本發(fā)明涉及基于鐵磁絕緣體的磁隧道結(jié)，屬于非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磁隧道結(jié)(magnetic tunneling junction，簡(jiǎn)稱MTJ)在磁存儲(chǔ)器(Magnetic Random Access Memory，簡(jiǎn)稱MRAM)、硬盤(pán)讀頭、微波振蕩器、磁傳感器等方面都有重要應(yīng)用，其核心由兩個(gè)鐵磁層中間夾一個(gè)絕緣層構(gòu)成的“三明治”結(jié)構(gòu)，即“鐵磁金屬層/非磁絕緣層/鐵磁金屬層”。其中一個(gè)鐵磁層的磁化方向是固定不變的，稱為參考層或固定層；另一個(gè)鐵磁層的磁化方向可以被改變成與參考層層平行(Parallel，簡(jiǎn)稱P)或者反平行(Anti-Parallel，簡(jiǎn)稱AP)，稱為自由層。當(dāng)兩個(gè)鐵磁層的磁化方向平行時(shí)，MTJ呈現(xiàn)低阻(R_p)狀態(tài)；而當(dāng)兩個(gè)鐵磁層的磁化方向反平行時(shí)，MTJ會(huì)呈現(xiàn)高阻(R_AP)狀態(tài)，這兩種狀態(tài)可以在存儲(chǔ)時(shí)分別用來(lái)表示二進(jìn)制中的“0”和“1”。這樣的隧道結(jié)中存在隧穿磁阻(Tunneling Magnetoresistance，簡(jiǎn)稱TMR)效應(yīng)。TMR效應(yīng)主要來(lái)源于自旋相關(guān)的隧穿過(guò)程，磁阻的產(chǎn)生是在磁性層中費(fèi)米能級(jí)(Fermi Level)附近的自旋向上與自旋向下的電子態(tài)密度(Density of State)會(huì)隨著磁性材料的磁化方向不同而改變，利用電子的自旋特性與隧穿效應(yīng)發(fā)生與否，進(jìn)而產(chǎn)生高低阻值的變化而造成磁阻效應(yīng)。

磁隧道結(jié)的中間勢(shì)壘層直接影響著電子隧穿行為，是決定其磁電阻高低的關(guān)鍵因素之一。目前常用的勢(shì)壘層都是非磁絕緣材料如氧化鎂MgO、氧化鋁Al₂O₃等氧化物及氮化鋁AlN等非氧化物或者其他半導(dǎo)體材料。人們?cè)诨趩尉gO勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)中已經(jīng)獲得室溫下超過(guò)600％的TMR值。然而，單晶MgO(001)勢(shì)壘層與常用的鐵磁金屬層鐵Fe、鈷鐵CoFe等的晶格失配度較大，會(huì)產(chǎn)生界面位錯(cuò)和勢(shì)壘缺陷，限制了TMR值進(jìn)一步的提高。因此尋找新的性能優(yōu)良的勢(shì)壘層材料有非常重要的意義。

鐵磁絕緣體(Ferromagnetic Insulator，簡(jiǎn)稱FI)材料具有自旋過(guò)濾效應(yīng)，使用其作為磁隧道結(jié)的勢(shì)壘層，則不同自旋取向的電子隧穿通過(guò)該層的概率不同，使得特定自旋取向的電子更容易通過(guò)，從而可形成高自旋極化率的隧穿電流，進(jìn)而可獲得高TMR值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一、發(fā)明目的：

針對(duì)上述背景中提到的傳統(tǒng)“鐵磁金屬層/非磁絕緣層/鐵磁金屬層”磁隧道結(jié)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于鐵磁絕緣體的磁隧道結(jié)，尤其是以鐵磁絕緣體為勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)，合理的勢(shì)壘層材料選擇將有助于進(jìn)一步改善磁隧道結(jié)的性能。

二、技術(shù)方案：

本發(fā)明的技術(shù)方案是：以鐵磁絕緣體材料做磁隧道結(jié)的勢(shì)壘層，其特征在于使用鐵磁絕緣體材料取代現(xiàn)有磁隧道結(jié)中的非磁絕緣勢(shì)壘層，具體結(jié)構(gòu)為：鐵磁金屬層/鐵磁絕緣層/鐵磁金屬層。本發(fā)明共提出3種實(shí)施方案。

方案一：

如附圖1所示，用鐵磁絕緣體材料作MTJ的勢(shì)壘層。則其核心結(jié)構(gòu)為“鐵磁金屬層I/鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)/鐵磁金屬層II”。鐵磁金屬層I、II作為自由層及參考層，被鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)分隔開(kāi)。

