沒有非磁中間層的自旋電子元件的製作方法

2024-01-28 17:34:15

專利名稱：沒有非磁中間層的自旋電子元件的製作方法
沒有非磁中間層的自旋電子元件
背景技術：
在基於自旋電子學原理即使用電子的自旋的位置或符號而不是它的 電荷作為控制的主要因素製造電子器件的過程中，有可能在這樣的器件中 包括名為"自旋閥"的元件。自旋閥通常通過控制閥的形成部分電路的一 部分通過或不通過自4t極化電流的能力來起作用。這種控制由閥的其它部 分來實施，其典型地以允許或阻礙傳導部分的自旋極化電流的方式產生和 改變磁場。
在鐵磁金屬系統中，這種器件是已知的，其包括兩個金屬鐵磁層，其 中一個層控制磁狀態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 的器件在鐵磁半導體系統中也是已知的並有描述。這些器件也被製成使用 兩個鐵磁層，其中第一鐵磁層是金屬系統，第二鐵磁層是非金屬系統。這 種效應也在自旋電子學中的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實際都包括三個層兩個磁層被 一個非磁"阻擋"層所隔離。該阻擋層在所有這些傳統系統中都是必須的， 其用來將兩個磁層進行磁性分隔從而使兩個磁層之間的相互作用是可控 的，從而這兩個磁層在磁性上不作為一個單層。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結構中包括絕緣體如A10x，在 半導體TMR器件中包括非摻雜半導體。

發明內容
在本公開中，觀察到了一種新的效應，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,皮獨立轉變(switching )，在這兩種 鐵磁材料中， 一種為金屬性的，另一種為半導體，例如坡莫合金UiFe， 簡寫Py)和GaMnAs。這是一種非常有趣的效應並且被認為起因於這樣 一個事實，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，所以讓這兩個層直揍接觸並不導致兩個層在磁性上作為一 個單層。這也是一個商業上有用的效應，因為可以放棄之前所認為的這些器件
所必須的非磁中間層 一個兩層器件會更便宜、快速、具有更高的效率以 及具有更好的信噪比特性。
如傳統的GMR/TMR器件中那樣，磁阻現象中的電荷輸運取決於層的磁 取向而對GMR/TMR器件給出不同電阻，該電荷輸運依賴於界面的性質對 於通過界面的輸運具有歐姆特性的器件，將產生GMR類型的結構，如果界 面存在肖特基或P-n勢壘，則器件作為TMR。
除此之外，還可能在GaMnAs或其它系統中產生這樣的狀態，其中兩 個層的磁化既不平行也不反平行，而是具有更複雜的幾何關係，最簡單的 情況涉及兩個磁化仍然在各材料層的面內但是偏置了某個角度如90°,更 複雜的情況涉及磁化不在(一層或兩層)材料的平面內。與迄今已知器件 的雙穩態相比，這種更複雜的幾何情況可以導致系統有三種或更多種穩態 的操作性能。這三種或更多種穩態可以直接應用在比迄今描述的基本二元 器件更複雜的計算中。另夕卜，如果更下級是由呈現隨道各向異性磁阻(TAMR) 的材料製成，則可以存在TAMR部件，這潛在地能進一步增加可操作的狀 態的數量。


本發明將結合附圖中示出的實施例的詳細描述來說明。
圖1顯示了在130K和4. 3K沿著本發明樣品的一個邊緣的作為磁場的 函數的雙層的磁4匕。
圖2和3顯示了在4. 3K沿著GaMnAs的每個易軸方向(100和001， 生長沿001)的>^4匕曲線。
圖4顯示了沿GaMnAs —個易軸的溫度M關係，其中曲線從4. 3K 到80K大致每隔20K進行測取，顯示了當GaMnAs靠近Tc時其貢獻逐漸消 失。
圖5顯示了樣品沿GaMnAs的易軸方向的作為溫度的函數的自發>^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磁距的
10%。
圖7和8顯示了對兩個獨立的器件，在零施加磁場下，通過層堆棧的垂直輸運i-v測量。
圖9顯示了施加磁場所產生的MR. 囝IO顯示了飽和曲線閨， 圖11顯示了部々^L坐標圖。
困12和13顯示了在60K和80K的飽和c]) (phi)掃描。
具體實施例方式
