一種基于金屬摻雜的有機磁隧道結及制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種基于金屬滲雜的有機磁隧道結及制造方法，屬于電學領域的基本 電氣元件類。
【背景技術】
[0002] 在過去的數(shù)十年里，有機半導體Organic semicon化ctors，OSC)受到了廣泛關注 和研究。有機半導體材料由于其特殊性質(zhì)，在電子領域具有巨大的應用價值，而有些基于有 機半導體的器件已經(jīng)得到實際應用，例如基于有機發(fā)光二極管的顯示技術。與傳統(tǒng)微電子 器件相比，有機半導體器件具有如下優(yōu)點：由于其具有良好彈性，可W經(jīng)受形變甚至翻折； 生產(chǎn)成本較低，可W進行較大面積的器件制造；器件性能具有多樣性等。另一方面，自旋電 子器件由于利用了電子自旋屬性，在微電子領域開創(chuàng)了一種新的信息處理，傳遞和存儲的 方式。自旋電子器件具有低功耗，高速度等優(yōu)勢，在應用方面取得了巨大成功。自旋電子器 件最具有代表性的應用是基于隧穿磁阻效應的硬盤磁頭，使硬盤的存儲密度和讀寫速度得 到巨大提升。將有機半導體材料和自旋電子技術結合起來研究，引起了人們的廣泛興趣。
[0003] 然而，由于對有機半導體的電子自旋特性的產(chǎn)生機理認識不徹底，對具有電子自 旋特性的有機半導體器件的結構設計及材料選取研究不足，W及相關器件的制作工藝水平 有限，有機半導體器件的優(yōu)良電學及磁學特性并沒有得到充分發(fā)揮，阻礙了其實際應用的 推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 1.發(fā)明目的
[0005] 本發(fā)明提供了一種基于金屬滲雜的有機磁隧道結及制作方法。該種基于有機材料 的多層膜結構的具有電子隧穿特性的器件我們稱之為有機磁隧道結。本發(fā)明提出的基于金 屬滲雜的有機磁隧道結具有如下特性；電阻值隨器件兩端施加的電壓變化而變化，且阻值 跳變所需的闊值電壓很??；將器件置于磁場中，器件的電阻值會隨施加的磁場變化而變化； 在不同的偏壓條件下，器件阻值隨外加磁場改變方式不同。因此，可W利用此器件對電壓和 磁場的敏感特性，將其應用于信息存儲、邏輯計算和傳感器制作等領域。
[0006] 2.技術方案
[0007] 器件結構技術方案；
[000引本發(fā)明提出的有機磁隧道結具有如附圖1所示的結構。主體部分由不同材料的 多層膜疊加而成；自上而下分別為頂電極，隧穿層，金屬滲雜的有機物層，底電極。其中，頂 電極和底電極可W是金（Au)，銷（Pt)，銅（化），侶（A1)等金屬導體，但不僅限于此四種金 屬，且頂電極和底電極材料不要求完全相同，其作用是為金屬滲雜的有機物層內(nèi)的導電和 電子自旋相關效應提供注入電子；隧穿層為一層厚度極小的陶瓷材料，可W是=氧化二侶 (Al203)、氣化裡（LiF)、二氧化給0lf02)、氧化粗燈3203)、氧化鐵們02)等，但不僅限于W 上五種材料，其目的是使頂電極層和有機層分離，通過插入隧穿層來產(chǎn)生隧穿效應，并且使 頂電極與有機物層之間形成良好的分界面，防止頂電極層向有機物層擴散；隧穿層之下為 金屬滲雜有機物層，是一種W少量金屬顆粒滲雜的有機物為材料的超薄膜，其中，金屬顆粒 可W為鐵（Fe)、銘（Cr)、鑲（Ni)、亂（Gd)等金屬元素，但不限于W上四種；而有機物可W是 S(8-哲基嗟咐）侶（tris-巧-hy化oxyquinoline)aluminium，Alq3)、聚甲基丙締酸甲醋 (PMMA)、聚巧-甲氧基，5-(3'，7'二甲基-辛氧基）]-對苯撐己撐（MDMO-PPV)或其它在 滲雜金屬顆粒后能夠提供電子自旋相關特性的有機材料。該種有機磁隧道結的基底可W為 娃（Si)、二氧化娃（Si化）、碳化娃（SiC)、氮化娃（SisN4)等材質(zhì)。
