一種利用二維材料的磁性異質結構磁性隧道結的製作方法

2023-05-01 10:02:11 1

本發明屬於半導體器件領域；具體涉及一種應用電—磁或者類似磁效應的磁性隧道結。

背景技術：

自旋電子學是一個新興的並且有著巨大活力和發展應用前景的領域。近幾十年來，自旋電子學發展迅速，新結構、新材料、新器件等方面的創新探索層出不窮，並使得磁存儲工業發生了巨大的變革和進步。高靈敏度、微型、集成的磁敏傳感器和磁阻元件是近幾十年存儲器件存儲密度快速增長發展的核心。

傳統的磁阻元件利用的是各向異性磁電阻(AMR)效應，其磁阻變化只有1％～2％的量級。1988年，在多層磁性金屬膜Fe/Cr/Fe中發現了巨磁電阻效應(GMR)，其磁阻變化達到10％～20％，較AMR提升了一個數量級。很快GMR就在各個方面產生了廣泛的應用，最重要的是其在硬碟存儲方面的應用。1997年，GMR磁讀頭代替了原來的AMR磁讀頭，大大提高了硬碟的數據讀寫精度，使得存儲密度從1Gbit/in2提高到100Gbit/in2以上。GMR效應的發現者也因此被授予2007年的諾貝爾物理學獎。GMR效應的成功引領了研究磁阻效應和自旋電子學的一陣熱潮。暨此以後，龐磁電阻效應(CMR)、隧穿磁電阻效應(TMR)等被相繼發現。其中TMR效應已經可以達到200％的室溫磁阻變化並具有很高的磁場靈敏度，目前在磁敏元件和磁性存儲領域(MRAM等)的應用已經處於實用應用化的階段。

TMR效應承載的基本結構是磁性隧道結(MTJ)，類似於一個三明治的結構，由鐵磁金屬材料/絕緣材料/鐵磁金屬材料堆疊構成。電子通過量子隧穿效應在上下的鐵磁金屬材料之間傳導。當上下兩層鐵磁金屬材料的磁矩在平行和反平行狀態之間變化的時候，不同自旋的電子的傳導情況會有很大的區別，對外整體表現為低阻態和高阻態的不同；而這個金屬材料的磁矩，則可以通過很小的外磁場來誘導改變，從而實現了微磁場檢測或者存儲比特的功能。

目前的MTJ結構中，中間的絕緣材料大多使用的是傳統的金屬氧化物絕緣材料，例如氧化鎂MgO、氧化鈦TiO2、氧化鉿HfO2、氧化鋁Al2O3等材料。這些材料結構簡單，生長工藝也較為成熟，研究也很多。但是傳統的絕緣材料有一些無法克服缺點：1)傳統的金屬氧化物絕緣層厚度上的降低會使得絕緣層漏電流急劇增大，使得隧穿結結構失效，抗擊穿能力變差；2)傳統絕緣材料的能帶結構是固定的，少數可以通過製造過程中化學計量比的控制來調節材料的能帶，這使得隧穿結界面性能的優化能力受限，往往無法得到理論最優材料參數的材料。

近些年來，以石墨烯為代表的新型二維材料迅速發展並受到人們的熱切關注。從最初的石墨烯開始，已經發展到了包括氮化硼、過渡金屬硫化物、黑磷等材料在內的十分豐富的材料體系。製備方法也從最開始的機械剝離，到目前多種多樣的化學氣相沉積生長、分子束外延、幹法轉移、溼法轉移等多種途徑，新的方法也不斷地被研究開發應用。本專利將基於二維材料或二維材料異質結與磁性材料結合構成新型的新型磁性異質結構，該結構具有結構厚度小，抗擊穿能力強，能隙結構連續可調和高隧穿過濾特性。

技術實現要素：

本發明的目的是利用二維材料的特殊結構和物理特性，從本質上解決使用傳統絕緣材料作為隧穿絕緣層所製備的磁性隧道結結構存在的問題。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種利用二維材料的磁性異質結構磁性隧道結，其結構為：

