CN113257992B - 基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构 - Google Patents

基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，包括：拓扑绝缘体层、磁子阀部件及金属电极由下至上依次位于衬底上；磁子阀部件由下至上依次包括：第一铁磁绝缘体层、反铁磁层及第二铁磁绝缘体层，或磁子阀部件由下至上依次包括：第一铁磁绝缘体层、非铁磁层及第二铁磁绝缘体层；所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相同或者相反的磁矩方向；磁子阀结构的逆自旋霍尔电压在所述拓扑绝缘体层通入电流前后电平状态会改变。本发明利用拓扑绝缘体的高自旋霍尔角和高电导率特性，提升电流翻转磁矩的效率，可以将该磁子阀结构作为一种高效率、低损耗的新型存储器件结构。

Description

基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构
技术领域
本发明属于存储器领域，更具体地，涉及一种基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构。
背景技术
近年来，人工智能、云计算等领域的发展推动着世界信息数据量呈现指数式增长。根据国际数据公司(International Data Corporation，IDC)的统计显示，预计到2025年，全球数据量将达到163ZB。在如此巨大的数据量下，快速稳定的存储和数据处理技术是目前亟待解决的问题。根据信息存储介质和方法，目前的存储技术主要有三种，分别是半导体存储、磁存储和光存储。其中磁存储技术相对于其它两种技术具有数据存储密度高和非易失性等优势，是目前广泛关注的存储技术之一，参见文献T. Nozaki, T. Yamamoto, S.Miwa, et al. Recent Progress in the Voltage-Controlled Magnetic AnisotropyEffect and the Challenges Faced in Developing Voltage-Torque MRAM,Micromachines 10, 327, 2019。
目前市面上主流的磁存储技术所采用的结构有两种，分别是磁性自旋阀(Magnetic Spin Valve，MSV)和磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)结构，二者均采用两个磁性层中间夹一个非磁性层的三明治结构，这两种结构中电荷在磁性层的运输损耗较大。为了进一步减少电荷损耗，磁子阀结构被提出，参见文献Wu H, Huang L, FangC, et al. Magnon Valve effect between two magnetic insulators. Phys Rev Lett,2018, 120: 097205，这种结构将上述三明治结构里两个磁性层替换为磁性绝缘层，充分利用了电子的电荷和自旋属性，得到了一种高运算速度、高级程度和非易失性的新型存储器件。这三种磁存储结构的两个磁性层中的一个与反铁磁层固定，称为固定层，另一磁性层为自由层。通过改变自由层的磁矩方向，使之与固定层不同，从而结构呈现出两种阻态，实现数据存储。要改变自由层的磁矩方向，就涉及到磁矩翻转。磁矩翻转是实现磁子阀器件的重要部分，早期的磁矩翻转是通过电流线圈实现的，后来发展到自旋转矩转移法(SpinTorque Transfer，STT)，但是写入电流、功耗、写入速度、单元面积等特性仍需进一步提高。这是由于STT翻转机制中携带自旋流的载体为质量只有质子1/1840的电子，因此与质量成正比的力或者转矩都很小，电流携带自旋流而对磁矩产生转矩的效率理论极限不高。基于原子核与自旋轨道相互作用的自旋轨道转矩(Spin Orbital Torque，SOT)在理论上可以克服这一缺点。
