專利名稱：沒(méi)有非磁中間層的自旋電子元件的制作方法
沒(méi)有非磁中間層的自旋電子元件
背景技術(shù)：
在基于自旋電子學(xué)原理即使用電子的自旋的位置或符號(hào)而不是它的 電荷作為控制的主要因素制造電子器件的過(guò)程中，有可能在這樣的器件中 包括名為"自旋閥"的元件。自旋閥通常通過(guò)控制閥的形成部分電路的一 部分通過(guò)或不通過(guò)自4t極化電流的能力來(lái)起作用。這種控制由閥的其它部 分來(lái)實(shí)施，其典型地以允許或阻礙傳導(dǎo)部分的自旋極化電流的方式產(chǎn)生和 改變磁場(chǎng)。
在鐵磁金屬系統(tǒng)中，這種器件是已知的，其包括兩個(gè)金屬鐵磁層，其 中一個(gè)層控制磁狀態(tài)從而控制另一層中的電流。目前這種器件作為例如與
磁記錄介質(zhì)一起使用的讀頭中的"巨磁阻"(GMR)元件已被商品化。類似 的器件在鐵磁半導(dǎo)體系統(tǒng)中也是已知的并有描述。這些器件也被制成使用 兩個(gè)鐵磁層，其中第一鐵磁層是金屬系統(tǒng)，第二鐵磁層是非金屬系統(tǒng)。這 種效應(yīng)也在自旋電子學(xué)中的TMR (隧il^阻)器件中使用。
但是目前為止所描述的所有這些系統(tǒng)實(shí)際都包括三個(gè)層兩個(gè)磁層被 一個(gè)非磁"阻擋"層所隔離。該阻擋層在所有這些傳統(tǒng)系統(tǒng)中都是必須的， 其用來(lái)將兩個(gè)磁層進(jìn)行磁性分隔從而使兩個(gè)磁層之間的相互作用是可控 的，從而這兩個(gè)磁層在磁性上不作為一個(gè)單層。該阻擋層典型地在金屬 GMR樣品中包括Cu或類似物，在金屬TMR結(jié)構(gòu)中包括絕緣體如A10x，在 半導(dǎo)體TMR器件中包括非摻雜半導(dǎo)體。

發(fā)明內(nèi)容
在本公開(kāi)中，觀察到了一種新的效應(yīng)，其中以一種直接沉積在另一種 之上的方式沉積的兩種鐵磁材料可以,皮獨(dú)立轉(zhuǎn)變(switching )，在這兩種 鐵磁材料中， 一種為金屬性的，另一種為半導(dǎo)體，例如坡莫合金UiFe， 簡(jiǎn)寫(xiě)Py)和GaMnAs。這是一種非常有趣的效應(yīng)并且被認(rèn)為起因于這樣 一個(gè)事實(shí)，那就是每種材料中的載流子(NiFe中是電子，GaMnAs中是空 穴)是不同的，所以讓這兩個(gè)層直揍接觸并不導(dǎo)致兩個(gè)層在磁性上作為一 個(gè)單層。這也是一個(gè)商業(yè)上有用的效應(yīng)，因?yàn)榭梢苑艞壷八J(rèn)為的這些器件
所必須的非磁中間層 一個(gè)兩層器件會(huì)更便宜、快速、具有更高的效率以 及具有更好的信噪比特性。
如傳統(tǒng)的GMR/TMR器件中那樣，磁阻現(xiàn)象中的電荷輸運(yùn)取決于層的磁 取向而對(duì)GMR/TMR器件給出不同電阻，該電荷輸運(yùn)依賴于界面的性質(zhì)對(duì) 于通過(guò)界面的輸運(yùn)具有歐姆特性的器件，將產(chǎn)生GMR類型的結(jié)構(gòu)，如果界 面存在肖特基或P-n勢(shì)壘，則器件作為T(mén)MR。
除此之外，還可能在GaMnAs或其它系統(tǒng)中產(chǎn)生這樣的狀態(tài)，其中兩 個(gè)層的磁化既不平行也不反平行，而是具有更復(fù)雜的幾何關(guān)系，最簡(jiǎn)單的 情況涉及兩個(gè)磁化仍然在各材料層的面內(nèi)但是偏置了某個(gè)角度如90°,更 復(fù)雜的情況涉及磁化不在(一層或兩層)材料的平面內(nèi)。與迄今已知器件 的雙穩(wěn)態(tài)相比，這種更復(fù)雜的幾何情況可以導(dǎo)致系統(tǒng)有三種或更多種穩(wěn)態(tài) 的操作性能。這三種或更多種穩(wěn)態(tài)可以直接應(yīng)用在比迄今描述的基本二元 器件更復(fù)雜的計(jì)算中。另夕卜，如果更下級(jí)是由呈現(xiàn)隨道各向異性磁阻(TAMR) 的材料制成，則可以存在TAMR部件，這潛在地能進(jìn)一步增加可操作的狀 態(tài)的數(shù)量。


本發(fā)明將結(jié)合附圖中示出的實(shí)施例的詳細(xì)描述來(lái)說(shuō)明。
