本發(fā)明涉及一種用阻變材料做隧穿層的自旋電子器件，用于調(diào)控自旋電流的隧穿幾率，屬于自旋電子學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

自旋電子學(xué)主要研究與電子電荷和自旋相關(guān)的過程，包括自旋流的產(chǎn)生、自旋注入、自旋輸運、自旋檢測及自旋控制，最終實現(xiàn)新型的電子器件，如自旋量子阱發(fā)光二極管、自旋p-n結(jié)二極管、磁隧道效應(yīng)晶體管、自旋場效應(yīng)晶體管等。很多自旋電子結(jié)構(gòu)和器件都用到了隧穿層。

隧穿層的作用可以用量子隧穿效應(yīng)解釋。在兩層金屬(或者半導(dǎo)體)之間夾極薄的絕緣層，電子在其中一層金屬(半導(dǎo)體)中可以被認(rèn)為是自由的，而絕緣層構(gòu)成了勢壘，電子不易通過絕緣層。當(dāng)電子能量小于勢壘值時，經(jīng)典力學(xué)中電子不能以負(fù)能量存在于絕緣層，所以無法穿過勢壘。但是量子力學(xué)指出，電子具有波動性，其運動用波函數(shù)描述，由薛定諤方程可以解出電子在各個區(qū)域出現(xiàn)的概率密度，從而可以得到電子穿過勢壘的概率。這里的絕緣層也可以稱為隧穿層。

與自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)的理論和實驗證明，在鐵磁金屬/絕緣層/半導(dǎo)體(MIS)中或者鐵磁層/絕緣層/鐵磁層(MTJ)等結(jié)構(gòu)中，隧穿層發(fā)揮著重要的作用。在鐵磁金屬中，自旋向上的多數(shù)載流子和自旋向下的少數(shù)載流子的電導(dǎo)有較大差別，從而可以得到自旋極化的電流。自旋極化的電流穿過隧穿層的幾率與隧穿層的電阻有關(guān)。通過控制隧穿層的電阻，可以調(diào)控相關(guān)結(jié)構(gòu)和器件的性能。

含有非阻變隧穿層的自旋電子結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)幾個問題：第一，器件制備完后，其隧穿層的材料和厚度都已經(jīng)確定，那么接觸電阻也被確定，但是此接觸電阻不一定對應(yīng)最好的性能；第二，對于某些特殊器件，需要對自旋電流穿過隧穿層的幾率進(jìn)行調(diào)控，而非阻變隧穿層無法滿足此要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一、發(fā)明目的：

針對上述背景中提到的含有非阻變隧穿層的自旋電子結(jié)構(gòu)存在的問題，本發(fā)明提出一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，可以使用氧化鉿等阻變材料作為隧穿層，利用電壓等參數(shù)改變隧穿層的電阻，進(jìn)而調(diào)控自旋電流隧穿幾率，從而保證所制備的器件性能達(dá)到最優(yōu)。

二、技術(shù)方案：

本發(fā)明的技術(shù)方案是實現(xiàn)一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件。其特點是，可調(diào)控自旋電流穿過隧穿層的幾率。本發(fā)明提出如下實施方案。

方案：當(dāng)改變隧穿層的兩端電壓時，隧穿層的電阻發(fā)生變化?？梢酝ㄟ^電場控制模塊，調(diào)控隧穿層兩端電壓，使電阻處于所需的窗口之內(nèi)或者某一特定電阻值，從而調(diào)節(jié)器件性能或調(diào)控自旋電流的隧穿幾率。

本發(fā)明中的方案以磁性隧道結(jié)和非局域自旋注入構(gòu)型為具體實例來說明。

實例一：

本發(fā)明一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，具體為一種磁性隧道結(jié)器件，其最下端為絕緣層，其上依次沉積普通金屬電極、鐵磁參考層、阻變隧穿層、鐵磁自由層、普通金屬電極，并在最上端沉積一個絕緣層。其特征在于：所述隧穿層是在不同電壓條件下電阻不同的阻變材料。

所述鐵磁層，包括鋇鐵氧體(BAM)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鑭鍶錳氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種。

