CN114709328A - 一种具有多态及类突触的自旋电子器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多态及类突触的自旋电子器件，包括衬底层以及在衬底层上的磁性层，且所述磁性层所用材料为亚铁磁，通过亚铁磁成分梯度使得所述磁性层具有各向异性梯度或DMI梯度。其优点是：使得自旋电子器件能够实现在室温零磁场情况下，自旋轨道矩驱动具有垂直磁各向异性的亚铁磁的磁矩翻转，为下一代高性能、高稳定性的自选信息存储和逻辑器件的实现奠定基础。

Description

一种具有多态及类突触的自旋电子器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及信息存储技术领域，具体地说是一种具有多态及类突触的自旋电子器件及其制备方法。

背景技术

基于自旋轨道矩(spin orbit torque，SOT)效应的全电学驱动磁矩翻转具有写入速度快、耐久性强、使用寿命长、功耗低等优势，在新型自旋电子存储器和逻辑器件中展现出巨大的应用潜力。

亚铁磁具有反铁磁耦合的磁矩排列性质，自旋具有反平行交换耦合的磁亚晶格组成，是实现低净角动量磁性材料的自然候选材料，除能增加畴壁翻转速度外，亚铁磁较低的磁化强度还具有更小的杂散场的额外好处，这避免了相邻器件之间磁偶极子耦合的出现，从而导致更高的器件密度，具有反铁磁耦合的材料对外磁场比较稳定的优点。

自旋轨道矩驱动垂直磁矩翻转通常需要在平行于电流的方向上施加一个面内辅助磁场来打破垂直体系的对称性。对于实际应用而言，这不仅仅增加了额外的功耗，还使得设计电路更加复杂，显然不利于自旋电子器件的实际应用。

发明内容

本发明提供一种具有多态及类突触的自旋电子器件及其制备方法，目的是至少克服上述一种技术缺陷，使得制备的自旋电子器件具备全电学多态的存储功能。

本发明第一方面提供一种具有多态及类突触的自旋电子器件，包括衬底层以及在衬底层上的磁性层，且所述磁性层所用材料为亚铁磁，使得所述磁性层具有各向异性梯度或DMI梯度。

优选地，所述磁性层所用材料为Co、Gd、W共溅射或为Co、Gd、Pt共溅射或为Co、Gd、Ta共溅射获得，且所述磁性层在垂直方向具有DMI梯度，如图1所示。

优选地，所述衬底层与所述磁性层之间还设有自旋源层，通过亚铁磁成分梯度使得所述磁性层在垂直方向或面内方向具有各向异性梯度，如图2所示。

优选地，所述自旋源层所用材料为重金属或二维半金属材料，所述磁性层为Co、Gd共溅射获得，如图3所示。

本发明第二方面提供第一方面所述自旋电子器件的制备方法，通过磁控溅射方法将亚铁磁沉积于衬底，然后制备霍尔靶器件如图4所示；

其中，由亚铁磁构成的磁性层具有各向异性梯度或DMI梯度。

优选地，一种具有多态及类突触的自旋电子器件的制备方法，步骤如下：

S1、清洗、吹干硅片以作为衬底备用；

S2、通过磁控溅射法将参杂有重金属的亚铁磁材料沉积于步骤S1备好的衬底上；

其中，亚铁磁材料的溅射功率固定、重金属的溅射功率逐渐降低或上升，以使得磁性层上具有DMI梯度；

S3、制备霍尔靶器件、生长电极后以获得自旋电子器件。

优选地，先在衬底上通过溅射法溅射有重金属材料或二维半金属材料作为自旋源层，再在自旋源层上通过溅射法溅射亚铁磁，以使得磁性层在垂直方向或面内方向具有各向异性梯度，然后制备霍尔靶器件、生长电极后以获得自旋电子器件。

