CN118159120A - 一种基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,本发明通过在面外磁性薄膜层上生长自旋电流反射层以达到实现自旋轨道矩器件零外加磁场翻转的目的。该自旋轨道矩器件结构如下:具有强自旋轨道耦合作用的重金属层、面外磁性薄膜层、自旋电流反射层和覆盖保护层。其中由于自旋电流反射层能够反射来自重金属层的自旋流,经过反射的自旋流自旋极化方向具有面外分量,使得垂直磁性薄膜层在无需外磁场的辅助下便能实现由自旋轨道矩诱导的磁矩定向翻转。在垂直磁性薄膜结构上添加一层自旋电流反射层,能够有效减少所需的外部辅助磁场,提高了自旋轨道磁阻效应(SOT)的效率,同时保持了样品的垂直磁性。
Description
技术领域
本发明属于自旋电子学器件技术领域,具体涉及一种基于自旋电流反射实现自旋轨道矩器件零磁场翻转的方法。
背景技术
自旋轨道矩器件(Spin-Orbit Torque,SOT器件)已经成为磁性存储和自旋电子学领域的重要技术,因为它们提供了在非易失性存储器和逻辑器件中实现低功耗、高速度和高密度数据存储的潜在解决方案。SOT器件的工作原理涉及自旋轨道耦合效应,其中自旋电流通过材料引起自旋翻转。然而,传统SOT器件通常依赖于外加的辅助磁场来实现自旋翻转,这可能会引入复杂性和更高的能耗。
在寻求进一步改进SOT器件性能和减少其能耗的过程中,自旋极化方向具有面外分量的自旋电流的应用已经引起了广泛的研究兴趣。自旋电流反射层会产生一个内部电场反射来自重金属层的自旋电流,这使得自选电流的面内自旋极化(σS)有一个平面外的成分(σSZ),这种对自旋电流的反射可以用于实现零外磁场下的自旋轨道矩器件操作,从而消除了对外部磁场的依赖,降低了功耗并提高了设备的可靠性。
目前,自旋轨道矩器件已经取得了显著的研究进展,但仍然存在需要解决的挑战。因此,有必要提供一种新的方法,利用自旋电流反射,实现零磁场下的自旋轨道翻转,从而改进SOT器件的性能,并在磁性存储、逻辑器件和自旋电子学应用中拓展其潜在用途。本专利旨在解决这一技术领域中的问题,提供一种创新的方法,以实现零磁场自旋轨道翻转,并在相关领域中取得显著的进步。
发明内容
本发明提供一种基于自旋电流反射实现自旋轨道矩器件零磁场翻转的方法,与传统的自旋轨道矩器件相比,该方法通过引入自旋电流反射层,实现了在零外加磁场的条件下的磁矩翻转。因此,此方法有望增强磁性存储和自旋电子学领域中器件的性能和工作效率。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:一种基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,所述自旋轨道矩器件从下到上依次为衬底、重金属强自旋轨道耦合层、垂直磁性薄膜层、自旋电流反射层和覆盖保护层。该方案能够实现在零外磁场的情况下通过自旋轨道转矩电流来稳定地翻转磁化,无需引入额外的外部磁场,具备便捷的制备流程、高存储密度、非易失性以及出色的热稳定性,并展现出广泛的实际应用前景,特别适用于可控磁性存储器和逻辑器件。
其中,由于自旋电流反射层与垂直磁性薄膜层的功函数存在差异,会产生一个内部电场反射来自重金属层的自旋电流.这使得自旋极化(σS)有一个平面外的成分(σSZ),促使垂直磁性薄膜层在不施加辅助磁场的情况下,可以实现磁矩的翻转。
其中,所述衬底采用氧化铝、氧化镁或硅衬底中的一种或者几种组合。
其中,衬底在沉积薄膜前需依次经过丙酮、酒精和去离子水超声清洗,最后使用氮气吹干衬底表面。
其中,采用磁控溅射、分子束外延或者脉冲激光沉积的方式在衬底上沉积多层薄膜结构。
其中,在衬底上沉积重金属层,材料选择为具有强自旋轨道耦合性能的材料,包括重金属Ta、Pt、W。
其中,垂直磁性薄膜层选择CoFeB/MgO结构、Co/Pt结构、Co/Tb结构和Fe/Pt结构。
其中,在垂直薄膜结构上沉积自旋电流反射层,具体为NiO、Fe2O3、CoO等反铁磁材料以及和垂直磁性薄膜层材料存在功函数差异的其它材料。
其中,使用源表测量电流诱导开关,在通过微加工形成的霍尔棒结构上施加直流脉冲电流,然后施加恒定直流电流测量霍尔电压,无需外加辅助磁场,通以一定方向的脉冲电流时,具有强自旋轨道耦合作用的重金属层产生自旋流使垂直磁性薄膜层的磁矩发生定向翻转。
本发明所提供的自旋轨道矩器件结构包括以下关键膜层和工艺:
1.具有强自旋轨道耦合作用的重金属层:这一层用于产生自旋电流,SOC层薄膜材料选择为具有强自旋轨道耦合性能的材料,一般地说,SOC层的材料为Ta,W,Pt,Bi2Te3、Bi2Se3等。
