[发明专利]一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件

说明书

本发明涉及一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件，该结构可以是磁隧道结、自旋注入构型等自旋电子结构的一部分。包括：铁磁金属电极；阻变隧穿层；铁磁金属电极或者自旋注入沟道。所述隧穿层，是在不同电压条件下电阻不同的阻变材料。包括但不限于氧化铪(HfO₂)，氧化钛(TiO₂)，五氧化二钽(Ta₂O₅),氧化锌(ZnO)，二氧化锆(ZrO₂)或其他阻变材料中的一种或者多种等。本发明提出了阻变隧穿层，通过使用压控电阻的阻变材料作为隧穿层，可以实现将隧穿电阻调控在合适区间内，提高自旋电子器件的性能或实现自旋注入效率的调控。

【技术领域】

本发明涉及一种用阻变材料做隧穿层的自旋电子器件，用于调控自旋电流的隧穿几率，属于自旋电子学领域。

【背景技术】

自旋电子学主要研究与电子电荷和自旋相关的过程，包括自旋流的产生、自旋注入、自旋输运、自旋检测及自旋控制，最终实现新型的电子器件，如自旋量子阱发光二极管、自旋p-n结二极管、磁隧道效应晶体管、自旋场效应晶体管等。很多自旋电子结构和器件都用到了隧穿层。

隧穿层的作用可以用量子隧穿效应解释。在两层金属(或者半导体)之间夹极薄的绝缘层，电子在其中一层金属(半导体)中可以被认为是自由的，而绝缘层构成了势垒，电子不易通过绝缘层。当电子能量小于势垒值时，经典力学中电子不能以负能量存在于绝缘层，所以无法穿过势垒。但是量子力学指出，电子具有波动性，其运动用波函数描述，由薛定谔方程可以解出电子在各个区域出现的概率密度，从而可以得到电子穿过势垒的概率。这里的绝缘层也可以称为隧穿层。

与自旋相关的隧穿效应的理论和实验证明，在铁磁金属/绝缘层/半导体(MIS)中或者铁磁层/绝缘层/铁磁层(MTJ)等结构中，隧穿层发挥着重要的作用。在铁磁金属中，自旋向上的多数载流子和自旋向下的少数载流子的电导有较大差别，从而可以得到自旋极化的电流。自旋极化的电流穿过隧穿层的几率与隧穿层的电阻有关。通过控制隧穿层的电阻，可以调控相关结构和器件的性能。

含有非阻变隧穿层的自旋电子结构会出现几个问题：第一，器件制备完后，其隧穿层的材料和厚度都已经确定，那么接触电阻也被确定，但是此接触电阻不一定对应最好的性能；第二，对于某些特殊器件，需要对自旋电流穿过隧穿层的几率进行调控，而非阻变隧穿层无法满足此要求。

【发明内容】

一、发明目的：

针对上述背景中提到的含有非阻变隧穿层的自旋电子结构存在的问题，本发明提出一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，可以使用氧化铪等阻变材料作为隧穿层，利用电压等参数改变隧穿层的电阻，进而调控自旋电流隧穿几率，从而保证所制备的器件性能达到最优。

二、技术方案：

本发明的技术方案是实现一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件。其特点是，可调控自旋电流穿过隧穿层的几率。本发明提出如下实施方案。

方案：当改变隧穿层的两端电压时，隧穿层的电阻发生变化。可以通过电场控制模块，调控隧穿层两端电压，使电阻处于所需的窗口之内或者某一特定电阻值，从而调节器件性能或调控自旋电流的隧穿几率。

本发明中的方案以磁性隧道结和非局域自旋注入构型为具体实例来说明。

实例一：

本发明一种用阻变材料作隧穿层的自旋电子器件，具体为一种磁性隧道结器件，其最下端为绝缘层，其上依次沉积普通金属电极、铁磁参考层、阻变隧穿层、铁磁自由层、普通金属电极，并在最上端沉积一个绝缘层。其特征在于：所述隧穿层是在不同电压条件下电阻不同的阻变材料。

所述铁磁层，包括钡铁氧体(BAM)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)、镧锶锰氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种。