优选地，在亚铁磁溅射过程中，衬底保持固定，以使得磁性层在面内方向具有各向异性梯度。

本发明一种具有多态及类突触的自旋电子器件及其制备方法，其优点是：本发明结构的自旋电子器件中因其设有在室温下可呈现出不同饱和磁化强度、DM相互作用以及磁各项异性的磁性薄膜(即本发明中的磁性层)，使得自旋电子器件能够实现在室温零磁场情况下，自旋轨道矩驱动具有垂直磁各向异性的亚铁磁的磁矩翻转，为下一代高性能、高稳定性的自选信息存储和逻辑器件的实现奠定基础。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1本发明实施例1中的具有垂直方向上梯度各向异性的NM/FM双层膜结构示意图；

图2本发明实施例2中的具有垂直方向上梯度各向异性的FM单层膜结构示意图；

图3本发明实施例3中的具有面内方向上梯度各向异性的NM/FM双层膜结构示意图；

图4本发明实施例1、2、3的电学器件测试图；

图5本发明实施例1提供的霍尔器件在全电学作用下的自旋轨道矩驱动磁矩翻转；

图6为本发明实施例2提供的霍尔器件在全电学作用下的多态存储；

图7为本发明实施例3提供的霍尔器件在全电学作用下的突触模拟；

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。应当理解的是，这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明的原理为：利用亚铁磁材料丰富的元素比来实现磁性层在垂直方向和面内方向具有梯度的各向异性及DMI相互作用，进而实现全电翻转，以得到获得具有多态及类突触的自旋电子器件。

在本发明中取传统的NM/FM的双层膜异质结构，其中非磁性层(NM)采用的材料有Ta，Pt，W，WTe₂，Bi₂Te₃等等，磁性层材料采取亚铁磁包括Co_xGd_1-x (其中X＝0.65-0.85)，Co_xTb_1-x(其中X＝0.65-0.85)特殊结构和生长设计， DMI纵向梯度、DMI横向梯度、DMI纵横多维梯度下能实现全电操控的多态及类突触的自旋电子器件功能。

在制备具有多态及类突触的自旋电子器件过程中，磁性层述磁性层单层由 CoGd亚铁磁材料掺杂重金属Pt、W、Ta得到，所述自旋源层/磁性层异质结的自旋源层选自Pt、W、Ta等重金属材料；也可以采用WTe₂、MoTe₂、Bi₂Te₃等二维半金属材料；所述电极的材料选自Pt、Cu。

实施例一

本发明一种具有多态及类突触的自旋电子器件的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)对硅片进行清洗：衬底为硅片，所使用的硅片为单面抛光高阻硅，电阻率为4000Ω/cm，保证硅片本身与器件的电阻相差巨大，不具有导电性，可作为理想的衬底材料；

(2)通过磁控溅射法将重金属层以及磁性层沉积于硅片上：将所述的重金属层材料通过磁控溅射法沉积于硅片上。磁控溅射是指在静电场的作用下，气体分子电离成等离子体和电子，等离子体受电场作用轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上，而产生的电子在磁场中做螺线运动，产生更多的等离子体加速靶材溅射，上述步骤反复经历。本发明实施例选用的方法是磁控溅射法，重金属层Pt的厚度在5nm，适用于磁控溅射，此方法制备的薄膜厚度易于控制，薄膜重复一致性好、薄膜与基片的结合能力强、制备材料的范围广以及纯度较高表面平整。其中，溅射靶材是Pt靶，工作气压为3×10^-4Torr，溅射功率为30W，溅射时间为210s。

随后，将所述的磁性层材料通过磁控溅射法沉积在重金属上，磁性层材料由磁控两个靶位共溅射所得，其中两靶位为Co和Gd，为了实现全电翻转，在垂直方向共溅射产生具有CoGd合金薄膜。具体溅射方案是共溅射的磁性层总厚度为7nm，溅射时间为88s，工作气压为3×10^-4Torr，溅射功率是Co为100W 到80W缓慢降低，Gd为30W到40W缓慢增加，从而溅射出的磁性层CoGd 在垂直方向上具有成分梯度，进一步产生DMI相互作用梯度的薄膜。