中国专利文献CN 111697127A提出了一种基于重金属材料的自旋轨道转矩的磁随机存储器，重金属材料虽然具有较高的电导率，但是其自旋霍尔角较小，器件的效率还有待提高。中国专利文献CN 112054116A提出了一种基于III-V族窄禁带半导体的磁随机存储器，使用具有高迁移率的III-V族窄禁带半导体锑化铟或砷化铟作为自旋轨道转矩作用层。与传统基于重金属材料的自旋轨道转矩磁随机存储器(SOT-MRAM)相比，不仅能够与现有的半导体CMOS工艺相匹配，还可以提供比重金属材料更高的自旋轨道耦合强度，从而有效降低器件写入电流的功耗。但是该发明专利中磁隧道结仍采用传统的氧化铝作为绝缘层，重金属作为固定层，铁钴合金作为自由层，导致该结构的电流翻转磁矩效率仍然不高。自旋霍尔角是自旋流和电流绝对值的比值，角度值愈大，电流翻转磁矩的效率愈高；而电导率越高，电流越不易被通常为高电导的铁磁层旁路掉，损耗也越小。重金属电导率高，但自旋霍尔角却很小。
只有提高电流翻转磁矩的效率，SOT技术才可以真正得到广泛的商业化应用。拓扑绝缘体是一种具有高自旋霍尔角的材料，经过合理的成分设计，同时也可以获得较高的电导率，将其应用于磁隧道结可以有效提高电流翻转磁矩的效率。目前为止，基于拓扑绝缘体的研究更多的集中于材料本身，相关的磁存储器原型器件的研究及设计尚未提及，也没有将拓扑绝缘体和磁子阀中的磁性固定层和自由层特有的磁性绝缘材料结合起来的案例。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，旨在解决目前为止，基于拓扑绝缘体的研究更多的集中于材料本身，相关的磁存储器原型器件的研究及设计尚未提及，也没有将拓扑绝缘体和磁子阀中的磁性固定层和自由层特有的磁性绝缘材料结合起来的案例的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，包括：衬底、拓扑绝缘体层、磁子阀部件及金属电极；
所述拓扑绝缘体层、磁子阀部件及金属电极由下至上依次位于衬底上；
所述磁子阀部件由下至上依次包括：第一铁磁绝缘体层、反铁磁层及第二铁磁绝缘体层，或所述磁子阀部件由下至上依次包括：第一铁磁绝缘体层、非铁磁层及第二铁磁绝缘体层；所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相同或者相反的磁矩方向；
所述拓扑绝缘体层作为自旋轨道转矩层，所述拓扑绝缘体层与第一铁磁绝缘体层耦合，当拓扑绝缘体层有电流流过时，电流产生一个力矩，在该力矩的作用下，所述第一铁磁绝缘体层中的磁矩发生翻转；
在拓扑绝缘体层没有电流流过之前，若所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相同的磁矩方向，则所述磁子阀结构的逆自旋霍尔电压在所述拓扑绝缘体层通入电流前后由高电平状态转变为低电平状态；在拓扑绝缘体层没有电流流过之前，若所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相反的磁矩方向，则所述磁子阀结构的逆自旋霍尔电压在所述拓扑绝缘体层通入电流前后由低电平状态转变为高电平状态。
在一个可选的示例中，在拓扑绝缘体层没有电流流过之前，若所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相同的磁矩方向，则所述磁子阀结构的逆自旋霍尔电压在所述拓扑绝缘体层通入电流前后由高电平状态转变为低电平状态，此时该磁子阀结构可作为存储器件，通过控制向拓扑绝缘体层通入的电流实现存储器件的数据存储功能。
在一个可选的示例中，所述拓扑绝缘体层属于合金化合物材料，具体包括但不限于：BixSb1-x、Bi2Se3、Sb2Te3或Bi2Te3；0＜x＜1。
在一个可选的示例中，所述拓扑绝缘体层通过磁控溅射或分子束外延的方式在衬底上生长。
在一个可选的示例中，所述衬底为单晶衬底。
在一个可选的示例中，所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层均包括但不限于Y3Fe5O12层。
在一个可选的示例中，所述反铁磁层为金属氧化物材料，具体包括但不限于NiO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、MnO、FeO、CoO或MnF2。
在一个可选的示例中，所述非铁磁层为非磁金属材料，具体包括但不限于V、Cr、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。
