CN107527995B - 基于光敏中间层的光控磁阻器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，本发明共提出2种实施方案。方案一：使用光敏材料取代现有磁阻器件中的非光敏中间层材料，即该磁阻器件的核心结构为“铁磁层/光敏中间层/铁磁层”，其中上下两个铁磁层作为自由层及参考层。方案二：在方案一的基础上，在铁磁层和光敏中间层之间，进一步设置缓冲层。本发明提出的基于光敏中间层的磁阻器件由于其中间层电学性质的光可调控性，增加了通过光学方法调控器件磁阻的新维度，使得单个磁阻器件可以实现4种以上电阻状态，从而可以存储多比特数据。因此能够实现更高的数据存储密度，同时降低单比特数据储存成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，能够实现用光学方法调控磁阻效应，属于数据存储器技术领域。
背景技术
以自旋阀(Spin-valve)和磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，简称MTJ)为代表的磁阻器件在磁存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)、硬盘读头、磁传感器等方面都有重要应用。其核心部分主要由三层薄膜组成，其中两个铁磁层被中间非磁层分隔开，即“铁磁层/非磁中间层/铁磁层”三明治结构。其中一个铁磁层的磁化方向是固定不变的，称为参考层或固定层；另一个铁磁层的磁化方向可以被改变成与参考层层平行(Parallel，简称P)或者反平行(Anti-Parallel，简称AP)，称为自由层。由于巨磁阻效应(Giant Magnetoresistance)或隧穿磁阻效应(Tunneling Magnetoresistance)的存在，当两个铁磁层的磁化方向平行时，器件呈现低阻(RP)状态；而当两个铁磁层的磁化方向反平行时，器件会呈现高阻(RAP)状态，这两种状态可以在存储时分别用来表示二进制中的“0”和“1”。
传统上，磁阻器件的非磁中间层起到分隔两层铁磁层，并且传导自旋极化电子的作用，在器件工作时不具有对磁阻进行调控的作用。目前常用的中间层材料主要有非磁金属材料如Cu、Cr(对应于自旋阀)、金属氧化物如MgO、Al2O3(对应于MTJ)等。中间层材料的选择对于磁阻率的大小有一定影响，但是一旦材料确定，对于电阻值的调控只是通过控制上下铁磁层的相对磁化方向来进行，而不能通过对中间层材料的调控来影响电阻。
光敏材料的电学性质可以通过光照来有效调节，使用合适的光敏有机材料作为磁阻器件中间层材料，能够引入新的磁阻调控维度，在单个器件中利用磁阻效应和光阻效应的结合，实现4个及以上不同阻值状态，从而可以存储多个比特的数据，提高存储密度。
发明内容
一、发明目的：
针对上述背景中提到的传统“铁磁层/非磁中间层/铁磁层”磁阻器件单个器件只能实现两种存储状态的问题，本发明提供了一种基于光敏中间层的光控磁阻器件结构。光敏材料的引入使得能够额外通过光学的方法调控电阻，从而在单个器件中实现四种(或更多)的存储状态，相比传统的磁阻器件来说存储密度更高，每比特数据存储成本更低。
二、技术方案：
本发明的技术方案是：一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，其特征在于使用光敏材料取代现有磁阻器件中的非光敏中间层材料，从而实现额外的以光学方式对阻值的调控。本发明共提出2种实施方案。
方案一：
一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，其特征在于：使用光敏材料取代现有磁阻器件中的非光敏中间层材料，从而实现额外的以光学方式对阻值的调控，即该磁阻器件的核心结构为“铁磁层/光敏中间层/铁磁层”，其中上下两个铁磁层作为自由层及参考层，被光敏中间层分隔开。如附图1所示。
其中所述两个铁磁层，两者材料可以相同也可以不同，可以使用铁磁金属材料如铁Fe、钴Co、镍Ni等，也可以是其合金如钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等其中的一种，也可以是其他高自旋极化率的半金属或半金属合金材料如LaSrMnO3、Fe3O4、Co2FeAlSi等，还可以是磁性半导体材料如(GaMn)As、MnAs等。这些合金材料中各个元素的组成可以不一样，也可以掺杂。