現在我們提供所考慮器件的一個實施例的詳細技術說明。樣品包括沉 積在標準GaAs襯底及緩衝區上的兩個活性層。在緩衝區上生長的笫一層 是用MBE生長的GaMnAs薄膜，接下來是在GaMnAs上原位沉積的~ 2咖的 Py層(即樣品在UHV條件下從MBE生長室轉移到Py栽射室).通過磁控 栽射沉積Py，在層中產生磁t各向異性。具體地可選擇Py層的厚度在l到 5納米之間以及優選在1. 5到2. 5納米之間。
塊狀材料首先要經過SQUID磁強測量檢定以確認各層的磁化方向能 夠獨立的改變。這可由圖l到圍6證實。
困1顯示了在130K和4. 3K沿著本發明樣品的一個邊擬即110晶向) 的作為磁場的函數的雙層的磁化。因為130K M我們的GaMnAs居裡溫度
( 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，我們看到二次轉變現象形式的來自於GaMnAs的類外貢獻
(130K的CoFe回線的非對稱交點是初M^定採用的測量場解析度造成的 偽像，並不是真實的效果)。
困2和3顯示了在4. 3K沿著GaMnAs的每個易軸方向(100和001， 生長沿001)的磁化曲線.兩者是相似的，並且在這種位形下，兩層的獨 立性質變得明顯。由於Py^i單軸的並且測量不再沿著其易軸方向，與原 來的清晰轉變不同，我們現在看到該層的逐漸旋轉，從0之前的約100 0e 開始到0之後的約40 Oe結束。接著是GaMnAs在~ 50 Oe的轉變，由於 測量是沿著GaMnAs的易軸，該轉變相對陡峭。還要注意GaMnAs轉變過程 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"轉變，可能暗示測量輕微偏離了易軸。
圖4顯示了沿GaMnAs —個易軸的溫度M關係，其中曲線從4. 3K 到80K大致每隔20K進行測取，顯示了當GaMnAs靠近Tc時其貢獻逐漸消失。這在困5中更加清晰，其中樣品沿GaMnAs易軸的自發磁化^J^製成 溫度的函數.在80K以上看到的相對恆定的貢il^Py的磁距，在此範圍 內其具有很小的溫度M關係.當靠近GaMnAs的Tc時，GaMnAs的貢獻 遂漸消失，這張困顯示的Tc為約72K.
最後，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磁 距的10% (注意y坐標)，it^明正如期望的那樣，我們的樣品具有強的 面內各向異性.
現在我們轉向樣品的^il檢定，其可由圖7到困13來證實。
圖7和8顯示了對兩個獨立的器件，在零施加磁場下，通it;&堆棧的 垂直輸運I-V測量。第一個具有非線性性能，而第二個為線性的。儘管這 些柱體的電阻有所不同，但兩個器件都呈現出相似的磁阻，這或許暗示在 合適的界面優化下，這種幾何關係在歐姆(GMR)和酸道(TMR，TAMR)模式 下都是可IMt的。
圖9顯示了施加磁場所產生的MR.磁場加在樣品的面內並且沿著各 個角度。可以看出，樣品在所有的角度都顯示出顯著的MR,並且具有作 為角度的函數的豐富的性能漸進。從這些圍中，器件的電阻可以看成是兩 層磁化方向(相對的和絕對的)的結果，信號的一部分無疑歸因於GaMnAs 中的TAMR效應，如困10中的飽和曲線困以及困11中的部分極坐標困所 示。但是剩餘的額外貢獻與GaMnAs中的純TAMR貢獻並不一致，這必然起 因於Py的貢獻或者兩個層之間的相互作用的貢獻.
有趣的是還注意到，初步測量暗示，來自Py層的MR部分在超過 GaMnAs的居裡溫度的情況下仍會存在。困12和13顯示了在60K和80K 的飽和4)掃描.螺旋線的外向臂源於初級測量中溫度穗定性控制較差造成 的長期的溫度漂移，但是在困12中可清晰看到的內環的偏心距是真實的 並且可重複。在圍13的80K數據中，它仍然可見，只是並不明顯，在圖 13中，該數據用不同的顏色繪製了兩次，其中一次旋轉了 90度，使得偏 心距更加明顯。
效應的一部分在GaMnAs的居裡溫度以上仍能存在暗示其與Py有關， 不管是由於該層的^屬性，還是由於Py對半導體中的Mn原子的作用， 並且其可以^一種將TAMR推廣到高於室溫的方式。
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曲線困，困例M6R1-E指的;^從上面看笫二個曲線困等等。困例M6R18-E 指的是IU^—個曲線困，其為M部的曲線困。
困11中的參考數字110指的是第一個通腺，如圖11中的困例所示， 參考數字112指的是最後一個海腺。
圖13中的參考數字130指的是M10R0-E曲線圍，參考數字132指的 是M10R旋轉90-E曲線困.