2.面外磁性薄膜层:该薄膜层具有垂直磁性,可选择CoFeB/MgO结构、Co/Pt结构、Co/Tb结构和Fe/Pt结构等。
3.自旋电流反射层:自旋电流反射层是本发明的关键组成部分。它位于垂直磁性薄膜层之上,能够有效地反射来自重金属层的自旋流。这使得自旋极化(σS)有一个平面外的成分(σSZ),这一特性使得在零外部磁场的辅助下,自旋轨道矩器件能够实现由自旋轨道矩诱导的磁矩定向翻转。
4.覆盖保护层:这一层用于保护自旋轨道矩器件的结构和性能,确保其在不同环境条件下的稳定性和可靠性。
5.多层膜沉积完成后经过高温退火,提升薄膜质量,增强薄膜的垂直各向异性,提高热稳定性。然后经过光刻、离子束刻蚀、去胶、电子束蒸发镀膜等微纳加工工艺制备成霍尔结构,使用源表测量电流诱导开关。
通过在垂直磁性薄膜结构上添加自旋电流反射层,本发明具有以下重要优点:
1、实现零外磁场操作:自旋电流反射层的存在使得本发明可以在零外部磁场的情况下通过自旋轨道转矩电流来稳定地翻转磁矩,消除了对额外外部磁场的依赖,从而大大降低了功耗和成本。
2、提高SOT效率:反铁磁材料层增强了自旋轨道矩效应(SOT)的效率,使得自旋轨道翻转更为可靠和高效。
3、保持样品强垂直各向异性:确保了器件性能的稳定性。
总的来说,本发明的方法具备便捷的制备流程、高存储密度、非易失性和卓越的热稳定性。它在可控磁性存储器和逻辑器件领域具有广泛的应用前景,有望为自旋电子学领域带来创新性和高性能的解决方案。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件结构示意图。
图2示意性示出了本发明实施例的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件的反常霍尔效应测试。
图3示意性示出了本发明实施例的电流诱导SOT磁化开关回路。
图4示意性示出了基于自旋电流反射实现自旋轨道矩器件零磁场翻转的原理图。
具体实施方式
本发明实施例展示一种基于自旋电流反射实现自旋轨道矩器件零磁场翻转的方法。本发明工艺简单,可重复,热稳定性高、器件性能优异。为了将本发明的目的和优势阐述的更加清楚,以下结合具体实施例和附图对本发明进行完整的描述。
实施例1:
将有200nm SiO2镀层的Si衬底依次使用丙酮、酒精和去离子水超声清洗30分钟,然后使用氮气吹干衬底。清洗完毕的衬底通过真空互联系统传入磁控溅射的生长腔室,生长腔室真空度为1×10-8Torr。通入约50sccm流速的高纯氩气,使溅射时的气压稳定在4×10-3Torr左右。使用直流电源,功率为15W,在衬底上沉积5nm Ta层作为自旋源的重金属强自旋轨道耦合(SOC)层。随后使用直流电源,功率为10W,沉积1nmCoFeB。使用射频电源,功率为50W,沉积MgO薄膜厚度为0.8nm。CoFeB和MgO薄膜构成强垂直磁各向异性的铁磁薄膜层。
反铁磁层选择NiO材料,通入高纯氩气和氧气的混合气体,氧气和氩气的比例通过电控的流量阀门控制,氧气的流速控制为3sccm,氩气的流速控制在50sccm左右。使用射频电源,设置电源功率50W,沉积2nm厚的NiO反铁磁自旋电流反射层。利用NiO反射来自重金属层的自旋流。这使得自旋极化(σS)有一个平面外的成分(σSZ),促使垂直磁性薄膜层在不施加辅助磁场的情况下,可以实现磁矩的翻转。
随后使用直流电源,功率为15W,在衬底上沉积2nm Ta层作为覆盖保护层。防止下层的薄膜结构被氧化,提高器件的稳定性。所有膜层沉积完毕后,在300摄氏度的温度下,真空退火30分钟。提升薄膜的生长质量,增强垂直各向异性,提高热稳定性。
通过光刻、氩离子束刻蚀、等离子体去胶和电子束蒸发等方法对退火完成的多层膜进行微纳加工,形成霍尔棒结构。使用Keithley 6221和2182A源表组合测量电流诱导开关。在霍尔棒上施加直流脉冲电流,然后测量霍尔电压,得到器件在不同磁场下的电流驱动磁化翻转曲线。如图3所示,本实施例展示的器件可实现零辅助磁场下的磁矩翻转,并且零磁场下的翻转比例达到100%。图4则展示了基于反铁磁材料实现自旋轨道矩器件零磁场翻转的原理。
实施例2:
将MgO衬底依次使用丙酮、酒精和去离子水超声清洗30分钟,然后使用氮气吹干衬底。清洗完毕的衬底通过真空互联系统传入磁控溅射的生长腔室,生长腔室真空度为1×10-8Torr。通入约50sccm流速的高纯氩气,使溅射时的气压稳定在4×10-3Torr左右。使用直流电源,功率为10W,在衬底上沉积5nmPt层作为自旋源的重金属强自旋轨道耦合(SOC)层。随后使用直流电源,功率为10W,沉积1nm Co。使用直流电源,功率为10W,沉积1nmPt层。Co和Pt薄膜构成强垂直磁各向异性的铁磁薄膜层。
