[发明专利]全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件及制备方法

说明书

本公开提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，顺次制作包括：基片、平滑层、垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层；所述垂直易磁化层的材料为垂直磁各向异性Mn基铁磁金属或亚铁磁金属，包括L1₀‑MnGa、L1₀‑MnAl、D0₂₂‑Mn₃Ga或D0₂₂‑Mn₃Ge中的一种或多种；所述垂直易磁化层的厚度为1～4nm；所述垂直易磁化层的易磁化轴沿面外方向。本公开在不依赖外加磁场的条件下，不仅可以实现全电学调控的自旋轨道力矩翻转，具有低功耗、多功能和高可靠性等特点。还具有高响应速度、长寿命、高热稳定性、多功能等特点，非常适合用于开发高速自旋存储器件和可编程自旋逻辑器件。

技术领域

本公开涉及自旋电子学领域，尤其涉及一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件及制备方法。

背景技术

自旋轨道力矩(SOT)效应提供了一种通过全电学方法在微纳尺度高效调控磁矩的新机制，这为下一代低功耗和非易失性自旋电子学器件的发展带来新的机遇。例如，基于SOT效应的磁性随机存储器(MRAM)可以实现全电学的数据写入和读取，同时具有非易失性、高响应速度、高密度、高稳定性和工艺兼容性强等优点，与传统磁性驱动型和自旋转移力矩(STT)型MRAM相比拥有较大优势。此外，自旋轨道力矩型器件具有显著的多功能特性，这来源于自旋轨道力矩驱动磁矩翻转过程中丰富的可调性，如电流驱动的磁矩翻转方向可受偏置磁场方向的调控、临界翻转电流密度可通过偏置磁场的强度或者电压操控磁各向异性来调节。然而，目前在多数自旋轨道力矩型器件中其多功能性的实现离不开外加磁场的辅助，这增加了器件设计的复杂度、器件功耗以及器件小型化的难度。

为了使自旋轨道力矩型器件真正走向实用，能够保持器件多功能特性的同时还能实现器件全电学调控的新原理、新方法仍然有待接下来进一步探索。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件及制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件，顺次制作包括：基片、平滑层、垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层；

所述垂直易磁化层的材料为垂直磁各向异性Mn基铁磁金属或亚铁磁金属，包括L1₀-MnGa、L1₀-MnAl、D0₂₂-Mn₃Ga或D0₂₂-Mn₃Ge中的一种或多种；所述垂直易磁化层的厚度为1～4nm；所述垂直易磁化层的易磁化轴沿面外方向。

在本公开的一些实施例中，所述重金属的材料为Pt、Ta、W、Pd或其他具有强自旋轨道耦合的重金属材料；所述重金属的厚度为1-3nm。

在本公开的一些实施例中，面内易磁化层的材料为Fe、Co、CoFe、Co₂MnSi或Co₂FeAl，厚度为2-6nm。

在本公开的一些实施例中，所述基片的材料为GaAs、Si、玻璃、MgO、蓝宝石或SiC中的一种或多种；所述平滑层的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种或多种；所述覆盖层的材料为Pt、Ta、Al或Pd中的一种或多种，所述覆盖层的厚度为1.5-3nm。

根据本公开的一个方面，还提供了一种全电学调控的多功能自旋轨道力矩型器件的制备方法，包括如下步骤：

取一基片；

在基片上顺次制作垂直易磁化层、重金属层、面内易磁化层和覆盖层，形成磁性多层膜结构；