權利要求
1.一種自旋電子元件，包括其之間沒有非磁中間層的兩個鐵磁層，其中所述兩個鐵磁層可以通過各種方式被獨立轉變，所述各種方式例如但不限於施加一個或多個外磁場和/或使用電流感應轉變和/或光學自旋泵作用。
2. 根據權利要求l所述的自旋電子元件，其中使用這樣兩個鐵磁層 所述兩個鐵磁層的磁化都在其各自相關的層的平面內，並且基本上可控制 成彼此平行和反平行。
3. 根據權利要求1或2中的一項所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個l^磁層所述兩個45l磁層的磁化中的一個或兩個可以在或可以不在其 各自相關的磁層的平面內，並且基本上可控制成具有至少兩個以及優選地 多於兩個的穩定^^位形。
4. 根據權利要求1至3中的一項所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個鐵磁層不同的穩定磁狀態直接關聯於一個層和/或兩個層和/或作為 整體的所述元件中的不同電阻狀態。
5. 根據權利要求1至4中的一項所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個鐵磁層所述鐵磁層具有不同的材料特性，例如但不限於一層基本為 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 不限於半導體。
6. 根據權利要求1至5中的一項所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個鐵磁層所述鐵磁層具有相似甚至更優選^目同的材料特性，所述兩 個鐵磁層之間的邊界由材料的變化和/或磁各向異性限定。
7. 根據權利要求1至6中的一項所述的自旋電子元件，其中使用這樣 兩個鐵^磁層所述兩個4^磁層之間的邊界由一層在另 一層之上形成的所述 兩個層產生和/或由彼此相鄰形成的所述兩個層產生，彼此相鄰形成的所 述兩個層形成在例如但不限於公共襯底上。
8. 根據權利要求1至7中的一項所述的自旋電子元件，其中笫二鐵磁 區域的產生可以通過直接產生和/或通過修改至少部分第一鐵磁區域來完 成。
9. 根據權利要求1至8中的一項所述的自旋電子元件，其作為展現隧 道各向異性磁阻的器件。
10. 根據權利要求1至9中的一項所述的自旋電子元件，用作自旋閥 器件。
11. 一種器件，包括根據權利要求1至10中的一項所述的自旋電子元件。
12. —種器件，包括根據權利要求1至8中的一項所述的自旋電子元 件，該自旋電子元件例如但不限於GMR， TMR。
13. 根據權利要求1至8中的一項所述的器件，例如但不限於 GMR， TMRo
14. 根據權利要求1至8中的一項所述的自旋電子元件，其允許室溫 或超過室溫的情況下的基於TAMR的器件的操作。
15. 基於鐵磁半導體的使用的自旋電子器件，其中鐵磁上覆層被用於 將所述半導體的磁性能延伸到更高溫度。
16. 根據權利要求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鐵磁層，並且待被獨立轉變的所述兩個層中的一層是 鐵磁金屬層，另一層^JUt半導體層。
17. 根據權利要求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 (簡寫Py)，所述鐵磁半導體層是GaMnAs。
18. 根據權利要求16或17所述的自旋電子元件，其中所述鐵磁半導 體層是在GaAs襯底的緩沖區上生長特別是MBE生長的薄膜，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有非磁中間層的兩個鐵磁層。該兩個鐵磁層可以通過各種方式被獨立轉變，所述各種方式例如但不限於施加一個或多個外磁場和/或使用電流感應轉變和/或光學自旋泵作用。
文檔編號H01L43/08GK101292370SQ200680033730
公開日2008年10月22日 申請日期2006年9月12日 優先權日2005年9月13日
發明者喬治·施米特, 勞倫斯·W·莫倫坎普, 查爾斯·古爾德 申請人:易特斯股份公司