基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件制造技术

本申请公开了基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件，从上到下包括顶电极、SOT

【技术实现步骤摘要】
基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件


[0001]本专利技术涉及磁性存储器
，具体涉及基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件。

技术介绍

[0002]1975年，Julliere在Co/Ge/Fe磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJ)中观察到了TMR效应。TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，从而展示出十分诱人的应用前景。概括来说，TMR材料主要用于计算机硬盘的读出磁头、MRAM和各类磁传感器。基于TMR效应制作的MRAM具有集成度高、非易失性、读写速度快、可重复读写次数大、抗辐射能力强、功耗低和寿命长等优点，它既可以做计算机的内存储器，也可以做外存储器。作为内存储器，与市场上通用的半导体内存储器相比，它的优点是非失性、存取速度快、抗辐射能力强；作为外存储器，它比Flash存储器存取速度快1000倍，而且功耗小，寿命长。与硬磁盘相比，它的优势是无运动部件，使用起来与Flash存储器一样方便。TMR材料还可以做成各种高灵敏度磁传感器，用于检测微弱磁场和对微弱磁场信号进行传感。由于此类传感器体积小、可靠性高、响应范围宽，在自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位、导航系统以及精密测量技术方面具有广阔的应用前景。

技术实现思路

[0003]解决的技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本申请提出基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件，以解决现有技术中磁性随机存储器存在自旋霍尔角较小、稳定性差且不能实现读写分离等等问题。
[0004]技术方案：
[0005]一种基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件，所述基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件包括从上至下依次设置的顶电极、SOT
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MTJ和衬底，所述SOT
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MTJ包括从上至下依次设置的参考层、隧穿层、复合重金属层和自由层，所述顶电极采用铝或铜材料，参考层和自由层均采用CoFeB材料，隧穿层采用MgO材料，复合重金属层采用钽薄层上生长钨薄层形成Ta/W复合材料，衬底为Bi2Se3和NiI2异质结的结构。
[0006]作为本申请的一种优选技术方案，所述顶电极材料为铝，厚度为10nm。
[0007]作为本申请的一种优选技术方案，所述参考层和自由层为CoFeB材料，厚度为2nm，用于实现磁化翻转存储数据。
[0008]作为本申请的一种优选技术方案，所述隧穿层采用MgO材料，厚度为2nm，用于产生隧穿效应来传输自旋信号。
[0009]作为本申请的一种优选技术方案，所述复合重金属层采用Ta/W，将其置于隧穿层和自由层间，其厚度为2nm，由于Ta和W都具有较大的自旋霍尔角，有利于高效地产生自旋轨道力矩来翻转磁矩。
[0010]作为本申请的一种优选技术方案：所述衬底采用Bi2Se3/NiI2异质结结构，Bi2Se3/
NiI2异质结具有比较大的自旋霍尔电导率(SHC)，非常适合电流与自旋轨道力矩的转化；为了提升电流与自旋轨道力矩的转化效率，Bi2Se3/NiI2异质结的厚度为9nm。
[0011]作为本申请的一种优选技术方案：所述新型磁隧道结存储器件的数据写入操作，是通过向底电极分别注入正负电流I
write
来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据0和1的写入；而数据读取操作，是通过将流经该SOT
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MTJ的读取电流I
read
与基准参考电流进行比较来判断存储在其中的数据信息。
[0012]本专利技术的原理为：
[0013]基于Bi2Se3/NiI2异质结衬底的新型倾斜磁隧道结存储器件利用TMR效应实现存储数据的功能。所谓TMR效应，其产生机理是自旋相关的隧穿效应。若两铁磁层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,这种状态的隧穿电流比较小。因此,隧穿电导随着两铁磁层磁化方向的改变而变化，磁化矢量平行时的电导高于反平行时的电导。通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，导致TMR效应的出现。
[0014]有益效果：
[0015]1.Bi2Se3/NiI2：相比平面磁各向异性，垂直磁各向异性更有利于实现低能耗、高热稳定性的高密度信息存储器件，而单层NiI2具有垂直磁各向异性，有利于进行磁化翻转和降低能耗。拓扑绝缘体材料Bi2Se3具有比较大的自旋霍尔角，可以提高电流与自旋轨道力矩的转化，降低功耗，提升磁化翻转效率。研究Bi2Se3/NiI2异质结的自旋特性，可以发现该异质结在E＝
‑
0.85eV时SHC比较大，可以达到更容易产生SHE，从而提高了SOT效率，并且可以通过控制费米能量转移来控制SHC的大小，进而控制SOT。
[0016]2.Ta/W复合重金属层：由于自旋霍尔效应的存在，通入非极化的面内电荷流能够产生垂直方向的自旋流，进而在薄膜界面上产生自旋积累，而当这个自旋流或者自旋积累被临近铁磁层吸收时，产生的自旋轨道力矩足以使其磁矩发生确定性翻转，即自旋轨道力矩能够实现自旋信息的写入。特定材料产生自旋轨道力矩的效率与其自旋霍尔角密切相关。自旋霍尔角定义为自旋电导率和电荷电导率的比值。Ta和W都具有较大的自旋霍尔角，非常有利于高效地产生自旋轨道力矩来翻转磁矩。复合重金属层具有较好的耐热性、高的垂直磁各向异性，而且具有高达0.5有效自旋霍尔角，为SOT器件的实际应用提供了有效途径。在Ta/CoFeB中引入W插层，提高了体系自旋霍尔角，降低了电流诱导磁化翻转所需的辅助外场。
[0017]3.读写分离：Bi2Se3/NiI2导电层两端连接到正负电极，注,双向电流I
write
来完成对自由层磁化状态的改变，从而实现数据“0”或“1”的写入，正向电流控制自由层的磁化翻转，实现数据1的写入，反向电流将自由层的翻转状态清除，实现数据1的删除；而数据读取操作则是通过在该磁隧道结通入电流后，将读取电流I
read
与基准参考电流来进行比较来判断存储在其中的数据信息。通过这种方式实现读写分离的操作，完成无需外部磁场即可进行读写的功能。
附图说明
[0018]图1是本专利技术的一种基于Bi2Se3/NiI2异质结衬底的新型倾斜磁隧道结存储器件结构示意图。
[0019]图2基于Bi2Se3/NiI2异质结构的自旋霍尔电导率与能量的关系；
[0020]图3基于Bi2Se3/NiI2异质结构的透射系数与能量的关系；
[0021]图4基于Bi2Se3/NiI2异质结构的DOS与能量的关系。
具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件，其特征在于：所述基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件包括从上至下依次设置的顶电极、SOT
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MTJ和衬底，所述SOT
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MTJ包括从上至下依次设置的参考层、隧穿层、复合重金属层和自由层，所述顶电极采用铝或铜材料，参考层和自由层均采用CoFeB材料，隧穿层采用MgO材料，复合重金属层采用钽薄层上生长钨薄层形成Ta/W复合材料，衬底为Bi2Se3和NiI2异质结的结构。2.根据权利要求1所述基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件，其特征在于，所述顶电极材料为铝，厚度为10nm。3.根据权利要求1所述基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件，其特征在于，所述参考层和自由层为CoFeB材料，厚度为2nm，用于实现磁化翻转存储数据。4.根据权利要求1所述基于硒化铋和碘化镍异质结衬底的新型磁隧道结存储器件，其特征在于，所述隧穿层采用MgO材料，厚度为2nm，用于产生隧穿效应来传输自旋信号。5.根据权利要求1所述基于硒...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨睿卿，王伟，李善航，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：