所述隧穿層，包括但不限于氧化鉿(HfO₂)，氧化鈦(TiO₂)，五氧化二鉭(Ta₂O₅),氧化鋅(ZnO)，二氧化鋯(ZrO₂)或其他阻變材料中的一種或者多種等。

所述絕緣層，包括SiO₂，Al₂O₃或其他絕緣材料中的一種或者多種。

針對本發(fā)明所述的含有阻變隧穿層的磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)提供一種可行的制備方式如下：

采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)沉積等方法將底端電極沉積在絕緣層襯底上；然后依次通過磁控濺射、電子束蒸發(fā)沉積等方法將鐵磁層、隧穿層、鐵磁層沉積到底端電極上；最后通過磁控濺射、電子束蒸發(fā)沉積等方法鍍頂端電極和絕緣層。制備過程中還需要采用微納加工的方法(光刻、刻蝕、包埋、沉積)實現(xiàn)器件圖形化。最終完成含有阻變隧穿層的磁性隧道結(jié)的制備。

實例二：

本發(fā)明一種用阻變材料作隧穿層的自旋電子器件，具體為一種非局域自旋注入器件。首先將自旋溝道制備在襯底上，襯底分為兩層，下層為導(dǎo)電層，上層為絕緣層。然后在自旋溝道上的外側(cè)兩端各沉積一普通金屬電極，自旋溝道中部兩處分別依次沉積隧穿層、鐵磁金屬電極、絕緣層。

所述自旋溝道，包括金屬、半導(dǎo)體、石墨烯等材料，且允許長距離自旋流輸運的物質(zhì)。

所述普通金屬電極,包括金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)或其他非鐵磁金屬材料中的一種或多種。

所述鐵磁金屬電極，包括鋇鐵氧體(BAM)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鑭鍶錳氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種。

所述隧穿層，包括氧化鉿(HfO₂)，氧化鈦(TiO₂)，五氧化二鉭(Ta₂O₅),氧化鋅(ZnO)，二氧化鋯(ZrO₂)或其他阻變材料中的一種或者多種等。

所述絕緣層，包括SiO₂，Al₂O₃或其他絕緣材料中的一種或者多種。

針對本發(fā)明所述的含有阻變隧穿層的非局域自旋注入構(gòu)型器件，現(xiàn)提供一種可行的制備方式如下：

在導(dǎo)電層襯底上通過氧化等方法制備絕緣層襯底。采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)或機械剝離等方法將自旋溝道制備在襯底上；然后通過電子束蒸發(fā)的方式在自旋溝道上的外側(cè)兩端各沉積一個Au電極；然后通過電子束蒸發(fā)的方式在自旋溝道中部兩處分別沉積隧穿層，并通過磁控濺射的方式在隧穿層上方分別依次鍍鐵磁金屬電極和絕緣層；制備過程中還需要采用微納加工的方法(光刻、刻蝕、包埋、沉積)實現(xiàn)器件圖形化。最終完成非局域自旋注入構(gòu)型器件的制備。

三、優(yōu)點及功效:

本發(fā)明提出了阻變隧穿層，通過使用壓控電阻的阻變材料作為隧穿層，可以實現(xiàn)將隧穿電阻調(diào)控在合適區(qū)間內(nèi)，提高自旋電子器件的性能或?qū)崿F(xiàn)自旋注入效率的調(diào)控。

【附圖說明】

圖1為含有阻變隧穿層的自旋電子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為含有阻變隧穿層的磁性隧道結(jié)輸運性質(zhì)測量示意圖。

圖3為含有阻變隧穿層的非局域自旋注入器件示意圖。

圖4為圖3所示的非局域自旋注入結(jié)構(gòu)的ΔR/R與R_int/R_ch的關(guān)系。其中，ΔR/R是自旋信號，R_int/R_ch是接觸電阻(R_int)和溝道電阻(R_ch)的比值。

【具體實施方式】

本發(fā)明提出了一種用阻變材料做隧穿層的自旋電子器件，在磁性隧道結(jié)具體實例中，通過實現(xiàn)隧穿層電阻的調(diào)控，實現(xiàn)了自旋電流隧穿幾率的調(diào)控，從而實現(xiàn)了隧穿磁阻的調(diào)控；在非局域自旋注入結(jié)構(gòu)具體實例中，通過實現(xiàn)隧穿層電阻的調(diào)控，實現(xiàn)了自旋注入效率的調(diào)控。