(3)进行微纳加工制备霍尔靶器件或者长条器件：利用微纳加工技术在薄膜上制备出霍尔靶结构与长条结构。优选的，本发明实施例在光刻工艺上选择负胶工艺。首先通过旋涂仪在薄膜上旋涂出厚度均匀地光刻胶薄膜，即使用胶头滴管在基片上滴注光刻胶溶液，而后利用离心力使滴在基片上的胶液均匀的旋涂覆在基片上。而后需要将基片放在加热台上进行加热，温度为90℃，时间为1min30s。将加热完成后的基片放入光刻机中，在基片上方放置带有霍尔靶结构与长条结构的掩膜板，将掩膜板与基片通过底吹进行贴合，并通过紫外光对基片进行第一次曝光，曝光时间为4s，而后将基片放置加热台再次进行加热，温度为110℃，时间为1min30s，将再次加热后的基片放置于光刻机中，除去光刻板，直接将基片进行紫外曝光，曝光时间为20s，将两次曝光后的基片放入显影液中进行显影，显影时间为45s，显影完成后需将基片迅速放入去离子水中进行清洗，保证显影效果，得到光刻完后的基片。将光刻完成后的基片放入离子刻蚀机中进行离子刻蚀，刻蚀时工作气压为2×10^{- 2}Pa，能量设置为490eV，束流为60mA。因长时间刻蚀会导致光刻胶变性，为此选择少量多次的刻蚀方案，刻蚀时间为每次30s，共5次。刻蚀完成后将基片放入丙酮清洗，得到霍尔靶器件与长条器件。

(4)再次进行光刻：使用紫外曝光光刻法对基片再次进行光刻，在霍尔器件与长条器件上光刻出电极图案，本发明实施例使用正胶工艺，从而使电极处为空，其余为光刻胶覆盖。旋涂、加热、贴合与上一步参数相同，而后进行紫外曝光，曝光时间为20s，曝光后基片放入显影液中显影，显影时间为45s，显影后立刻放入去离子水中清洗，得到电极图案。

(5)通过磁控溅射法生长电极：使用磁控溅射法进行电极生长，本发明实施例在电极选择上为Cu，Cu作为一种常用电极材料，有着价格便宜，不易氧化，电导率高的优点。在溅射过程中采用的溅射气压为3×10^-4Torr，溅射功率为30w，溅射时间为20min。利用超声波清洗技术进行清洗得到器件。

上述过程中，若为获得垂直方向存在CoGd的成分梯度，从而使其垂直方向存在DMI梯度的自旋电子器件，便使得器件底层采用传统的重金属Pt作为自旋源层，磁性层采用多层膜的方式,采用Co和Gd共溅射的方法，其中Co 的功率在溅射过程中缓慢增加，Gd的功率缓慢减小。

若为制备无需自旋源层，只需要单独一磁性层，则在磁性层中参入重金属（Pt,W或者Ta）。磁性层采用Co、Gd和W(或者Pt和Ta)共溅射的方式，其中固定Co和Gd的溅射功率，按时间增加或者减少W(或者Pt和Ta)的溅射功率，由于磁性层CoGd在垂直上存在Pt的梯度，因此其在垂直方向上也存在DMI梯度。并对该结构的器件进行相关实验，具体为如下：

将霍尔靶结构中x轴方向施加脉冲电流（keithley6221），y方向接电压测量装置（keithley2182），给定脉冲宽度为50us，读取电流I _read为0.1mA，脉冲电流从+60mA每隔2mA一个步距扫描-60mA，然后再同等间距扫描回+60mA，对其全电学的自旋轨道矩驱动垂直磁矩的回线如图1所示，当增加电荷电流密度时，由于自旋霍尔效应产生z方向自旋极化的自旋流密度增大，因此对磁性层的磁矩的作用力矩增加，使得磁性层的磁矩在易轴方向发生翻转，而测得的反常霍尔电压就是反应的是磁性层Z方向的磁矩的相对量，因此得到如图1所示的磁滞回线。

实施例二

本发明一种具有多态及类突触的自旋电子器件的制备方法，其中，自旋电子器件仅具有单层磁性层。

(1)对硅片衬底进行清洗：由于衬底表面在制备生产过程中要与外界环境接触，不可避免会带有一层杂质。而薄膜对基片的要求非常高，极小的污物都会影响薄膜的生长和性能，所以要求衬底具有很高的清洁度和平整度，想要得到质量良好的薄膜，必须对衬底进行预处理，以去除其表面杂质。具体的处理过程如下：

