单电子磁电阻结构及其应用制造技术

本发明专利技术公开了单电子磁电阻结构及其应用，例如自旋二极管、自旋晶体管、传感器、磁性随机存取存储器和磁逻辑器件单元。其中，ＧＭＲ量子点单电子隧穿磁阻结构包括一衬底，及其上的底部导电层、第一势垒层、ＧＭＲ磁性量子点层、第二势垒层、顶部导电层。双势垒磁性量子点结构包括核心膜层，该核心膜层从下至上包括：底部电极、第一势垒层、磁性量子点层、第二势垒层以及顶部电极。由于本发明专利技术结合库仑阻塞效应和隧穿磁电阻效应，利用外磁场控制通过量子点的库仑能级共振隧穿，提高隧穿磁电阻。利用库仑阻塞形成的磁阻设计能有效提高隧穿磁电阻效应，提高在器件应用的信噪比，同时利用单电子隧穿降低了隧穿电流，因此将减小器件应用上的功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁性存储和自旋电子学领域，尤其涉及单电子磁电阻结构及其自旋二 极管、自旋晶体管、传感器、磁性随机存取存储器和磁逻辑器件单元。
技术介绍
通常的磁电阻结构由铁磁/非磁/铁磁的层状三明治结构构成，当两磁性电极 磁化方向平行和反平行时将导致电阻的变化，称为磁电阻效应。其中中间非磁性层分别 为非磁金属或绝缘势垒时对应巨磁电阻(GiantMagnetoresistance-GMR)和隧穿磁电阻 (Tunneling Magnetoresistance-TMR)结构，例如 Co/Cu/Co 和 CoFeB/AlOx/CoFeB。然而这 两类磁电阻结构在100纳米尺度下的信噪比仍然相对较低、功耗较高，已不能适应未来人 们进一步发展更高密度和小型化自旋电子学器件的要求。所以产业界迫切需求进一步提高 磁阻单元的磁电阻以提高信噪比，并且同时要做到显著降低功耗。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种信噪比较高且低功耗的基于库仑阻塞的GMR 多层量子点磁电阻结构。本专利技术的另一个目的是提供另一种信噪比较高且低功耗的基于库仑阻塞的双势 垒磁性量子点结构。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的根据本专利技术的第一个方面，提供一种GMR量子点单电子隧穿磁阻结构，其包括一 衬底，及其上的底部导电层、第一势垒层、GMR磁性量子点层、第二势垒层、顶部导电层。在上述技术方案中，所述GMR磁性量子点层包括量子点和填充在量子点之间的势 垒材料，该量子点横向尺寸为0. 5 lOOnm，并且该量子点具有铁磁层/非磁金属层/铁磁 层或半金属层/非磁金属层/半金属层的结构，其中所述铁磁层厚度为0. 4 lOnm，非磁金 属层厚度为0. 4 5nm，半金属层厚度为0. 4 10nm。在上述技术方案中，所述顶部和底部导电层为非磁金属材料、铁磁性金属材料、半 金属磁性材料或磁性半导体材料，厚度为1 500nm。在上述技术方案中，所述第一、第二势垒层和填充在量子点中的所述势垒材料包 括金属氧化物绝缘膜、NaCl薄膜、金属氮化物绝缘膜、CMR绝缘材料、类金刚石薄膜或由半 导体材料制成，厚度为0. 5 5. Onm ；或为有机绝缘和有机半导体膜，厚度为1 200nm。根据本专利技术的第二个方面，提供一种双势垒磁性量子点结构，包括核心膜层，其 中，所述核心膜层从下至上包括底部电极、第一势垒层、磁性量子点层、第二势垒层以及顶 部电极。 在上述技术方案中，所述底部和顶部电极包括非磁金属材料，厚度为1 500nm ；所述的非磁金属材料包括Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、kg或其合金； 在上述技术方案中，所述底部和顶部电极包括铁磁性金属材料、半金属磁性材料或磁性半导体材料，厚度为1 500nm。在上述技术方案中，所述磁性量子点层包括量子点和填充在量子点之间的势垒材 料，所述量子点可以由铁磁性材料、半金属磁性材料、或者磁性半导体材料制成，其横向和 纵向尺寸为0. 5 lOOnm。在上述技术方案中，所述第一和第二势垒层及填充在量子点之间的所述势垒材料 采用金属氧化物绝缘膜、NaCl薄膜、金属氮化物绝缘膜、CMR绝缘材料、类金刚石薄膜或半 导体材料制成，厚度为0. 5 5. Onm ；或为有机绝缘和有机半导体膜，厚度为1 200nm。