所述鐵磁金屬層I可以使用鐵磁金屬材料如鐵Fe、鈷Co、鎳Ni等，也可以是其合金如鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe等其中的一種，也可以是其他高自旋極化率的半金屬或半金屬合金材料如LaSrMnO₃、Fe₃O₄、Co₂FeAlSi等。這些合金材料中各個(gè)元素的組成可以不一樣也可以摻雜。

所述鐵磁金屬層II可以使用鐵磁金屬材料如鐵Fe、鈷Co、鎳Ni等，也可以是其合金如鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或鎳鐵NiFe等其中的一種，也可以是其他高自旋極化率的半金屬或半金屬合金材料如LaSrMnO₃、Fe₃O₄、Co₂FeAlSi等。這些合金材料中各個(gè)元素的組成可以不一樣也可以摻雜。

所述鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)材料包括但不局限于具有較高居里溫度(高于室溫)的釔鐵石榴石Y₃Fe₅O₁₂(簡(jiǎn)稱YIG)、鋇鐵氧體BaFe₁₂O₁₉等，也可以是其他滿足條件的鐵磁絕緣材料。

方案二：

如附圖2(a)所示，用鐵磁絕緣層作MTJ的勢(shì)壘層，并增加非磁間隔層，從上到下依次是“鐵磁金屬層I/非磁性間隔層/鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)/非磁性間隔層/鐵磁金屬層II”。鐵磁金屬層I、II作為自由層及參考層，鐵磁絕緣層是勢(shì)壘層，它與鐵磁層被非磁性間隔層分隔開(kāi)。這里非磁性間隔層的作用之一是減小或避免方案一中所涉三層磁性層之間可能存在的不必要的磁性耦合。

所述的鐵磁金屬層I、II及鐵磁絕緣層與方案一相同。

非磁性間隔層可以僅存在與鐵磁金屬層I和鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)之間，鐵磁金屬層II和鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)之間無(wú)非磁性間隔層，如附圖2(b)所示。

非磁性間隔層可以僅存在與鐵磁金屬層II和鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)之間，鐵磁金屬層I和鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)之間無(wú)非磁性間隔層，如附圖2(c)所示。

所述的非磁性間隔層是一層薄的非磁性材料，可以是絕緣材料如MgO、Al₂O₃、MgAl₂O₄等，可以是半導(dǎo)體材料如Si、Ge、GeAs等，也可以是金屬材料如Ru、Cu、Pt等。

方案三：

如附圖3(a)所示，用鐵磁絕緣層作MTJ的勢(shì)壘層，使用重金屬層替代該磁隧道結(jié)其中的一層鐵磁金屬層，結(jié)構(gòu)為“鐵磁金屬層/鐵磁絕緣層(勢(shì)壘層)/重金屬層”。

所述的鐵磁金屬層、鐵磁絕緣層與方案一相同。

所述的重金屬層一般具有強(qiáng)自旋-軌道耦合，如鉭Ta(Tantalum)、鎢W(Tungsten)、鉿Hf(Hafnium)，鉑Pt(Platinum)或其他等價(jià)重金屬材料中的一種。

如附圖3(b)所示，用鐵磁絕緣層作MTJ的勢(shì)壘層時(shí)，也可以在鐵磁金屬層和鐵磁絕緣層之間插入非磁性間隔層，非磁性間隔層的作用與方案二相同，材料選擇與方案二相同。

加入重金屬層之后，可以通過(guò)自旋霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁絕緣層的翻轉(zhuǎn)，鐵磁絕緣層與鐵磁金屬層的磁化方向?qū)⒊势叫谢蚍雌叫袪顟B(tài)，進(jìn)而可通過(guò)隧穿磁阻效應(yīng)讀出這兩種狀態(tài)。

三、優(yōu)點(diǎn)及功效:

本發(fā)明一種基于鐵磁絕緣體的磁隧道結(jié)，具體提供三種使用鐵磁絕緣體材料作為勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)即以MgO等非磁絕緣體為勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)相比，由于鐵磁絕緣體兼具了鐵磁性和絕緣性以及在某些鐵磁絕緣材料中已被論證的自旋過(guò)濾效應(yīng)，該磁隧道結(jié)可以具備更加優(yōu)良的性能，比如更高的TMR值等。

附圖說(shuō)明

圖1為以鐵磁絕緣體為勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)的一種核心三層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2(a)、(b)、(c)為以鐵磁絕緣體為勢(shì)壘層并增加非磁性間隔層的磁隧道結(jié)的一種核心結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3(a)、(b)為以鐵磁絕緣層為勢(shì)壘層并加入重金屬層的磁隧道結(jié)的一種核心結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。附圖均為示意圖。其中涉及的各功能層或區(qū)域的厚度非實(shí)際尺寸、工作模式中的電阻及電壓值也非實(shí)際值。

