[發明專利]沒有非磁中間層的自旋電子元件

無效

• 申請號: 200680033730.5
• 申請日: 2006-09-12
• 公開（公告）號: CN101292370A
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發明（設計）人: 查爾斯·古爾德;喬治·施米特;勞倫斯·W·莫倫坎普
• 申請（專利權）人: 易特斯股份公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊林森;李春暉

背景技術

在基于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制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旋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并有描述。這些器件也被制成使用 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(隧道磁阻)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Al0x，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被獨立轉變(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(NiFe， 簡寫：Py)和GaMnAs。這是一種非常有趣的效應并且被認為起因于這樣 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，所以讓這兩個層直接接觸并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于層的磁 取向而對GMR/TMR器件給出不同電阻，該電荷輸運依賴于界面的性質：對 于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，而是具有更復雜的幾何關系，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 復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，這種更復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 器件更復雜的計算中。另外，如果更下級是由呈現隧道各向異性磁阻(TAMR) 的材料制成，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。

附圖說明

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 函數的雙層的磁化。

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)的磁化曲線。

圖4顯示了沿GaMnAs一個易軸的溫度依從關系，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磁化 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。

圖10顯示了飽和曲線圖。

圖11顯示了部分極坐標圖。

圖12和13顯示了在60K和80K的飽和φ(phi)掃描。

具體實施方式