需要说明的是，以下为了简化说明，将本发明提供的基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构简称为：SOT-磁子阀或SOT-磁子阀器件。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，以拓扑绝缘体材料作为自旋轨道转矩作用层的磁子阀结构，利用拓扑绝缘体的高自旋霍尔角和高电导率特性，提升电流翻转磁矩的效率，可以将该磁子阀结构作为一种高效率、低损耗的新型存储器件结构。
附图说明
图1是本发明中基于拓扑绝缘体和自旋轨道转矩效应的SOT-磁子阀器件各层分立结构示意图。
图2是本发明所采用的拓扑绝缘体自旋性能测试结构图。
图3是本发明所采用的磁子阀组件的结构示意图。
图4是本发明自旋轨道转矩翻转磁矩的磁子阀效应原理图。
图5是本发明基于拓扑绝缘体和自旋轨道转矩效应的SOT-磁子阀器件其逆自旋霍尔效应电压与磁场关系图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为衬底，2为拓扑绝缘体层，3为第一铁磁绝缘体层，4为反铁磁层或非铁磁层，5为第二铁磁绝缘层，6为金属电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，利用拓扑绝缘体的高自旋霍尔角和高电导率的特性，将其作为自旋轨道转矩作用层，配合磁子阀结构，实现磁子阀电流翻转磁矩效率的提高。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，其特征在于，包括自上而下位于衬底上的金属电极、磁子阀结构及拓扑绝缘体薄膜，其中，拓扑绝缘体薄膜同时也作为自旋轨道矩的作用层，当该层有电流通过时，实现对磁子阀磁矩的翻转从而达到数据存储的目的。
金属电极通过沉积的方式形成，通过光刻形成必要的图案或形状，用以测量器件运输性能，包括但不限于自旋霍尔效应、逆自旋霍尔效应、自旋泵浦效应等。金属电极在位于衬底上的拓扑绝缘体层有电流通过时，磁子阀结构产生磁子流变化，从金属电极中读出两种不同的信号状态。
磁子阀结构包含自下而上位于衬底上拓扑绝缘体上的第一铁磁绝缘体层、反铁磁层（或非铁磁层）和第二铁磁绝缘体层，形成铁磁绝缘层/反铁磁层/铁磁绝缘层的三明治结构，或形成铁磁绝缘层/非铁磁层/铁磁绝缘层的三明治结构。磁子阀结构所包含的第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层中具有相同或相反方向的磁矩分布。在器件运行过程中，第二铁磁绝缘层可以具有固定不变的磁化方向；在器件运行过程中，第一铁磁绝缘层与拓扑绝缘体层耦合，流经拓扑绝缘体层的电流会产生自旋轨道转矩效应，改变第一铁磁绝缘层中的磁矩方向，与第二铁磁绝缘体层的磁矩方向相反或相同，位于第二铁磁绝缘体层上的金属电极检测出相应的变化通过电信号反馈出来，实现磁子阀的导通和截止。
拓扑绝缘体层通过磁控溅射或分子束外延的方式在衬底上生长，与第一铁磁绝缘体层耦合，拓扑绝缘体具有高的自旋霍尔角和电导率，相比较于传统的重金属，拓扑绝缘体作为自旋轨道转矩层可以有效提高电流翻转磁矩的效率。
作为本发明的进一步优选，所述SOT-磁子阀中，所述金属电极为金属，具体为Au或Pt或者Ti金属。
作为本发明的进一步优选，所述SOT-磁子阀中，所述磁子阀结构中，所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层均包括但不限于Y3Fe5O12层。
作为本发明的进一步优选，所述SOT-磁子阀中，所述磁子阀结构中，所述反铁磁层为金属氧化物材料，具体包括但不限于NiO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、MnO、FeO、CoO或MnF2。
作为本发明的进一步优选，所述非铁磁层为非磁金属材料，具体包括但不限于V、Cr、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。
作为本发明的进一步优选，所述SOT-磁子阀中，所述拓扑绝缘体层为合金化合物材料，具体包括但不限于BixSb1-x、Bi2Se3、Sb2Te3或Bi2Te3。
作为本发明的进一步优选，所述SOT-磁子阀中，所述衬底为单晶衬底，具体包括但不限于钆镓石榴石（Gd3Ga5O12，GGG）衬底。