将圆形硅片使用金刚笔切割成1cm×1cm的正方形；将切割规整的硅片使用氮气枪吹掉其表面碎屑；将基片放入丙酮中，使用超声机清洗5分钟；使用无水乙醇超声清洗5分钟；使用去离子水超声清洗基片8分钟；使用氮气枪吹干其表面，随后放入烘箱设置100℃烘干3分钟。

(2)利用磁控溅射法在清洗过的硅片上生长磁性层：步骤如下：

进样：将清洗过的硅片放置在托盘上，使用真空胶带将硅片对角粘牢，将托盘放置在样品室中的进样杆中，放置过程中将托盘位置标志与进样杆上的标志对准。

对生长室与样品室抽真空：打开机械泵，使机械泵对冷泵进行抽真空60min；打开冷泵压缩机开关，使冷泵降温至13k，在此过程中，使用机械泵与分子泵，使生长室与样品室真空控制在1*10^-6Torr；打开冷泵与生长室之间的阀门，并关闭样品室与生长室之间的挡板，使冷泵直接对生长室进行抽真空操作，最终控制生长室的真空在1×10^-8Torr。较高的真空度可以减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞，降低对衬底表面的污染，所以整个镀膜过程需要在较高的真空条件下进行。

进行进样操作：当样品室真空与生长室真空差小于两个数量级时，打开样品室与生长室之间的挡板，使用送样臂将托盘送入生长室，综合考虑实验过程中衬底大小等因素，将衬底和靶之间的距离固定为50mm。

对靶材进行预溅射处理：打开直流靶电源和气体流量计，通入氩气后控制真空在4×10^-3Torr，依次打开磁性层生长过程中需要用到的直流靶，调节功率为30w，使靶材起辉，对靶材进行预溅射10min，目的是将靶材表面的杂质和氧化层去除。

最后同时打开三个靶位挡板，进行正式溅射。沉积条件是通入氩气作为保护气体，沉积气压为3×10^-4Torr，溅射时间为88s。Co的溅射功率为80W，Gd 为30W，Pt的功率为溅射时间内从10W缓慢升高到16W。溅射完成后打开样品室与生长室之间的挡板，使用送样臂将托盘取下，送回到样品室，关闭挡板，关闭机械泵和分子泵，通入氮气，将样品室气压恢复至大气压强，取出样品，完成磁性层制备。

(3)对薄膜进行微纳加工：

利用旋涂法进行涂胶：将样品放入匀胶机中，使用胶头滴管在表面进行滴胶；而后设置匀胶时间，对ACC时间即加速或减速到所需转速的时间设定为5s，转速为2000r/min，旋涂时间为30s。

加热：将旋涂完成后的基片放置于加热台进行加热，温度设置为90℃，时间为1min30s。

曝光：将基片放置于光刻机中，使用吸片将基片吸附；使用吸板将掩模版放置于基片上方；旋转上升基片，并使用底吹将基片与掩模版贴合；打开紫外灯进行曝光，曝光时间设置为4s。

二次加热：将第一次曝光完成后的基片放置于加热台进行加热，加热温度设置为110℃，时间为1min30s。

二次曝光：将加热完成后的基片放置于光刻机中，取下掩模版，直接使用紫外灯进行曝光，曝光时间为20s。

显影：将曝光完成后的基片放置于显影液中进行显影，显影时间为40s。时间到后立刻将基片放置于去离子水中进行清洗，而后使用氮气枪将基片吹干。

离子刻蚀：将基片放置于离子刻蚀机中，打开机械泵与分子泵，对刻蚀腔进行抽真空到5×10^-4Pa，通入氩气，设置工作气压为2×10^-2Pa，能量设置为490eV，束流为60mA，打开离子源进行刻蚀，刻蚀时间设置为30s，共刻蚀5次。