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

在此公開了詳細(xì)的示例性的實施例，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施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本發(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、等價物和可替換物。

圖1為含有阻變隧穿層的自旋電子器件結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)可以是磁隧道結(jié)、自旋注入構(gòu)型等自旋電子結(jié)構(gòu)的一部分。結(jié)構(gòu)包括：鐵磁金屬電極111；本發(fā)明所述阻變隧穿層121；鐵磁金屬電極或者自旋注入溝道131。

圖2為含有阻變隧穿層的磁性隧道結(jié)輸運性質(zhì)測量示意圖。該結(jié)構(gòu)由電場控制模塊和磁性隧道結(jié)構(gòu)成。電場控制模塊包括：絕緣層311、312，如氧化鋁；恒壓源。磁性隧道結(jié)包括：普通金屬電極321、322如金；鐵磁層331、332，如FeCo合金；阻變隧穿層341，如氧化鉿。飽和磁化時，鐵磁層331和鐵磁層332的磁化方向相互平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時，矯頑力小的鐵磁層磁化方向首先翻轉(zhuǎn)，使兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個鐵磁層隧穿到另一個鐵磁層的隧穿幾率與兩鐵磁層的磁化方向的有關(guān)。通過測量兩種情況下的電阻，得到磁阻信號ΔR/R。而自旋電流通過隧穿層341的幾率還與隧穿層的電阻有關(guān)，因此，通過調(diào)控絕緣層311和312之間的電場來改變隧穿層341的電阻，可以實現(xiàn)隧穿幾率的調(diào)控，從而可以實現(xiàn)隧穿磁阻的調(diào)控。

圖3為含有阻變隧穿層的非局域自旋注入器件的方案。該結(jié)構(gòu)由電場控制模塊和非局域自旋注入結(jié)構(gòu)組成。電場控制模塊包括：襯底，襯底分為兩層，下層為襯底導(dǎo)電層411，如Si，上層為襯底絕緣層421，如SiO₂。非局域自旋注入結(jié)構(gòu)包括：普通金屬電極431、432，如Au；自旋溝道441，如石墨烯；阻變隧穿層451、452，如氧化鉿；鐵磁金屬電極461、462，如FeCo合金；絕緣層471、472，如Al₂O₃。

恒壓源使得襯底絕緣層421與絕緣層471之間、襯底絕緣層421與絕緣層472之間形成電場。通過調(diào)控電場可以實現(xiàn)調(diào)控隧穿層451的電阻。不過注意，調(diào)控電場和自旋注入是交替進(jìn)行的，不然恒壓源和恒流源會相互干擾。

在鐵磁金屬電極461和普通金屬電極431之間的恒流源控制輸入電流I，鐵磁金屬電極462和普通金屬電極432之間檢測電壓。由于鐵磁金屬電極對于兩種自旋方向的電子的電導(dǎo)有差異，導(dǎo)致電流通過鐵磁金屬電極461時，這兩種電子的數(shù)量不均等，其化學(xué)勢也不等，從而在鐵磁金屬電極461下方形成自旋極化。極化電流在自旋溝道441中漂移和擴(kuò)散，到達(dá)鐵磁金屬電極462下方時仍保持一定的化學(xué)勢差，此化學(xué)勢差被鐵磁金屬電極462探測到，具體表現(xiàn)為電勢差。該電勢差和輸入電流的比值定義為ΔR，自旋信號為ΔR/R。理論分析表明，當(dāng)接觸電阻(R_int)和溝道電阻(R_ch)的比值R_int/R_ch在一定的區(qū)間內(nèi)時，自旋信號ΔR/R可以達(dá)到最大值。因此，器件制備完畢后，在溝道電阻(R_ch)不變的情況下，通過電場控制模塊調(diào)控隧穿層的阻值使接觸電阻(R_int)在一定的阻值窗口內(nèi)，就可以使該器件有最大的自旋信號。