根据本专利技术的第三个方面，提供一种自旋二极管，其中包括上述任一 GMR量子点 单电子隧穿磁阻结构和上述任一双势垒磁性量子点结构。根据本专利技术的第四个方面，提供一种自旋晶体管，包括发射极、集电极和基极，其 中所述发射极为上述任一 GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构中的顶部导电层；所述集电极为该GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构中的底部导电层；所述基极为该GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构中的GMR量子点层。根据本专利技术的第五个方面，提供一种自旋晶体管，包括发射极、集电极和基极，其 中所述发射极为上述任一双势垒磁性量子点磁阻结构中的顶部电极；所述集电极为该双势垒磁性量子点磁阻结构中的底部电极；所述基极为该双势垒磁性量子点磁阻结构中的磁性量子点层。根据本专利技术的第六个方面，提供一种传感器，包括磁电阻单元，其中，所述磁电阻 单元为上述任一 GMR量子点单电子隧穿磁阻结构，或上述任一双势垒磁性量子点磁阻结 构。根据本专利技术的第七个方面，提供一种磁性随机存取存储单元，包括磁性多层膜，其 中，该磁性多层膜为上述任一 GMR量子点单电子隧穿磁阻结构，或上述任一双势垒磁性量 子点磁阻结构。根据本专利技术的第八个方面，提供一种包括权利要求18的磁性随机存取存储单元 的磁性随机存取存储器。根据本专利技术的第九个方面，提供一种磁逻辑器件单元，包括磁电阻单元，其中，所 述磁电阻单元为上述任一 GMR量子点单电子隧穿磁阻结构，或上述任一双势垒磁性量子点 磁阻结构。与现有技术相比，本专利技术的优点在于利用库仑阻塞形成的磁阻设计能有效提高 隧穿磁电阻效应，提高在器件应用中的信噪比，同时利用单电子隧穿降低了隧穿电流，因此 可以进一步减小器件应用中的功耗。附图说明以下参照附图对本专利技术的实施例做进一步详细描述，其中图1 (a)和1 (b)为本专利技术实施例的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构理论上的纵 向剖面结构示意图，其中分别在GMR量子点磁矩反平行和平行的情况下；图2为本专利技术实施例的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构的一种实际可能的纵向剖面结构示意图；图3 (a)为本专利技术实施例的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构的另一种实际可能 的纵向剖面结构示意图；图3(b)为图3(a)的本专利技术实施例的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构的量子点 层面内俯视图；图4为本专利技术实施例的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构在偏压V下的能带结构 图；图5为本专利技术实施例的以磁性材料为电极的双势垒磁性量子点结构的纵向剖面 结构示意图；图6为本专利技术实施例的以磁性材料为电极的双势垒磁性量子点结构在偏压V下的 能带结构图。图7为本专利技术实施例的以非磁金属为电极的双势垒磁性量子点结构在偏压V下的 能带结构具体实施例方式[实施例1]根据本专利技术的一个实施例，提供一种GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构。如图 1(a)和图1(b)所示，其分别是在GMR量子点磁矩反平行和平行的情况下，本专利技术实施例 的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构的纵向剖面结构示意图。该GMR量子点单电子隧穿 磁电阻结构包括一衬底(未示出)，及其上的电极E1 (也称底部导电层)、核心膜层、电极 E2(也称顶部导电层)，其中所述核心膜层从下至上包括绝缘势垒层II、GMR磁性量子点 层GMR-D(即GMR Dots)、绝缘势垒层12，即该核心膜层的结构可表示为I1/GMR-D/I2。该 GMR-D层包括多个量子点和填充在量子点之间的势垒材料。