清洗基片：为去除光刻胶，将刻蚀后的基片放置于丙酮中进行浸泡，浸泡时间为4h，而后使用超声机进行超声清洗，时间为10s。

(4)对(3)中所述步骤1236进行重复，将曝光时间改为20s，在十字与一字器件上光刻出电极图案。

(5)使用磁控溅射进行电极生长。重复(2)中所述的1234操作，而后打开挡板，使用Cu靶进行溅射，溅射时间为20min，溅射气压为3×10^-4Torr，溅射功率为30w。

(6)器件的电学性能表征及多态的测量

对其全电学翻转的多态存储：在霍尔靶器件x轴方向施加电流 (keithley6221)，y方向接电压测量装置(keithley2182)如图4所示，给定读取电流I_read的时间为50us，大小为0.1mA，测试预备阶段先通+60mA电流使材料器件正向极化后正式进入测试。通一次脉冲电流-33mA，后记录对应的R_Hall，接着间隔2mA减小脉冲电流，每增大一次脉冲之后记录一次R_Hall，最后总结出脉冲大小和R_Hall以及电流密度J之间的关系，如图6所示。

实施例三

该实施例中与实施例一不同之处在于：

在NM/FM的双层膜异质结构中，非磁性层采用传统的重金属(Pt,Ta,W)作为自旋源层，也可以采用WTe₂、MoTe₂、Bi₂Te₃等二维半金属材料。磁性层采用Co、Gd共溅射不转衬底的方式，使其在磁性层在面内方向存在各向异性梯度。其微加工与光刻的工艺都与前两个工艺一样。

该器件的电学突触性能测试：在霍尔靶器件x轴方向施加电流 (keithley6221)，y方向接电压测量装置(keithley2182)如图4所示，首先测试预备阶段先通+60mA电流使材料器件正向极化后正式进入测试。设置脉冲电流大小(这里示例为33mA)，在该电流下施加十次脉冲，测量对应的R_Hall值，之后再通-33mA十次脉冲，也测量对应的R_Hall值，重复三次，中间不必再次极化。最后将33mA和-33mA的R_Hall值与脉冲次数的关系如图7所示。

本发明中未明确说明的结构、原理、步骤等均为本领域技术人员常规技术手段可获得的，因此不做赘述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种具有多态及类突触的自旋电子器件，其特征在于：包括衬底层以及在衬底层上的磁性层，且所述磁性层所用材料为亚铁磁，使得所述磁性层具有各向异性梯度或DMI梯度。

2.根据权利要求1所述一种具有多态及类突触的自旋电子器件，其特征在于：所述磁性层所用材料为Co、Gd、W共溅射或为Co、Gd、Pt共溅射或为Co、Gd、Ta共溅射获得，且所述磁性层在垂直方向具有DMI梯度。

3.根据权利要求1所述一种具有多态及类突触的自旋电子器件，其特征在于：所述衬底层与所述磁性层之间还设有自旋源层，通过亚铁磁成分梯度使得所述磁性层在垂直方向或面内方向具有各向异性梯度。

4.根据权利要求3所述一种具有多态及类突触的自旋电子器件，其特征在于：所述自旋源层所用材料为重金属或二维半金属材料，所述磁性层为Co、Gd共溅射获得。

5.一种具有多态及类突触的自旋电子器件的制备方法，其特征在于：通过磁控溅射方法将亚铁磁沉积于衬底，然后制备霍尔靶器件、生长电极后以获得自旋电子器件；

其中，由亚铁磁构成的磁性层具有各向异性梯度或DMI梯度。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、清洗、吹干硅片以作为衬底备用；

S2、通过磁控溅射法将掺杂有重金属的亚铁磁材料沉积于步骤S1备好的衬底上；

其中，亚铁磁材料的溅射功率固定、重金属的溅射功率逐渐降低或上升，以使得磁性层上具有DMI梯度；

S3、制备霍尔靶器件、生长电极后以获得自旋电子器件。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：先在衬底上通过溅射法溅射有重金属材料或二维半金属材料作为自旋源层，再在自旋源层上通过溅射法溅射亚铁磁，以使得磁性层在垂直方向或面内方向具有各向异性梯度，然后制备霍尔靶器件、生长电极后以获得自旋电子器件。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在亚铁磁溅射过程中，衬底保持固定，以使得磁性层在面内方向具有各向异性梯度。

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