整體上為垂直堆疊的三明治結構。上層為鐵磁性層或非鐵磁性材料層，下層為鐵磁性層或非鐵磁性材料層，上層和下層之間為二維(2D)材料層。

其中，所述鐵磁性層的材料為鐵Fe、鈷Co、玻莫合金NiFe、鐵鈷合金CoFe、CoFeB、LaSrMnO、GaMnAs、CoFeAl、YFeO、CoFeO或人工反鐵磁中的一種或多種,所述人工反鐵磁選自CoFe/Ru/CoFeB、NiFe/Ru/CoFe中的一種；所述非鐵磁性材料層為導電層和自旋軌道耦合強的非磁金屬層，非鐵磁性材料為Ta、Ir、Pt、W中的一種或多種。

其中，以二維材料層作為隧穿層，所述二維材料選自氮化硼BN、黑磷BP、氮化硼和石墨烯的複合結構、氧化石墨烯、石墨烯、硒化銦InSe中的一種。

進一步地，所述二維材料層的厚度為

本發明所述磁性異質結構磁性隧道結的製備方法，包括步驟：

1)首先利用掩膜版或者光刻版的方式，利用磁控濺射、電子束蒸發或化學氣相沉積方法中的一種或多種，在襯底上面生長下層鐵磁性層或非鐵磁性層材料，形成底電極；

2)接著利用化學氣相沉積、溼法轉移、幹法轉移方法中的一種或多種，製備二維材料隧穿層；

3)利用掩膜版的方式，採用磁控濺射、電子束蒸發或化學氣相沉積方法中的一種或多種，生長上層鐵磁性層或非鐵磁性材料層，形成頂電極。本發明的一種優選實施方式為，所述步驟2)中，用膠帶和/或高分子溶膠將二維材料轉移到步驟1)所制底電極上。所述高分子溶膠可以為原花青素、瓜爾膠、聚丙烯醯胺、黃原膠中的一種。

本發明的另一優選實施方式為，所述步驟2)中，中間的2D材料層採用微波輔助等離子體化學氣相沉積(CVD)的方法製備：

S1：將微波發生器產生的微波用波導管經隔離器進入反應器；

S2：通入甲烷和氫氣的混合氣體，由於微波的注入使甲烷-氫氣混合氣體產生了等離子體，在底電極的表面進行沉積石墨烯。

本發明的有益效果在於：

本發明使用二維材料作為隧穿層構成一種新型的新型磁性異質結構，可實現真正的2D原子級厚度和連續可調控的能帶特性，為下一代磁存儲、磁傳感、自旋邏輯、量子計算等應用提供了巨大的尺寸縮小空間和靈活應用的潛力。

使用二維材料作為隧穿壁壘來構成磁性隧道結，實現了真正的原子層級別的厚度，從而使器件的尺寸等比例縮小的極限大大提高，並從根本上解決了傳統絕緣材料所存在的過薄導致的漏電流問題。

使用二維材料作為隧穿壁壘來構成磁性隧道結，使得可以透過外場作用調節材料的能帶結構和能隙大小，使得能隙大小這一重要的材料參數從真正意義上實現了連續變化，並可以在應用場景下進行調控。

附圖說明

圖1為上下兩層都為鐵磁性層，中間為2D材料的磁性異質結示意圖；

圖2為上層為鐵磁性層，下層為導電層和自旋軌道耦合強的非磁性層，中間為2D材料的磁性異質結示意圖；

圖3為下層為鐵磁性層，上層為導電層和自旋軌道耦合強的非磁性層，中間為2D材料的磁性異質結示意圖；

圖4為磁性異質結的製備過程示意圖；

圖中，100為鐵磁電極上層，101為2D材料，102為鐵磁電極，110為非鐵磁電極，2為襯底。

具體實施方式

以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

如無特別說明，實施例中採用的手段均為本領域技術人員已知的技術手段。

實施例1

一種利用二維材料的磁性異質結構磁性隧道結，結構見圖1，整體上為垂直堆疊在襯底2上的三明治結構。上層為鐵磁電極上層100，下層為鐵磁電極102，上層和下層之間為2D材料101。