[0009] 由于金屬滲雜的有機物層內(nèi)存在"自旋阻塞（spinblocking)"效應，有機半導體 內(nèi)空間電荷密度及電荷遷移率因外加電場的影響而改變，因此器件有機層的導電率會隨外 加偏壓及磁場變化呈現(xiàn)出復雜的變化特性。本發(fā)明利用某些金屬滲雜的有機半導體的該 種特性，提出了上述基于金屬滲雜的有機材料的多層膜結構的磁隧道結。該種典型結構能 夠充分發(fā)揮有機半導體電阻隨偏壓和磁場的變化特性，因此適用于電子制造領域的多種應 用。
[0010] 器件制造工藝技術方案：
[0011] 針對本發(fā)明提出的器件結構方案，本發(fā)明一種基于金屬滲雜的有機磁隧道結的制 造方法，該方法具體步驟如下：
[0012] 步驟一；W Au或其它金屬為材料，用物理氣相沉積或其它工藝，結合光刻工藝，審U 作出合適形狀和厚度的金屬薄膜，作為底電極；
[0013] 步驟二：同時，將Alq3或PMMA等有機材料旋涂于一層銅巧之上，得到有機物薄 胺；
[0014] 步驟利用化學腐蝕等方法，將有機材料下面的銅巧去除，同時，在腐蝕液中加 入需要滲入有機物的金屬離子，此時，滲雜金屬元素將滲透進入有機物，形成具有少量金屬 滲雜的有機半導體。此時，將獲得一個完整的具有少量金屬滲雜的有機半導體超薄膜；
[0015] 步驟四：將有金屬滲雜的有機薄膜轉移至底電極層之上，然后進行清洗和退火；
[0016] 需要指出的是，步驟二、步驟=和步驟四中制備金屬滲雜的有機物層的流程，亦可 通過真空蒸鍛法，將已經(jīng)具有金屬滲雜的有機物直接蒸鍛到底電極之上，來獲得金屬滲雜 的有機超薄膜；
[0017] 步驟五：利用物理氣相沉積等方法和掩膜技術，在有機物上面覆蓋一層厚度極薄 的隧穿層；
[0018] 步驟六：利用物理氣相沉積等方法和掩膜技術，在隧穿層之上覆蓋一層厚度較大 的金屬作為頂電極。
[0019] 按照W上步驟，即可制備如器件結構方案中描述的基于金屬滲雜的有機磁隧道 結。此制備方案僅為制備此電子器件的可行工藝方案之一，采用其它方法制造的或替換部 分上述步驟制造的與本發(fā)明器件結構相同或相似的器件，均包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
[0020] 優(yōu)點及功效：
[0021] 與現(xiàn)有的有機半導體器件相比，本發(fā)明提出的基于金屬滲雜的有機磁隧道結具有 極其明顯和特殊的電學和磁學特性：首先，在沒有外加磁場的條件下，器件的阻值會隨外加 偏壓的變化顯示出遲滯效應。如附圖2中所示，在不加外磁場的情況下，通過器件的電流隨 兩端偏壓的變化而產(chǎn)生跳變，即器件電阻發(fā)生變化。其次，該種基于金屬滲雜的有機磁隧道 結的電阻值（或電導）會隨著外加磁場的變化而產(chǎn)生磁滯變化。在垂直于樣品薄膜平面的 方向施加磁場和偏壓，器件的電阻會隨外加磁場的變化而產(chǎn)生大幅度的改變。在某些偏壓 條件下，器件的電阻會隨磁場的變化出現(xiàn)磁滯回線，如圖3所示。而且，電阻隨磁場的變化 幅度隨所施加的偏壓不同而不同。
[0022] 該種基于金屬滲雜的有機磁隧道結，由于其電阻值對外加電場和磁場的變化高度 敏感并且呈現(xiàn)多種變化特性，因此可W實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)，邏輯計算或傳感器等多種應用。