如图1所示，本发明中基于拓扑绝缘体和自旋轨道转矩的磁子阀结构，主要包括电极部分，磁子阀部分，自旋轨道转矩作用层部分。其中，
电极部分包括位于第二铁磁绝缘体层5上的金属电极6，具体为金属Pt电极。在一些实例中，所述金属电极6还可以是Au、Ag或其他金属材料。
磁子阀部分包括位于拓扑绝缘体层2上的第一铁磁绝缘体层3、反铁磁层或非铁磁层4和第二铁磁绝缘体层5。最上层的第二铁磁绝缘体层5与金属电极6直接接触，磁子阀部分中的磁矩变化输出通过该金属电极实现，拓扑绝缘体层2的电流变化导致磁矩翻转，第一铁磁绝缘体层3和第二铁磁绝缘体层5的磁矩方向的变化，使整个器件呈现出高、低两种逆自旋霍尔电压的状态。所述第一、第二铁磁绝缘体层具体为Y3Fe5O12。所述反铁磁层4具体为NiO。在一些实例中，所述反铁磁层4还可以是Fe2O3、FeO、CoO等。在一些实例中，所述反铁磁层4还可以是非磁金属，具体为Au、Ag、W等。
自旋轨道转矩作用层部分包括位于最底层的衬底1和位于衬底上方的拓扑绝缘体层2。拓扑绝缘体是一种材料内部绝缘，而界面处允许有电荷传输的材料，虽然它的电导率不高，但是自旋霍尔角很大。通过对材料的设计可以在保证大的自旋霍尔角的同时，实现高的电导率。因此，用该材料作为自旋轨道转矩作用层，可以实现高效率的电流翻转磁矩。所述拓扑绝缘体层2有电流流过时，电流会产生一个力矩，在该力矩的作用下，所述磁子阀结构中的第一铁磁绝缘体层3中的磁矩会发生翻转。所述自旋轨道转矩作用层部分中，衬底1为铁电单晶衬底，具体为Gd3Ga5O12。所述自旋轨道转矩作用层部分中，拓扑绝缘体层2具体为BixSb1-x。在一些实例中，所述拓扑绝缘体层2还可以是Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3等。
所述电极6部分具体厚度为10 nm。在一些实例中，所述电极厚度还可以是5nm ~20nm。所述电极通过磁控溅射法沉积在第二铁磁绝缘体层5表面。在一些实例中，所述电极还可以通过电子束蒸发（E-beam）、分子束外延（MBE）等方法沉积。
所述磁子阀部分，第一铁磁绝缘体层3具体厚度为20 nm。在一些实例中，所述第一铁磁绝缘体层厚度还可以是20nm ~30nm。所述反铁磁层4厚度为15 nm。在一些实例中，所述反铁磁层厚度还可以是15nm ~20nm。所述第二铁磁绝缘体层5具体厚度为40 nm。在一些实例中，所述第二铁磁绝缘体层厚度还可以是40nm ~50nm。所述磁子阀各部分均通过磁控溅射法依次沉积。在一些实例中，所述磁子阀各部分还可以通过脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延（MBE）等方法沉积。
所述自旋轨道转矩作用层部分，衬底1具体厚度为500 μm。拓扑绝缘体层2具体厚度为10 nm。在一些实例中，所述拓扑绝缘体层厚度还可以是5 nm ~15 nm。
该实施例可以采用如下步骤的制备方法：
在单晶Gd3Ga5O12（111）衬底上采用磁控溅射制备一层BixSb1-x，通过控制Bi靶和Sb靶溅射源功率的不同来控制相应的元素比例。
在生长好的上述自旋轨道转矩作用层上采用磁控溅射的方式依次制备第一铁磁绝缘体层、反铁磁层、第二铁磁绝缘体层形成MI/NM/MI磁子阀结构。
最后继续采用磁控溅射法在上述过程所形成的第二铁磁绝缘体层上沉积Pt电极，作为逆自旋霍尔电压的测量电极，形成原型存储器件。
本发明采用如图2所示的拓扑绝缘体自旋性能测试结构。通过磁控溅射法在单晶Gd3Ga5O12（111）衬底上依次生长不同厚度的拓扑绝缘体材料BixSb1-x、铁磁绝缘体材料Y3Fe5O12。
磁子阀部分的结构如图3所示，通过位于第二铁磁绝缘体层5上的金属电极层6测量磁子阀效应。
磁子阀效应原理如图4所示：其中Pt为铂电极，FMI/AFM/FMI为铁磁绝缘层/反铁磁层/铁磁绝缘层的磁子阀部件，TI为拓扑绝缘体层。其中M 1 、M 2 分别为第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层中的磁矩。当拓扑绝缘体层中没有电流流过时，磁子阀中第一、第二铁磁绝缘体层中具有相同的磁矩方向，此时整个器件的逆自旋霍尔电压呈高电平状态，如图4中左图所示；如果拓扑绝缘体层中有电流流过，电流会产生力矩，作用于第二铁磁绝缘体层，使其磁矩翻转，与第一铁磁绝缘体层反向，此时整个器件的逆自旋霍尔电压呈低电平状态，如图4中右图所示。因此，磁子阀可以通过控制两层铁磁绝缘体层磁矩的相对取向来实现对器件开断的控制。
