專利名稱：單電子磁電阻結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性存儲和自旋電子學領(lǐng)域，尤其涉及單電子磁電阻結(jié)構(gòu)及其自旋二 極管、自旋晶體管、傳感器、磁性隨機存取存儲器和磁邏輯器件單元。
背景技術(shù)：
通常的磁電阻結(jié)構(gòu)由鐵磁/非磁/鐵磁的層狀三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)成，當兩磁性電極 磁化方向平行和反平行時將導致電阻的變化，稱為磁電阻效應(yīng)。其中中間非磁性層分別 為非磁金屬或絕緣勢壘時對應(yīng)巨磁電阻(GiantMagnetoresistance-GMR)和隧穿磁電阻 (Tunneling Magnetoresistance-TMR)結(jié)構(gòu)，例如 Co/Cu/Co 和 CoFeB/AlOx/CoFeB。然而這 兩類磁電阻結(jié)構(gòu)在100納米尺度下的信噪比仍然相對較低、功耗較高，已不能適應(yīng)未來人 們進一步發(fā)展更高密度和小型化自旋電子學器件的要求。所以產(chǎn)業(yè)界迫切需求進一步提高 磁阻單元的磁電阻以提高信噪比，并且同時要做到顯著降低功耗。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種信噪比較高且低功耗的基于庫侖阻塞的GMR 多層量子點磁電阻結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一個目的是提供另一種信噪比較高且低功耗的基于庫侖阻塞的雙勢 壘磁性量子點結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，其包括一 襯底，及其上的底部導電層、第一勢壘層、GMR磁性量子點層、第二勢壘層、頂部導電層。在上述技術(shù)方案中，所述GMR磁性量子點層包括量子點和填充在量子點之間的勢 壘材料，該量子點橫向尺寸為0. 5 lOOnm，并且該量子點具有鐵磁層/非磁金屬層/鐵磁 層或半金屬層/非磁金屬層/半金屬層的結(jié)構(gòu)，其中所述鐵磁層厚度為0. 4 lOnm，非磁金 屬層厚度為0. 4 5nm，半金屬層厚度為0. 4 10nm。在上述技術(shù)方案中，所述頂部和底部導電層為非磁金屬材料、鐵磁性金屬材料、半 金屬磁性材料或磁性半導體材料，厚度為1 500nm。在上述技術(shù)方案中，所述第一、第二勢壘層和填充在量子點中的所述勢壘材料包 括金屬氧化物絕緣膜、NaCl薄膜、金屬氮化物絕緣膜、CMR絕緣材料、類金剛石薄膜或由半 導體材料制成，厚度為0. 5 5. Onm ；或為有機絕緣和有機半導體膜，厚度為1 200nm。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)，包括核心膜層，其 中，所述核心膜層從下至上包括底部電極、第一勢壘層、磁性量子點層、第二勢壘層以及頂 部電極。 在上述技術(shù)方案中，所述底部和頂部電極包括非磁金屬材料，厚度為1 500nm ；
所述的非磁金屬材料包括Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、kg或其合金； 在上述技術(shù)方案中，所述底部和頂部電極包括鐵磁性金屬材料、半金屬磁性材料或磁性半導體材料，厚度為1 500nm。在上述技術(shù)方案中，所述磁性量子點層包括量子點和填充在量子點之間的勢壘材 料，所述量子點可以由鐵磁性材料、半金屬磁性材料、或者磁性半導體材料制成，其橫向和 縱向尺寸為0. 5 lOOnm。在上述技術(shù)方案中，所述第一和第二勢壘層及填充在量子點之間的所述勢壘材料 采用金屬氧化物絕緣膜、NaCl薄膜、金屬氮化物絕緣膜、CMR絕緣材料、類金剛石薄膜或半 導體材料制成，厚度為0. 5 5. Onm ；或為有機絕緣和有機半導體膜，厚度為1 200nm。根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供一種自旋二極管，其中包括上述任一 GMR量子點 單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)和上述任一雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，提供一種自旋晶體管，包括發(fā)射極、集電極和基極，其 中所述發(fā)射極為上述任一 GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)中的頂部導電層；所述集電極為該GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)中的底部導電層；所述基極為該GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)中的GMR量子點層。根據(jù)本發(fā)明的第五個方面，提供一種自旋晶體管，包括發(fā)射極、集電極和基極，其 中所述發(fā)射極為上述任一雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)中的頂部電極；所述集電極為該雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)中的底部電極；所述基極為該雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)中的磁性量子點層。根據(jù)本發(fā)明的第六個方面，提供一種傳感器，包括磁電阻單元，其中，所述磁電阻 單元為上述任一 GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，或上述任一雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié) 構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第七個方面，提供一種磁性隨機存取存儲單元，包括磁性多層膜，其 中，該磁性多層膜為上述任一 GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，或上述任一雙勢壘磁性量 子點磁阻結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第八個方面，提供一種包括權(quán)利要求18的磁性隨機存取存儲單元 的磁性隨機存取存儲器。根據(jù)本發(fā)明的第九個方面，提供一種磁邏輯器件單元，包括磁電阻單元，其中，所 述磁電阻單元為上述任一 GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，或上述任一雙勢壘磁性量子點 磁阻結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于利用庫侖阻塞形成的磁阻設(shè)計能有效提高 隧穿磁電阻效應(yīng)，提高在器件應(yīng)用中的信噪比，同時利用單電子隧穿降低了隧穿電流，因此 可以進一步減小器件應(yīng)用中的功耗。