圖1顯示了在130K和4. 3K沿著本發(fā)明樣品的一個(gè)邊緣的作為磁場(chǎng)的 函數(shù)的雙層的磁4匕。
圖2和3顯示了在4. 3K沿著GaMnAs的每個(gè)易軸方向(100和001， 生長(zhǎng)沿001)的>^4匕曲線。
圖4顯示了沿GaMnAs —個(gè)易軸的溫度M關(guān)系，其中曲線從4. 3K 到80K大致每隔20K進(jìn)行測(cè)取，顯示了當(dāng)GaMnAs靠近Tc時(shí)其貢獻(xiàn)逐漸消 失。
圖5顯示了樣品沿GaMnAs的易軸方向的作為溫度的函數(shù)的自發(fā)>^化 曲線圖。
圖6顯示了垂直膜面的磁化，其顯示面外的磁距只有約面內(nèi)磁距的
10%。
圖7和8顯示了對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的器件，在零施加磁場(chǎng)下，通過(guò)層堆棧的垂直輸運(yùn)i-v測(cè)量。
圖9顯示了施加磁場(chǎng)所產(chǎn)生的MR. 囝I(lǐng)O顯示了飽和曲線閨， 圖11顯示了部々^L坐標(biāo)圖。
困12和13顯示了在60K和80K的飽和c]) (phi)掃描。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在我們提供所考慮器件的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)技術(shù)說(shuō)明。樣品包括沉 積在標(biāo)準(zhǔn)GaAs襯底及緩沖區(qū)上的兩個(gè)活性層。在緩沖區(qū)上生長(zhǎng)的笫一層 是用MBE生長(zhǎng)的GaMnAs薄膜，接下來(lái)是在GaMnAs上原位沉積的~ 2咖的 Py層(即樣品在UHV條件下從MBE生長(zhǎng)室轉(zhuǎn)移到Py栽射室).通過(guò)磁控 栽射沉積Py，在層中產(chǎn)生磁t各向異性。具體地可選擇Py層的厚度在l到 5納米之間以及優(yōu)選在1. 5到2. 5納米之間。
塊狀材料首先要經(jīng)過(guò)SQUID磁強(qiáng)測(cè)量檢定以確認(rèn)各層的磁化方向能 夠獨(dú)立的改變。這可由圖l到圍6證實(shí)。
困1顯示了在130K和4. 3K沿著本發(fā)明樣品的一個(gè)邊擬即110晶向) 的作為磁場(chǎng)的函數(shù)的雙層的磁化。因?yàn)?30K M我們的GaMnAs居里溫度
( 70K)之上，曲線上可以看到的唯一磁距是Py的磁矩，其沿著易磁軸. 在更低的溫度，我們看到二次轉(zhuǎn)變現(xiàn)象形式的來(lái)自于GaMnAs的類外貢獻(xiàn)
(130K的CoFe回線的非對(duì)稱交點(diǎn)是初M^定采用的測(cè)量場(chǎng)分辨率造成的 偽像，并不是真實(shí)的效果)。
困2和3顯示了在4. 3K沿著GaMnAs的每個(gè)易軸方向(100和001， 生長(zhǎng)沿001)的磁化曲線.兩者是相似的，并且在這種位形下，兩層的獨(dú) 立性質(zhì)變得明顯。由于Py^i單軸的并且測(cè)量不再沿著其易軸方向，與原 來(lái)的清晰轉(zhuǎn)變不同，我們現(xiàn)在看到該層的逐漸旋轉(zhuǎn)，從0之前的約100 0e 開(kāi)始到0之后的約40 Oe結(jié)束。接著是GaMnAs在~ 50 Oe的轉(zhuǎn)變，由于 測(cè)量是沿著GaMnAs的易軸，該轉(zhuǎn)變相對(duì)陡峭。還要注意GaMnAs轉(zhuǎn)變過(guò)程 中靠近75 Oe處的微拐折(slight inflection),圖3中比圖2中更明顯， 這很可能是GaMnAs層的"兩步"轉(zhuǎn)變，可能暗示測(cè)量輕微偏離了易軸。
圖4顯示了沿GaMnAs —個(gè)易軸的溫度M關(guān)系，其中曲線從4. 3K 到80K大致每隔20K進(jìn)行測(cè)取，顯示了當(dāng)GaMnAs靠近Tc時(shí)其貢獻(xiàn)逐漸消失。這在困5中更加清晰，其中樣品沿GaMnAs易軸的自發(fā)磁化^J^制成 溫度的函數(shù).在80K以上看到的相對(duì)恒定的貢il^Py的磁距，在此范圍 內(nèi)其具有很小的溫度M關(guān)系.當(dāng)靠近GaMnAs的Tc時(shí)，GaMnAs的貢獻(xiàn) 遂漸消失，這張困顯示的Tc為約72K.