所述光敏中间层材料包括但不局限于酞菁铜(Copper phthalocyanine，CuPc)、氟化酞菁铜(fluorinated copper phthalocyanine，F16CuPc)等酞菁类有机物，也可以是其它化学性质较稳定、其电学属性具有显著的光可调控性的光敏材料，例如Ge、锑化铟等光敏半导体等。
方案二：
一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，使用光敏材料取代现有磁阻器件中的非光敏中间层材料，即该磁阻器件的核心结构为“铁磁层/光敏中间层/铁磁层”，其中上下两个铁磁层作为自由层及参考层，被光敏中间层分隔开；同时在铁磁层和光敏中间层之间，进一步设置有缓冲层，即上下两个铁磁层作为自由层及参考层，光敏层作为中间层，光敏中间层与铁磁层被缓冲层分隔开，即从上到下依次是“铁磁层/缓冲层/光敏中间层/缓冲层/铁磁层”。这里缓冲层的作用之一是减小或避免所述的铁磁层和光敏中间层材料之间在制备过程中互相渗透，导致界面质量不好的问题；另一个作用是保护作为自由层的铁磁层，使其在制备过程中不与外界空气或中间层材料发生化学反应而破坏材料特性。如图2(a)所示。
其中所述两个铁磁层，两者材料可以相同也可以不同，可以使用铁磁金属材料如铁Fe、钴Co、镍Ni等，也可以是其合金如钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等其中的一种，也可以是其他高自旋极化率的半金属或半金属合金材料如LaSrMnO3、Fe3O4、Co2FeAlSi等，还可以是磁性半导体材料如(GaMn)As、MnAs等。这些合金材料中各个元素的组成可以不一样，也可以掺杂。
所述光敏中间层材料包括但不局限于酞菁铜(Copper phthalocyanine，CuPc)、氟化酞菁铜(fluorinated copper phthalocyanine，F16CuPc)等酞菁类有机物，也可以是其它化学性质较稳定、其电学属性具有显著的光可调控性的光敏材料，例如Ge、锑化铟等光敏半导体等。
所述的缓冲层可以仅存在与作为参考层的铁磁层和光敏中间层之间，作为自由层的铁磁层和中间层之间无缓冲层。如图2(b)所示。
其中，所述的缓冲层可以仅存在与作为自由层的铁磁层和光敏中间层之间，作为参考层的铁磁层和光敏中间层之间无缓冲层。如图2(c)所示。
所述的缓冲层是一层薄的导电材料，可以是化学性质稳定的金属如Ru、Cu、W等，也可以是金属的不完全氧化物如AlOx、MgOx等。
三、优点及功效：
本发明提供一种使用光敏材料作为中间层的磁阻器件。现有的基于非光敏中间层的磁阻器件只能通过调控上下铁磁层相对磁化方向实现2种电阻状态，因而单个器件只能存储1比特数据。与之相比，本发明提出的基于光敏中间层的磁阻器件由于其中间层电学性质的光可调控性，增加了通过光学方法调控器件磁阻的新维度，使得单个磁阻器件可以实现4种以上电阻状态，从而可以存储多比特数据。因此能够实现更高的数据存储密度，同时降低单比特数据储存成本。
附图说明
图1为基于光敏中间层的光控磁阻器件的一种核心结构(方案一)示意图。
图2(a)、(b)、(c)为基于光敏中间层的光控磁阻器件的另一种核心结构(方案二)示意图。
图3为基于光敏中间层的光控磁阻器件的一种核心结构(方案一)的一种特定实例的示意图。
图4为基于光敏中间层的光控磁阻器件的一种核心结构(方案二)的一种特定实例的示意图。
图5为基于光敏中间层的光控磁阻器件的一种核心结构(方案二)的一种特定实例的示意图。
图6为基于光敏中间层的光控磁阻器件的一种特定实例下的四种工作状态。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图。其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸，其描绘的形状也非严格按照实际形状。
在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。另外，将不会详细描述或将省略本发明的众所周知的模块，以免混淆本发明实施例的相关细节。
本发明提出了一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，光敏中间层的电学性质具有光可调控性，因而可以通过光学方法实现对器件电阻的调节，结合磁阻器件传统的电磁学调控方法，可以实现单器件多个比特数据的存储。
方案一