基于拓扑绝缘体和自旋轨道转矩效应的磁子阀在两层铁磁绝缘体层磁矩方向不同情况下的逆自旋霍尔电压电平V的状态如图5所示。当两层铁磁绝缘体层中的磁矩方向相同的时候，如图5右上角的平行线所示，呈现高电平状态；当拓扑绝缘体层中有电流流过时，第一铁磁绝缘体层中磁矩翻转反向，如图左下角的平行线所示，两层铁磁绝缘体层中磁矩方向相反，呈现低电平状态。
综上所述，该实施例可以形成基于自旋轨道转矩效应和拓扑绝缘体的磁子阀结构，形成具有实际应用价值的高效率低功耗的存储器件原型。通过逆自旋霍尔效应作为实现器件开关功能从而达到数据存储的目的。
除了采用上述实施例中具体的磁子阀部分的具体材料和结构外，也可以采用其它具有类似效应的材料以及磁子阀结构。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，其特征在于，包括：衬底、拓扑绝缘体层、磁子阀部件及金属电极；
所述拓扑绝缘体层、磁子阀部件及金属电极由下至上依次位于衬底上；
所述磁子阀部件由下至上依次包括：第一铁磁绝缘体层、反铁磁层及第二铁磁绝缘体层，或所述磁子阀部件由下至上依次包括：第一铁磁绝缘体层、非铁磁层及第二铁磁绝缘体层；所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相同或者相反的磁矩方向；
所述拓扑绝缘体层作为自旋轨道转矩层，所述拓扑绝缘体层与第一铁磁绝缘体层耦合，当拓扑绝缘体层有电流流过时，电流产生一个力矩，在该力矩的作用下，所述第一铁磁绝缘体层中的磁矩发生翻转；
在拓扑绝缘体层没有电流流过之前，若所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相同的磁矩方向，则所述磁子阀结构的逆自旋霍尔电压在所述拓扑绝缘体层通入电流前后由高电平状态转变为低电平状态；在拓扑绝缘体层没有电流流过之前，若所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相反的磁矩方向，则所述磁子阀结构的逆自旋霍尔电压在所述拓扑绝缘体层通入电流前后由低电平状态转变为高电平状态；
在拓扑绝缘体层没有电流流过之前，若所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层具有相同的磁矩方向，则所述磁子阀结构的逆自旋霍尔电压在所述拓扑绝缘体层通入电流前后由高电平状态转变为低电平状态，此时该磁子阀结构可作为存储器件，通过控制向拓扑绝缘体层通入的电流实现存储器件的数据存储功能。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，其特征在于，所述拓扑绝缘体层属于合金化合物材料，具体为：BixSb1-x、Bi2Se3、Sb2Te3或Bi2Te3；0＜x＜1。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，其特征在于，所述拓扑绝缘体层通过磁控溅射或分子束外延的方式在衬底上生长。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，其特征在于，所述衬底为单晶衬底。
5.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，其特征在于，所述第一铁磁绝缘体层和第二铁磁绝缘体层均为Y3Fe5O12层。
6.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，其特征在于，所述反铁磁层为金属氧化物材料，具体为NiO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、MnO、FeO、CoO或MnF2。
7.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体材料和自旋轨道转矩效应的磁子阀结构，其特征在于，所述非铁磁层为非磁金属材料，具体为V、Cr、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。
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