[发明专利]拓扑绝缘磁电阻器件

说明书

本发明涉及拓扑绝缘磁电阻器件，其中一种核心结构自上而下为“第一铁磁金属层/拓扑绝缘体层/第二铁磁金属层”。第一铁磁金属层作为参考层，第二铁磁金属层作为自由层。当参考层与自由层的磁化方向平行时，磁电阻器件呈现低阻态，存储二进制中的“0”；当参考层与自由层的磁化方向反平行时，磁电阻器件呈现高阻态，存储二进制中的“1”；通过第一铁磁金属层的自旋极化流经由拓扑绝缘体的表面到达第二铁磁金属层，而不通过拓扑绝缘体内部。本发明的拓扑绝缘磁电阻器件，将产生拓扑绝缘磁阻效应，并产生高拓扑绝缘磁阻率，提高磁电阻器件的可靠性，同时降低器件功耗。

【技术领域】

本发明涉及一种拓扑绝缘磁电阻器件，产生拓扑绝缘磁阻效应以及高拓扑绝缘磁阻率，从而实现低功耗等优良性能，属于自旋电子学领域。

【背景技术】

自旋电子学是一门研究电子自旋自由度的新型学科。基于自旋电子学的磁性随机存取存储器是最具潜力的新型存储器之一，具有非易失、低功耗等优点。磁性隧道结为磁性随机存取存储器的基本单元，由“铁磁金属层/绝缘势垒层/铁磁金属层”的三明治结构构成。其中一个铁磁金属层的磁化方向固定，称为参考层；另一个铁磁金属层的磁化方向可以翻转，称为自由层；绝缘势垒层多采用金属氧化物材料，如氧化镁、氧化铝等，用于产生电子隧穿效应。当参考层与自由层的磁化方向平行时，磁性隧道结呈现低阻态，存储二进制中的“0”；当参考层与自由层的磁化方向反平行时，磁性隧道结呈现高阻态，存储二进制中的“1”。高低阻态的差异可以用隧穿磁阻率来表示。高隧穿磁阻率的磁性隧道结将有利于制备低功耗、高密度、高可靠性的磁性随机存取存储器。

目前隧穿磁阻率特性依然不能达到高密度大规模磁性存储器的要求。其主要原因之一是绝缘势垒层在生长过程中结构容易被破坏。由于杂质及缺陷的存在，隧穿机制被干扰，自旋过滤性能下降。另外，当绝缘势垒层较薄时，依然有少量电流可以通过，不利于降低器件功耗。

拓扑绝缘体是一种特殊的绝缘体，具有奇异量子特性的新物质态。该材料内部绝缘，而电荷可以在材料表面移动。这是由于拓扑绝缘体的体材料能带在费米能处存在带隙，导致体材料绝缘，厚度较大时无法通过电流。而拓扑绝缘体的表面则存在穿过费米能的狄拉克型能带结构，导致其表面是导体，可以存在电荷移动。拓扑绝缘体这一特殊性质，是由其能带结构的特殊拓扑性质和对称性所决定，与其表面的具体结构无关，且基本不受到杂质与无序的影响，性质稳定。拓扑绝缘体表面存在自旋-动量锁定效应，其自旋结构中，电子的自旋和动量呈现固定的角度。这一特殊性质有助于获得高极化率的自旋流。

【发明内容】

发明目的

针对上述背景中提到的传统“铁磁金属层/金属氧化物势垒层/铁磁金属层”磁性隧道结存在的问题，本发明提供了一种拓扑绝缘磁电阻器件，即采用拓扑绝缘体层作为绝缘势垒层并利用其表面导电内部绝缘的特性，形成“铁磁金属层/拓扑绝缘体层/铁磁金属层”结构。该发明将产生拓扑绝缘磁阻效应，有助于提高磁电阻器件的拓扑绝缘磁阻率，同时降低器件功耗。

技术方案

巨磁阻效应理论指出，电阻明显依赖于两个铁磁金属层相对的磁化方向。当两者互相平行时，散射作用微弱，多数电子可以穿过，器件呈现低阻态；当两者反平行时，则会发生强烈的散射，多数电子不能穿过，器件呈现高阻态。