[發明專利]單電子磁電阻結構及其應用有效

申請號：	200910238510.1	申請日：	2009-11-27
公開（公告）號：	CN101853918A	公開（公告）日：	2010-10-06
發明（設計）人：	張佳;溫振超;張曉光;韓秀峰	申請（專利權）人：	中國科學院物理研究所
主分類號：	H01L43/08	分類號：	H01L43/08;H01L29/66;H01L27/22;H01L43/12;G11C11/15;G01R33/09
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摘要：
搜索關鍵詞：	電子磁電結構及其應用
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及磁性存儲和自旋電子學領域，尤其涉及單電子磁電阻結構及其自旋二極管、自旋晶體管、傳感器、磁性隨機存取存儲器和磁邏輯器件單元。

背景技術

通常的磁電阻結構由鐵磁/非磁/鐵磁的層狀三明治結構構成，當兩磁性電極磁化方向平行和反平行時將導致電阻的變化，稱為磁電阻效應。其中中間非磁性層分別為非磁金屬或絕緣勢壘時對應巨磁電阻(GiantMagnetoresistance-GMR)和隧穿磁電阻(Tunneling?Magnetoresistance-TMR)結構，例如Co/Cu/Co和CoFeB/AlOx/CoFeB。然而這兩類磁電阻結構在100納米尺度下的信噪比仍然相對較低、功耗較高，已不能適應未來人們進一步發展更高密度和小型化自旋電子學器件的要求。所以產業界迫切需求進一步提高磁阻單元的磁電阻以提高信噪比，并且同時要做到顯著降低功耗。

發明內容

因此，本發明的一個目的是提供一種信噪比較高且低功耗的基于庫侖阻塞的GMR多層量子點磁電阻結構。

本發明的另一個目的是提供另一種信噪比較高且低功耗的基于庫侖阻塞的雙勢壘磁性量子點結構。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

根據本發明的第一個方面，提供一種GMR量子點單電子隧穿磁阻結構，其包括一襯底，及其上的底部導電層、第一勢壘層、GMR磁性量子點層、第二勢壘層、頂部導電層。

在上述技術方案中，所述GMR磁性量子點層包括量子點和填充在量子點之間的勢壘材料，該量子點橫向尺寸為0.5～100nm，并且該量子點具有鐵磁層/非磁金屬層/鐵磁層或半金屬層/非磁金屬層/半金屬層的結構，其中所述鐵磁層厚度為0.4～10nm，非磁金屬層厚度為0.4～5nm，半金屬層厚度為0.4～10nm。

在上述技術方案中，所述頂部和底部導電層為非磁金屬材料、鐵磁性金屬材料、半金屬磁性材料或磁性半導體材料，厚度為1～500nm。

在上述技術方案中，所述第一、第二勢壘層和填充在量子點中的所述勢壘材料包括金屬氧化物絕緣膜、NaCl薄膜、金屬氮化物絕緣膜、CMR絕緣材料、類金剛石薄膜或由半導體材料制成，厚度為0.5～5.0nm；或為有機絕緣和有機半導體膜，厚度為1～200nm。

根據本發明的第二個方面，提供一種雙勢壘磁性量子點結構，包括核心膜層，其中，所述核心膜層從下至上包括：底部電極、第一勢壘層、磁性量子點層、第二勢壘層以及頂部電極。

在上述技術方案中，所述底部和頂部電極包括非磁金屬材料，厚度為1～500nm；所述的非磁金屬材料包括Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、Ag或其合金；

在上述技術方案中，所述底部和頂部電極包括鐵磁性金屬材料、半金屬磁性材料或磁性半導體材料，厚度為1～500nm。

在上述技術方案中，所述磁性量子點層包括量子點和填充在量子點之間的勢壘材料，所述量子點可以由鐵磁性材料、半金屬磁性材料、或者磁性半導體材料制成，其橫向和縱向尺寸為0.5～100nm。

在上述技術方案中，所述第一和第二勢壘層及填充在量子點之間的所述勢壘材料采用金屬氧化物絕緣膜、NaCl薄膜、金屬氮化物絕緣膜、CMR絕緣材料、類金剛石薄膜或半導體材料制成，厚度為0.5～5.0nm；或為有機絕緣和有機半導體膜，厚度為1～200nm。

根據本發明的第三個方面，提供一種自旋二極管，其中包括上述任一GMR量子點單電子隧穿磁阻結構和上述任一雙勢壘磁性量子點結構。

根據本發明的第四個方面，提供一種自旋晶體管，包括發射極、集電極和基極，其中：

所述發射極為上述任一GMR量子點單電子隧穿磁電阻結構中的頂部導電層；

所述集電極為該GMR量子點單電子隧穿磁電阻結構中的底部導電層；

所述基極為該GMR量子點單電子隧穿磁電阻結構中的GMR量子點層。