自旋电流反射层选择Mn3Sn材料,使用直流电源,设置电源功率20W,沉积2nm厚的Mn3Sn反铁磁层。利用Mn3Sn反射来自重金属层的自旋流。这使得自旋极化(σS)有一个平面外的成分(σSZ),促使垂直磁性薄膜层在不施加辅助磁场的情况下,可以实现磁矩的翻转。
随后使用直流电源,功率为15W,在衬底上沉积2nm Ta层作为覆盖保护层。防止下层的薄膜结构被氧化,提高器件的稳定性,提高热稳定性。
通过光刻、氩离子束刻蚀、等离子体去胶和电子束蒸发等方法对退火完成的多层膜进行微纳加工,形成霍尔棒结构。使用Keithley 6221和2182A源表组合测量电流诱导开关。在霍尔棒上施加直流脉冲电流,然后测量霍尔电压,得到器件在不同磁场下的电流驱动磁化翻转曲线。
本发明方法的独特之处在于,利用自旋电流反射层实现无辅助磁场下的磁矩翻转。具备便捷的制备流程、卓越的非易失性、高存储密度和杰出的热稳定性。这一创新方法在可控磁性存储器和逻辑器件领域具有极其广泛的应用前景,为自旋电子学领域提供了独特而高性能的解决方案。
尽管上述内容详细描述了本发明的优选实施例,但它们仅供参考,并不用于限制本发明的范围。技术领域的专业人员可以在本发明的精神和原则内对这些实施例进行修改、替代或改进。因此,任何在本发明的框架内进行的修改、替代、改进等都应被包括在本发明的权利要求之内,如适用法律所允许。
Claims (9)
1.一种基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,所述自旋轨道矩器件从下到上依次为衬底、重金属强自旋轨道耦合层、垂直磁性薄膜层、自旋电流反射层和覆盖保护层。
2.根据权利要求1所述的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,利用自旋电流反射层产生的内部电场反射来自重金属层的自旋流,这使得自旋极化(σS)有一个面外的自旋极化分量(σSZ),促使垂直磁性薄膜层在不施加辅助磁场的情况下,实现磁矩的翻转。
3.根据权利要求1所述的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,所述衬底采用氧化铝、氧化镁或硅衬底中的一种或者几种组合。
4.根据权利要求1所述的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,衬底在沉积薄膜前需依次经过丙酮、酒精和去离子水超声清洗,最后使用氮气吹干衬底表面。
5.根据权利要求1所述的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,采用磁控溅射、分子束外延或者脉冲激光沉积的方式在衬底上沉积多层薄膜结构。
6.根据权利要求1所述的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,在衬底上沉积重金属层,材料选择为具有强自旋轨道耦合性能的材料,包括重金属Ta、Pt、W。
7.根据权利要求1所述的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,垂直磁性薄膜层选择CoFeB/MgO结构、Co/Pt结构、Co/Tb结构和Fe/Pt结构。
8.根据权利要求1所述的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,在垂直薄膜结构上沉积自旋电流反射层,具体为NiO、Fe2O3、CoO反铁磁材料。
9.根据权利要求1所述的基于自旋电流反射的零场自旋轨道矩器件,其特征在于,使用源表测量电流诱导开关,在通过微加工形成的霍尔棒结构上施加直流脉冲电流,然后施加恒定直流电流测量霍尔电压,由于自旋电流反射层与垂直磁性薄膜层的功函数存在差异,会产生一个内部电场反射来自重金属层的自旋电流,这使得自旋极化(σS)有一个平面外的成分(σSZ),因而无需外加辅助磁场,通以一定方向的脉冲电流时,具有强自旋轨道耦合作用的重金属层产生自旋流使垂直磁性薄膜层的磁矩发生定向翻转。
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PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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