[發明專利]磁性隧道結

在審

• 申請號: 201210229507.5
• 申請日: 2012-07-03
• 公開（公告）號: CN103531707A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 吳昊;張佳;余天;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
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇;王博

技術領域

本發明涉及一種基于尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結，及其在自旋電子器件中的應用。

背景技術

1988年，法國物理學家Fert領導的研究小組在Fe/Ge多層膜中發現了高達50%的巨磁電阻效應(GMR)。這種效應由于在信息領域中有巨大的潛在應用價值，一經問世便引起了磁電阻效應的研究熱潮。1994年，IBM研發出利用巨磁電阻效應的讀頭，使硬盤存儲密度提高17倍，達到3Gbits/in²。1995年日本T.Miyazaki等人和美國J.S.Moderola等人分別在鐵磁金屬/Al-O絕緣勢壘/鐵磁金屬中發現了高的室溫隧穿磁電阻效應(TMR)，再次掀起了磁電阻效應的研究浪潮。目前，人們在基于MgO勢壘的的磁性隧道結中已經獲得室溫超過600%的TMR值。這是因為對于單晶MgO(001)勢壘隨性隧道結，隧穿時s帶多子電子（Δ₁對稱性，自旋向上）起主導作用，這個理論最早由Butler等人提出，并且被實驗所證實。2009年，希捷公司采用MgO磁性隧道結材料做磁頭，使硬盤演示盤存儲密度達到800Gbits/in²。

然而，單晶MgO(001)勢壘與常用鐵磁金屬如Fe、CoFe的晶格失配度比較大，產生界面位錯和勢壘缺陷，限制了磁電阻比值的進一步提高，導致磁性隧道結的不對稱，偏壓依賴性比較強，擊穿電壓降低；因此進一步尋找和制備結構缺陷更少、特別是晶格匹配度更高的新勢壘材料有非常重要的科學意義。

發明內容

因此，本發明的目的在于克服上述現有技術的缺陷，提供一種基于尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結，包括單勢壘磁性隧道結和雙勢壘磁性隧道結及其在自旋電子器件中的應用。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明提供一類基于尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結，其核心多層膜結構中的勢壘層由尖晶石結構的AB₂O₄材料組成，包括MgAl₂O₄、ZnAl₂O₄、SiMg₂O₄、SiZn₂O₄、MgGa₂O₄、MgIn₂O₄、ZnGa₂O₄、ZnIn₂O₄、CdAl₂O₄、CdGa₂O₄、CdIn₂O₄、SiCd₂O₄、GeMg₂O₄、GeZn₂O₄、GeCd₂O₄、SnMg₂O₄、SnZn₂O₄、SnCd₂O₄等，典型厚度為0.5~5.0nm。

在上述技術方案中，所述尖晶石氧化物勢壘的磁性隧道結包括單勢壘和雙勢壘結構。

在一個實施例中，提供一種基于尖晶石氧化物單勢壘的磁性隧道結多層膜的結構，該結構由下至上依次包括：

襯底；

緩沖層；

第一磁性層；

勢壘層；

第二磁性層；

覆蓋層；

其中第一和第二磁性層的矯頑力不同，調節矯頑力大小可以采用交換相互作用、形狀各向異性、埋入永磁的方法。

在上述技術方案中，所述的第一和第二磁性層包括鐵磁性材料、半金屬磁性材料、稀磁半導體材料，以及這些磁性材料與反鐵磁材料、非磁性金屬的復合層，第一和第二磁性層的厚度為1~50nm，兩磁性層的材料和厚度可以相同或者不同。

上述本發明提供的基于尖晶石氧化物單勢壘的磁性隧道結，隧穿時s帶多子電子（△₁對稱性，自旋向上）起主導作用，因此核心層中兩鐵磁電極磁化方向平行時隧穿電流大，此時隧道結電阻比較小；通過改變外磁場使兩磁性層的磁化方向反平行時，兩邊磁電極的能帶結構不匹配，隧穿電流變小，此時隧道結電阻比較大。因此能夠獲得室溫下高的單勢壘隧穿磁電阻比值。