最后，困6顯示了垂直膜面的磁化，其顯示面外的磁距只有約面內(nèi)磁 距的10% (注意y坐標(biāo))，it^明正如期望的那樣，我們的樣品具有強(qiáng)的 面內(nèi)各向異性.
現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)向樣品的^il檢定，其可由圖7到困13來(lái)證實(shí)。
圖7和8顯示了對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的器件，在零施加磁場(chǎng)下，通it;&堆棧的 垂直輸運(yùn)I-V測(cè)量。第一個(gè)具有非線性性能，而第二個(gè)為線性的。盡管這 些柱體的電阻有所不同，但兩個(gè)器件都呈現(xiàn)出相似的磁阻，這或許暗示在 合適的界面優(yōu)化下，這種幾何關(guān)系在歐姆(GMR)和酸道(TMR，TAMR)模式 下都是可IMt的。
圖9顯示了施加磁場(chǎng)所產(chǎn)生的MR.磁場(chǎng)加在樣品的面內(nèi)并且沿著各 個(gè)角度?？梢钥闯觯瑯悠吩谒械慕嵌榷硷@示出顯著的MR,并且具有作 為角度的函數(shù)的豐富的性能漸進(jìn)。從這些圍中，器件的電阻可以看成是兩 層磁化方向(相對(duì)的和絕對(duì)的)的結(jié)果，信號(hào)的一部分無(wú)疑歸因于GaMnAs 中的TAMR效應(yīng)，如困10中的飽和曲線困以及困11中的部分極坐標(biāo)困所 示。但是剩余的額外貢獻(xiàn)與GaMnAs中的純TAMR貢獻(xiàn)并不一致，這必然起 因于Py的貢獻(xiàn)或者兩個(gè)層之間的相互作用的貢獻(xiàn).
有趣的是還注意到，初步測(cè)量暗示，來(lái)自Py層的MR部分在超過(guò) GaMnAs的居里溫度的情況下仍會(huì)存在。困12和13顯示了在60K和80K 的飽和4)掃描.螺旋線的外向臂源于初級(jí)測(cè)量中溫度穗定性控制較差造成 的長(zhǎng)期的溫度漂移，但是在困12中可清晰看到的內(nèi)環(huán)的偏心距是真實(shí)的 并且可重復(fù)。在圍13的80K數(shù)據(jù)中，它仍然可見(jiàn)，只是并不明顯，在圖 13中，該數(shù)據(jù)用不同的顏色繪制了兩次，其中一次旋轉(zhuǎn)了 90度，使得偏 心距更加明顯。
效應(yīng)的一部分在GaMnAs的居里溫度以上仍能存在暗示其與Py有關(guān)， 不管是由于該層的^屬性，還是由于Py對(duì)半導(dǎo)體中的Mn原子的作用， 并且其可以^一種將TAMR推廣到高于室溫的方式。
困9右邊的圍例指的是困9左邊的曲線困，困例的從上往下的順序是 按照曲線困的從上往下的順序。例如，困例M6R0-E指的是從上面看第一個(gè)曲線困，困例M6R1-E指的;^從上面看笫二個(gè)曲線困等等。困例M6R18-E 指的是IU^—個(gè)曲線困，其為M部的曲線困。
困11中的參考數(shù)字110指的是第一個(gè)通腺，如圖11中的困例所示， 參考數(shù)字112指的是最后一個(gè)海腺。
圖13中的參考數(shù)字130指的是M10R0-E曲線圍，參考數(shù)字132指的 是M10R旋轉(zhuǎn)90-E曲線困.