以下为采用磁控溅射法制备上述GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构的过程利用 高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的Si/Si02衬底上首先沉积厚度为lO-lOOnm的 底部导电层Cu ；溅射沉积lnm的MgO，形成第一层绝缘层；在形成的MgO绝缘层上依次溅射 沉积Co (0. 8nm)、Cu (0. 4nm)、Co (0. 8nm)，在MgO上三维模式生长形成Co/Cu/Co的GMR磁性 量子点层；溅射沉积lnm的MgO，形成第二层MgO绝缘层；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＧＭＲ量子点单电子隧穿磁阻结构，其包括一衬底，及其上的底部导电层、第一势垒层、ＧＭＲ磁性量子点层、第二势垒层、顶部导电层。

【技术特征摘要】
一种GMR量子点单电子隧穿磁阻结构，其包括一衬底，及其上的底部导电层、第一势垒层、GMR磁性量子点层、第二势垒层、顶部导电层。2.根据权利要求1所述的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构，其特征在于，所述GMR 磁性量子点层包括量子点和填充在量子点之间的势垒材料，该量子点横向尺寸为0. 5 lOOnm,并且该量子点具有铁磁层/非磁金属层/铁磁层或半金属层/非磁金属层/半金属 层的结构，其中所述铁磁层厚度为0. 4 lOnm，非磁金属层厚度为0. 4 5nm，半金属层厚 度为0. 4 lOnm。3.根据权利要求2所述的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构，其特征在于，所述顶部和 底部导电层为非磁金属材料、铁磁性金属材料、半金属磁性材料或磁性半导体材料，厚度为 1 500nmo4.根据权利要求3所述的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构，其特征在于，所述的非磁金属材料包括Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、kg或其合金；所述的铁磁性金属材料包括3d过渡族磁性单质金属，稀土单质金属，铁磁性合金或 CMR磁性金属材料；所述的半金属磁性材料包括Fe304、Cr02、和Hesuler合金；所述的磁性半导体材料包括Fe、C0、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、Ti02、Hf02或Sn02，或者是Mn 掺杂的 GaAs、InAs、GaN 或 ZnTe。5.根据权利要求4所述的GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构，其特征在于，所述第一、第二势垒层和填充在量子点中的所述势垒材料包括金属氧化物绝缘膜、 NaCl薄膜、金属氮化物绝缘膜、CMR绝缘材料、类金刚石薄膜或由半导体材料制成，厚度为 0. 5 5. Onm ；或为有机绝缘和有机半导体膜，厚度为1 200nm。6.一种双势垒磁性量子点结构，包括核心膜层，其特征在于，所述核心膜层从下至上包 括底部电极、第一势垒层、磁性量子点层、第二势垒层以及顶部电极。7.根据权利要求6所述双势垒磁性量子点磁阻结构，其特征在于，所述底部和顶部电 极包括非磁金属材料，厚度为1 500nm。8.根据权利要求7所述双势垒磁性量子点磁阻结构，其特征在于，所述的非磁金属材 料包括 Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、kg 或其合金。9.根据权利要求6所述双势垒磁性量子点磁阻结构，其特征在于，所述底部和顶部电 极包括铁磁性金属材料、半金属磁性材料或磁性半导体材料，厚度为1 500nm。10.根据权利要求9所述双势垒磁性量子点磁阻结构，其特征在于，所述铁磁性金属材 料包括3d过渡族磁性单质金属，稀土单质金属，铁磁性合金或CMR磁性金属材料；所述半 金属磁性材料包括Heussler合金；所述磁性半导体材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳，温振超，张晓光，韩秀峰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]