图1是基于光敏中间层的光控磁阻器件的一种核心结构(方案一)示意图。本发明对传统的基于非光敏中间层(如MgO，Cu等)的磁阻器件进行了改进，本发明新型光控磁阻器件使用光敏材料作为中间层。该新型MTJ核心层结构从上到下由铁磁层I(0～500nm)，光敏中间层(0～1000nm)，铁磁层II(0～500nm)构成。各层的磁化方向可以是都平行于面内，也可以是都沿垂直方向。作为参考层的铁磁层I或铁磁层II磁化方向固定，作为自由层的另一层的磁化方向可以通过一定的方式加以翻转，从而实现两层平行或者反平行的两种状态。实现自由层翻转的方法包括但不仅限于施加磁场、通过垂直电流的自旋转移动量矩(STT)、通过平行于面内电流的自旋轨道动量矩(SOT)等。光敏中间层的电学性质(体现为包括载流子浓度或电导率在内的属性)可以通过一定强度的、特定的一种或多种波长混合的光波照射来调控，当受到光照时，器件的电阻产生一定幅度的变小或变大(取决于光敏中间层材料电学性质对光照的反应)。用来调控的光波可以由小型激光器产生并通过光学系统聚焦在特定位置，也可以由光纤等媒介接入外部光源产生的光波并聚焦在特定位置。由于器件各层厚度很薄，光照可以透过铁磁层作用于中间层。因此如附图6所示，根据有无光照和两铁磁层相对磁化方向这两个条件的组合，单个基于光敏中间层的光控磁阻器件可以实现①无光照且磁化方向反平行②无光照且磁化方向平行③有光照且磁化方向反平行④有光照且磁化方向平行这四种不同的电阻值状态，可以分别表示二进制中的“11”、“10”、“01”、“00”四个不同的信息，即可以储存两比特的数据。
方案二
图2(a)、(b)、(c)是基于光敏中间层的、且增加了缓冲层的光控磁阻器件的一种核心结构(方案二)示意图。该结构从上到下由铁磁层I(0～500nm)，缓冲层(0～100nm)，光敏中间层(0～1000nm)，缓冲层(0～100nm)、铁磁层II(0～500nm)构成；其中铁磁层I、铁磁层II及光敏中间层与方案一相同，进一步的，在铁磁层I、铁磁层II和光敏中间层之间添加了缓冲层，将其分隔开，一方面减小或避免方案一中可能涉及的铁磁层和光敏中间层材料之间在制备过程中互相渗透，导致界面质量不好的问题；另一个方面保护铁磁层II使其在制备过程中不与外界空气或光敏中间层材料发生化学反应而破坏材料特性；此外缓冲层还可能有提高电子自旋极化率等有益影响。同时，缓冲层可以只存在于某一铁磁层和光敏中间层之间，如图2(b)，2(c)。缓冲层应具有一定的导电性，可以是化学性质稳定的金属如Ru、Cu、W等，也可以是金属的不完全氧化物如AlOx、MgOx等。
实施例1:
如图3所示，是基于光敏中间层的光控磁阻器件一种核心结构(方案一)的一种特定实例的示意图，所述铁磁层I的材料是金属钴(Co)，作为自由层；铁磁层II的材料是合金镍铁(Ni80Fe20)，作为参考层；中间层光敏材料是有机物氟化酞氰铜(F16CuPc)，其电学性质可以通过光照有效调控，且自旋弛豫长度较长，有利于磁阻效应的产生。
实施例2:
如图4所示，是基于光敏中间层的光控磁阻器件另一种核心结构(方案二)的一种特定实例的示意图，所述铁磁层I的材料是金属钴(Co)，作为自由层；铁磁层II的材料是合金镍铁(Ni80Fe20)，作为参考层；中间层光敏材料是有机物氟化酞氰铜(F16CuPc)；缓冲层材料是不完全氧化的铝(AlOX)，其能够防止铁磁层金属与中间层有机物互相渗透，从而保证两层之间界面质量良好，也在制备过程中保护铁磁层金属不与外界空气及相邻有机物发生化学反应受到破坏，同时其本身具有类似金属的导电性。
实施例3:
如图5所示，是基于光敏中间层的光控磁阻器件另一种核心结构(方案二)的一种特定实例。所述铁磁层I和铁磁层II的材料是合金钴铁硼(CoFeB)，分别作为自由层和参考层；中间层光敏材料是光敏半导体Ge；缓冲层材料是不完全氧化的镁(MgOX)，其能够防止铁磁层金属与中间层有机物互相渗透，从而保证两层之间界面质量良好，也在制备过程中保护铁磁层金属不与外界空气及相邻有机物发生化学反应受到破坏，同时其本身具有类似金属的导电性。
图6是基于光敏中间层的光控磁阻器件一种特定实例下的四种工作状态，表示四种不同的数据存储态。在本实例中，自由层和参考层磁化方向为垂直于薄膜平面方向，图中各层内的箭头方向表示各层的磁化方向。图中虚线箭头代表光照。通过对相对磁化方向的调控以及对光照条件的调控，单个基于光敏中间层的光控磁阻器件可以实现①无光照且磁化方向反平行②无光照且磁化方向平行③有光照且磁化方向反平行④有光照且磁化方向平行这四种不同的工作状态，四种状态下分别具有R4、R3、R2、R1四个不同电阻值，可以分别对应于二进制中的“11”、“10”、“01”、“00”四个不同的信息，因此可以储存两比特的数据。