權(quán)利要求
1.一種自旋電子元件，包括其之間沒(méi)有非磁中間層的兩個(gè)鐵磁層，其中所述兩個(gè)鐵磁層可以通過(guò)各種方式被獨(dú)立轉(zhuǎn)變，所述各種方式例如但不限于施加一個(gè)或多個(gè)外磁場(chǎng)和/或使用電流感應(yīng)轉(zhuǎn)變和/或光學(xué)自旋泵作用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自旋電子元件，其中使用這樣兩個(gè)鐵磁層 所述兩個(gè)鐵磁層的磁化都在其各自相關(guān)的層的平面內(nèi)，并且基本上可控制 成彼此平行和反平行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個(gè)l^磁層所述兩個(gè)45l磁層的磁化中的一個(gè)或兩個(gè)可以在或可以不在其 各自相關(guān)的磁層的平面內(nèi)，并且基本上可控制成具有至少兩個(gè)以及優(yōu)選地 多于兩個(gè)的穩(wěn)定^^位形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個(gè)鐵磁層不同的穩(wěn)定磁狀態(tài)直接關(guān)聯(lián)于一個(gè)層和/或兩個(gè)層和/或作為 整體的所述元件中的不同電阻狀態(tài)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個(gè)鐵磁層所述鐵磁層具有不同的材料特性，例如但不限于一層基本為 金屬性的，另一層基本為非金屬性的，該基本為非金屬性的另一層例如但 不限于半導(dǎo)體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個(gè)鐵磁層所述鐵磁層具有相似甚至更優(yōu)選^目同的材料特性，所述兩 個(gè)鐵磁層之間的邊界由材料的變化和/或磁各向異性限定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個(gè)鐵^磁層所述兩個(gè)4^磁層之間的邊界由一層在另 一層之上形成的所述 兩個(gè)層產(chǎn)生和/或由彼此相鄰形成的所述兩個(gè)層產(chǎn)生，彼此相鄰形成的所 述兩個(gè)層形成在例如但不限于公共襯底上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，其中笫二鐵磁 區(qū)域的產(chǎn)生可以通過(guò)直接產(chǎn)生和/或通過(guò)修改至少部分第一鐵磁區(qū)域來(lái)完 成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，其作為展現(xiàn)隧 道各向異性磁阻的器件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，用作自旋閥 器件。
11. 一種器件，包括根據(jù)權(quán)利要求1至10中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件。
12. —種器件，包括根據(jù)權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)所述的自旋電子元 件，該自旋電子元件例如但不限于GMR， TMR。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)所述的器件，例如但不限于 GMR， TMRo
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)所述的自旋電子元件，其允許室溫 或超過(guò)室溫的情況下的基于TAMR的器件的操作。
15. 基于鐵磁半導(dǎo)體的使用的自旋電子器件，其中鐵磁上覆層被用于 將所述半導(dǎo)體的磁性能延伸到更高溫度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋電子元件，其中以一層在另一層之上 的方式沉積所述兩個(gè)鐵磁層，并且待被獨(dú)立轉(zhuǎn)變的所述兩個(gè)層中的一層是 鐵磁金屬層，另一層^JUt半導(dǎo)體層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的自旋電子元件，其中所述鐵磁金屬層是坡 莫合金特別是NiFe (簡(jiǎn)寫(xiě)Py)，所述鐵磁半導(dǎo)體層是GaMnAs。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的自旋電子元件，其中所述鐵磁半導(dǎo) 體層是在GaAs襯底的緩沖區(qū)上生長(zhǎng)特別是MBE生長(zhǎng)的薄膜，所述鐵磁金 屬層是1到5納米特別是1. 5到2. 5納米的Py層。
全文摘要
一種自旋電子器件包括其之間沒(méi)有非磁中間層的兩個(gè)鐵磁層。該兩個(gè)鐵磁層可以通過(guò)各種方式被獨(dú)立轉(zhuǎn)變，所述各種方式例如但不限于施加一個(gè)或多個(gè)外磁場(chǎng)和/或使用電流感應(yīng)轉(zhuǎn)變和/或光學(xué)自旋泵作用。
文檔編號(hào)H01L43/08GK101292370SQ200680033730
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2006年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13日
發(fā)明者喬治·施米特, 勞倫斯·W·莫倫坎普, 查爾斯·古爾德 申請(qǐng)人:易特斯股份公司