本實施例中，鐵磁電極上層100為硼鐵化鈷(CoFeB)材料製成，下層的鐵磁電極102為硼鐵化鈷(CoFeB)材料製成，中間的2D材料101層由石墨烯構成。上下層鐵磁電極CoFeB的矯頑力不同，可以在不同的磁場下進行磁矩翻轉，使上下層鐵磁性層的磁矩呈平形態或反平形態。

製備流程見圖4。其中，硼鐵化鈷(CoFeB)材料層的上層和下層均採用磁控濺射方法製成，採用的靶材為Co20Fe60B20。濺射的工藝參數為：背底真空度為10Pa，濺射功率為90W，氬氣流量為20sccm，濺射壓強為0.4Pa，靶材與襯底距離為5cm。

中間的2D材料101層採用以下方法製備：-

S1：製備PPC(聚碳酸丙烯脂)溶膠：將15wt％的PPC放入苯甲醚中，置於50攝氏度熱板上使其完全溶解；然後滴到載玻片上，在50攝氏度下加熱約2h至凝固。

S2：將PPC溶膠用膠帶轉移到1mm見方的潔淨載玻片上的PDMS(聚二甲基矽氧烷)塊上；將載玻片固定至顯微鏡下。

S3：在顯微鏡下找到機械剝離的帶石墨烯的襯底(製備石墨烯的襯底)，對準，加熱PPC至40攝氏度之後壓下，使石墨烯被PPC粘上來。

S4：換成已經做好102層的襯底2，在顯微鏡下對準，加熱PPC至110攝氏度後，移動使帶石墨烯的PPC和襯底貼緊，再抬起載玻片。石墨烯被轉移到襯底上。

所獲得的氧化石墨烯2D材料層的厚度為0.3～0.5nm。

實施例2

一種利用二維材料的磁性異質結構磁性隧道結，結構見圖2，整體上為垂直堆疊在襯底2上的三明治結構。上層為鐵磁電極上層100，下層為非鐵磁電極110，上層和下層之間為2D材料101。

本實施例中，鐵磁電極上層100為硼鐵化鈷(CoFeB)材料製成，下層的非鐵磁電極110為Pt材料製成，中間的2D材料101層由石墨烯構成。

其中，硼鐵化鈷(CoFeB)材料層的上層採用和實施例1相同的磁控濺射方法製成。下層的非磁電極110為Pt材料通過真空熱蒸發製成。

中間的2D材料101層可採用如下方法製備：

S1：利用膠帶的粘合力，通過多次粘貼將HOPG(高定向熱解石墨),鱗片石墨等層層剝離；

S2：將帶有石墨薄片的膠帶粘貼到矽片等非鐵磁電極下層上；

S3:去除膠帶，在非磁電極下層的表面形成單層或少層的石墨烯作為隧穿層；

鐵磁電極上層利用硬掩膜的方法，在中間2D材料隧穿層上，通過和實施例1相同的磁控濺射方法製成。為了防止磁控濺射生長過程中將2D材料損壞，可減小濺射的功率和增大靶材與襯底之間的距離。

實施例3

一種利用二維材料的磁性異質結構磁性隧道結，結構見圖3，整體上為垂直堆疊在襯底2上的三明治結構。上層為非磁電極110，下層為鐵磁電極102，上層和下層之間為2D材料101。

本實施例中，鐵磁電極下層100為硼鐵化鈷(CoFeB)材料製成，上層的非鐵磁電極110為Pt材料製成，中間的2D材料101層由石墨烯構成。

其中，硼鐵化鈷(CoFeB)材料層的下層採用和實施例1相同的磁控濺射方法製成。上層的非鐵磁電極110為Pt材料採用和實施例2相同的真空熱蒸發方法製成。

中間的2D材料101層可採用微波輔助等離子體CVD生長的方法製備：

S1：將微波發生器產生的微波用波導管經隔離器進入反應器；

S2：通入甲烷和氫氣的混合氣體，由於微波的注入使甲烷-氫氣混合氣體產生了等離子體，在電磁電極下層100的表面進行沉積石墨烯。

此法由於具有等離子體的輔助沉積，具有沉積溫度低，時間短等優點。

以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。