Claims (6)
1.一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，其特征在于：使用光敏材料取代现有磁阻器件中的非光敏中间层材料，从而实现额外的以光学方式对阻值的调控，即该磁阻器件的核心结构为“铁磁层/光敏中间层/铁磁层”，其中上下两个铁磁层作为自由层及参考层，被光敏中间层分隔开；
所述两个铁磁层，两者材料可以相同也可以不同，包括但不限于铁磁金属材料铁Fe、钴Co、镍Ni；或是其合金钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe其中的一种；或是其他高自旋极化率的半金属/半金属合金材料LaSrMnO3、Fe3O4、Co2FeAlSi；或是磁性半导体材料(GaMn)As、MnAs；这些合金材料中各个元素的组成可以不一样，也可以掺杂；
所述光敏中间层材料包括但不局限于酞菁类有机物：酞菁铜、氟化酞菁铜；或是其它化学性质较稳定、其电学属性具有显著的光可调控性的光敏半导体材料：Ge、锑化铟；
在所述两个铁磁层和光敏中间层之间设有缓冲层，将铁磁层与光敏中间层分隔开，一方面减小或避免铁磁层和光敏中间层材料之间在制备过程中互相渗透，导致界面质量差的问题；另一个方面保护铁磁层使其在制备过程中不与外界空气或光敏中间层材料发生化学反应而破坏材料特性；所述缓冲层是具有一定导电性的化学性质稳定的金属为Ru、Cu、W，或者是金属的不完全氧化物为AlOx、MgOx；
通过对相对磁化方向的调控以及对光照条件的调控，单个基于光敏中间层的光控磁阻器件可实现无光照且磁化方向反平行、无光照且磁化方向平行、有光照且磁化方向反平行、有光照且磁化方向平行这四种不同的工作状态，四种状态下分别具有R4、R3、R2、R1四个不同电阻值，分别对应于二进制中的“11”、“10”、“01”、“00”四个不同的信息，使得所述光控磁阻器件可储存两比特的数据。
2.一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，其特征在于：使用光敏材料取代现有磁阻器件中的非光敏中间层材料，即该磁阻器件的核心结构为“铁磁层/光敏中间层/铁磁层”，其中上下两个铁磁层作为自由层及参考层，被光敏中间层分隔开；同时在铁磁层和光敏中间层之间，进一步设置有缓冲层，即上下两个铁磁层作为自由层及参考层，光敏层作为中间层，光敏中间层与铁磁层被缓冲层分隔开，即从上到下依次是“铁磁层/缓冲层/光敏中间层/缓冲层/铁磁层”；
所述两个铁磁层，两者材料可以相同也可以不同，包括但不限于铁磁金属材料铁Fe、钴Co、镍Ni；或是其合金钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe其中的一种；或是其他高自旋极化率的半金属/半金属合金材料LaSrMnO3、Fe3O4、Co2FeAlSi；或是磁性半导体材料(GaMn)As、MnAs；这些合金材料中各个元素的组成可以不一样，也可以掺杂。
3.根据权利要求2所述的一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，其特征在于：所述光敏中间层材料包括但不局限于酞菁类有机物：酞菁铜、氟化酞菁铜；或是其他化学性质较稳定、其电学属性具有显著的光可调控性的光敏半导体材料：Ge、锑化铟。
4.根据权利要求2所述的一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，其特征在于：所述的缓冲层可以仅存在于作为参考层的铁磁层和光敏中间层之间，作为自由层的铁磁层和中间层之间无缓冲层。
5.根据权利要求2所述的一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，其特征在于：所述的缓冲层可以仅存在于作为自由层的铁磁层和光敏中间层之间，作为参考层的铁磁层和光敏中间层之间无缓冲层。
6.根据权利要求2所述的一种基于光敏中间层的光控磁阻器件，其特征在于：所述的缓冲层是一层薄的导电材料，包括但不限于化学性质稳定的金属Ru、Cu、W，或是金属的不完全氧化物AlOx、MgOx。
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