在此公開(kāi)了詳細(xì)的示例性的實(shí)施例，其特定的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)僅是表示描述示例實(shí)施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來(lái)實(shí)施本發(fā)明，且本發(fā)明不應(yīng)該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實(shí)施例，而是應(yīng)該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價(jià)物和可替換物。

本發(fā)明提出了一種基于鐵磁絕緣體的磁隧道結(jié)，即使用鐵磁絕緣材料作為勢(shì)壘層的新型MTJ(磁隧道結(jié))，鐵磁絕緣體材料具有自旋過(guò)濾效應(yīng)，因此能夠使該新型MTJ(磁隧道結(jié))實(shí)現(xiàn)較高的TMR。

實(shí)施例1:如圖1，為一種基于鐵磁絕緣材料作為勢(shì)壘層的新型MTJ(磁隧道結(jié))的結(jié)構(gòu)示意圖；

相對(duì)于傳統(tǒng)基于非磁絕緣體(如MgO，Al2O3等)勢(shì)壘層的MTJ，本發(fā)明新型MTJ使用鐵磁絕緣體作為隧穿勢(shì)壘層。該新型MTJ核心層結(jié)構(gòu)從上到下由鐵磁層I(0-3nm)，鐵磁絕緣層(0-5nm)，鐵磁層II(0-3nm)構(gòu)成；各層的磁化方向可以是都平行于面內(nèi)，也可以是都沿垂直方向。鐵磁層I和鐵磁層II兩層中的某一層(參考層)磁化方向固定，另一層(自由層)的磁化方向可以通過(guò)一定的方式加以翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)兩層平行或者反平行的兩種狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)自由層翻轉(zhuǎn)的方法包括但不僅限于施加磁場(chǎng)、通過(guò)垂直電流的自旋轉(zhuǎn)移動(dòng)量矩(STT)、通過(guò)平行于面內(nèi)電流的自旋軌道動(dòng)量矩(SOT)等。

在本實(shí)例中，所述鐵磁金屬層I的材料是CoFeB，作為參考層；鐵磁金屬層II的材料是Co，作為自由層；中間鐵磁絕緣層材料是YIG，起到自旋過(guò)濾作用。

實(shí)施例2為一種基于鐵磁絕緣材料作為勢(shì)壘層、且增加了非磁性間隔層的新型MTJ(磁隧道結(jié))；該結(jié)構(gòu)從上到下由鐵磁金屬層I(0-3nm)，非磁性間隔層(0-3nm)，鐵磁絕緣層(0-5nm)，非磁性間隔層(0-3nm)，鐵磁金屬層II(0-3nm)構(gòu)成(圖2a)；其中鐵磁金屬層I、鐵磁金屬層II及鐵磁絕緣層與實(shí)施例1相同，在鐵磁金屬層I、鐵磁金屬層II和鐵磁絕緣層之間添加了非磁性間隔層，將其分隔開(kāi)，以避免某些材料體系中兩個(gè)鐵磁金屬層之間通過(guò)鐵磁絕緣層發(fā)生耦合作用，使得其磁化方向不能分開(kāi)，而無(wú)法區(qū)分磁化方向的平行和反平行兩種不同狀態(tài)。非磁性間隔層可以只存在于某一鐵磁金屬層和勢(shì)壘層之間(圖2b，2c)，勢(shì)壘層可以與另一鐵磁金屬層耦合，保持相同的磁化方向，這時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)磁化方向的平行與反平行的分辨。

在本實(shí)例中，所述間隔層材料為Cu。

實(shí)施例3為本發(fā)明一種基于鐵磁絕緣材料，并增加重金屬層的新型MTJ(磁隧道結(jié))。該結(jié)構(gòu)從上到下由鐵磁金屬層(0～3nm)，鐵磁絕緣層(0～5nm),重金屬層(0～5nm)構(gòu)成(圖3a)；另一種基于此的結(jié)構(gòu)為在鐵磁金屬層和鐵磁絕緣層之間添加非磁性間隔層(圖3b)，將其分開(kāi)，以避免某些材料體系中兩個(gè)磁性層發(fā)生耦合作用，使其磁化方向不能分開(kāi)。

在本實(shí)例中，所述鐵磁層材料是Co，作為參考層；鐵磁絕緣體是YIG，作為勢(shì)壘層，同時(shí)也作為自由層進(jìn)行翻轉(zhuǎn)；重金屬層是Pt。