[0023] 例如，由于其電阻值會隨電壓或磁場變化呈現(xiàn)遲滯效應，他可W作為一種基于磁 場誘導或電場誘導的存儲器件來存儲信息。一種易于實現(xiàn)的典型實例為基于磁場控制和電 場輔助的非易失性有機磁性存儲器。可W定義器件的高阻值和低阻值狀態(tài)分別用來代表數(shù) 據(jù)1和數(shù)據(jù)0,而器件的阻值狀態(tài)可W靠施加外電場和磁場來改變，亦即信息的寫入。圖4 給出了此種基于有機磁隧道結的非易失性存儲器的結構和工作原理示意圖；其主要結構包 括一個基于金屬滲雜的有機磁隧道結，磁隧道結的單側或兩側置有用來產(chǎn)生感應磁場的位 線，磁隧道結的頂電極和底電極與導線連接，用來對磁隧道結施加偏壓。寫入過程如下：如 圖4(a)所示，寫入高阻值時，當寫入位線在磁隧道結左側時，則寫入位線通W垂直紙面向 外的電流脈沖；當寫入位線在磁隧道結右側時，對寫入位線通W垂直紙面向里的電流脈沖； 為了加強寫入效能，亦可在磁隧道結左右兩側同時置有寫入位線，則寫入高阻值時，同時對 器件左側的寫入位線通W垂直紙面向外的電流脈沖，對器件右側的寫入位線通W垂直紙面 向里的電流脈沖。當寫入位線通過適當方向的電流脈沖后，周圍將產(chǎn)生感應磁場，磁場的方 向與有機磁隧道結的方向垂直并且向上，同時通過器件兩端電極對有機磁隧道結加W適當 的輔助電場，器件將在磁場和電場的共同作用下轉變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)，完成高阻值的寫入。如 圖4(b)所示，寫入低阻值時，當寫入位線在磁隧道結左側時，則寫入位線通W垂直紙面向 里的電流脈沖；當寫入位線在磁隧道結右側時，則對寫入位線通W垂直紙面向外的電流脈 沖；為了加強寫入效能，亦可在磁隧道結左右兩側同時置有位線，則寫入低阻值時，同時對 器件左側的寫入位線通W垂直紙面向里的電流脈沖，對器件右側的寫入位線通W垂直紙面 向外的電流脈沖。當寫入位線通過適當方向的電流脈沖后，周圍將產(chǎn)生感應磁場，磁場的方 向與有機磁隧道結的方向垂直并且向下，同時通過器件兩端電極對有機磁隧道結加W適當 的輔助電場，器件將在磁場和電場的共同作用下轉變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，完成低阻值的寫入。器 件的阻值（即所存儲的信息）可W靠讀出放大器讀出。
[0024] 再如，在合適的偏壓條件下，該種基于金屬滲雜的有機磁隧道結電阻值會隨外加 電壓或磁場的變化呈現(xiàn)大幅度的跳變，因此其可W作為電壓或磁場控制的邏輯開關應用于 邏輯控制電路。另外，由于其對電場和磁場變化的高度靈敏特性，該種器件又可W作為傳感 器元件用于感知和測量電壓或磁場的大小和變化，從而制成各種用途的傳感器。除此之外， 基于其優(yōu)良的電學和磁學特性，此種有機磁隧道結也可W被用來制造顯示屏。該種基于金 屬滲雜的有機磁隧道結的MR值（高低阻值之差與低阻值之比）遠高于傳統(tǒng)的基于鐵磁金 屬層和中間隧穿層結構的磁性隧道結，故本發(fā)明提出的基于金屬滲雜的有機磁隧道結可用 來制造具有更高的靈敏性和讀寫可靠性的電子器件。
[0025] W上描述了一種基于金屬滲雜的有機磁隧道結的結構，制作工藝方案和部分應用 實例。此種結構器件的制作方法和應用方法不局限與W上描述，采用任何其它方式制作的 與此結構相同或相似的器件，或者在此器件的基礎上做除W上應用實例外的其它應用，均 包括在此發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明提出的基于金屬滲雜的有機磁隧道結的結構示意圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明提出的有機磁隧道結I-V曲線示意圖。圖中箭頭代表電壓掃描的方 向。由I-V曲線圖可W得知此器件的電阻值會隨電壓掃描呈現(xiàn)遲滯效應。
[0028] 圖3為本發(fā)明提出的有機磁隧道結電阻隨外加磁場變化的R-H曲線示意圖。圖中 箭頭代