层相邻设置，从而构成串联设置。
图6和图7中的黑色色块示意了电子自旋滤波器的导电通路，较之图1中的结构，在同等尺寸下，可以提供更高密度的自旋电流。
本实施例的电子自旋滤波器可通过以下两种方式制得：
1、采用两种靶材(分别针对拓扑绝缘体和电介质)，通过物理共溅射形成拓扑绝缘体和电介质相互掺杂的膜层，再通过退火，形成更好的三维枝晶网状结构以获得高导通电流。
2、使用拓扑绝缘体和电介质相混合的单一靶材，通过物理溅射形成膜层，即拓扑绝缘体和电介质相互渗透的结构，再通过退火，形成更好的三维枝晶网状结构以获得高导通电流。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电子自旋滤波器，其特征在于，包括由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的多层膜结构。
2.如权利要求1所述的电子自旋滤波器，其特征在于，所述拓扑绝缘体层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的化合物，或者在上述化合物中掺杂Cr或Mn。
3.如权利要求1所述的电子自旋滤波器，其特征在于，所述电介质层采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。
4.如权利要求1所述的电子自旋滤波器，其特征在于，所述电介质层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物。
5.如权利要求5所述的电子自旋滤波器，其特征在于，通过退火改善所述电子自旋滤波器的导电性能。
6.如权利要求1所述的电子自旋滤波器，其特征在于，所述多层膜结构中膜层的叠加方向垂直或平行于衬底表面。
7.一种电子自旋滤波器，其特征在于，包括由拓扑绝缘体和电介质相互渗透所形成的结构。
8.如权利要求7所述的电子自旋滤波器，其特征在于，通过物理共溅射工艺形成拓扑绝缘体和电介质相互渗透的结构。
9.如权利要求7所述的电子自旋滤波器，其特征在于，使用拓扑绝缘体和电介质相混合的靶材，通过物理溅射工艺形成拓扑绝缘体和电介质相互渗透的结构。
10.如权利要求7-9任一所述的电子自旋滤波器，其特征在于，拓扑绝缘体和电介质的组分X/(X+Y)稍大于XC，其中拓扑绝缘体与电介质的成分比为X：Y，拓扑绝缘体与电介质的渗透阈值为XC。
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