以下參照附圖對本發(fā)明的實施例做進一步詳細描述，其中圖1 (a)和1 (b)為本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)理論上的縱 向剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中分別在GMR量子點磁矩反平行和平行的情況下；圖2為本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)的一種實際可能的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 (a)為本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)的另一種實際可能 的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(b)為圖3(a)的本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)的量子點 層面內(nèi)俯視圖；圖4為本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)在偏壓V下的能帶結(jié)構(gòu) 圖；圖5為本發(fā)明實施例的以磁性材料為電極的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)的縱向剖面 結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實施例的以磁性材料為電極的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)在偏壓V下的 能帶結(jié)構(gòu)圖。圖7為本發(fā)明實施例的以非磁金屬為電極的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)在偏壓V下的 能帶結(jié)構(gòu)具體實施例方式[實施例1]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)。如圖 1(a)和圖1(b)所示，其分別是在GMR量子點磁矩反平行和平行的情況下，本發(fā)明實施例 的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該GMR量子點單電子隧穿 磁電阻結(jié)構(gòu)包括一襯底(未示出)，及其上的電極E1 (也稱底部導電層)、核心膜層、電極 E2(也稱頂部導電層)，其中所述核心膜層從下至上包括絕緣勢壘層II、GMR磁性量子點 層GMR-D(即GMR Dots)、絕緣勢壘層12，即該核心膜層的結(jié)構(gòu)可表示為I1/GMR-D/I2。該 GMR-D層包括多個量子點和填充在量子點之間的勢壘材料。以下為采用磁控濺射法制備上述GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)的過程利用 高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的Si/Si02襯底上首先沉積厚度為lO-lOOnm的 底部導電層Cu ；濺射沉積lnm的MgO，形成第一層絕緣層；在形成的MgO絕緣層上依次濺射 沉積Co (0. 8nm)、Cu (0. 4nm)、Co (0. 8nm)，在MgO上三維模式生長形成Co/Cu/Co的GMR磁性 量子點層；濺射沉積lnm的MgO，形成第二層MgO絕緣層；沉積lO-lOOnm的上部電極層Cu。 沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在電子束曝 光機上，根據(jù)所需的圖形對薄膜樣品進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法 把磁性多層膜刻成所需圖形，最后用去膠劑浸泡進行去膠。然后在此刻蝕成形的多層膜結(jié) 構(gòu)上，利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學沉積、 分子束外延等，沉積一層lOOnm厚的緣層，將各多層膜進行掩埋并且相互隔離，采用 現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有多層膜的位 置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對Si02絕緣層進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的磁性多層 膜暴露。用常規(guī)半導體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝 光機上，利用帶有待加工圖案的光刻版進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方 法把多層膜上的導電層刻成四個電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進行去膠，即得到本發(fā)明 的GMR多層量子點磁電阻結(jié)構(gòu)。圖2和圖3(a)為本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)的兩種實際可能的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其分別表示在縱向或橫向方向上所形 成的量子點。圖3(b)為圖3(a)的本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)的量 子點層面內(nèi)俯視圖；其中GMR量子點結(jié)構(gòu)中的黑色圈部分為鐵磁材料，白色圈部分為非磁 金屬材料。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的上述GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié) 構(gòu)及以下將要描述的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)可以在任意一種選定的現(xiàn)有技術(shù)的襯底上， 利用常規(guī)的薄膜制備方法和相應(yīng)的微加工工藝制備而成。所述的薄膜制備方法可以為磁 控濺射、分子束外延(MBE)、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積(PLD)、金屬氧化物化學氣相沉積 (M0CVD)、電化學沉積或溶膠_凝膠法等。所述的微加工工藝可以為光刻法、金屬掩膜法、離 子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和化學反應(yīng)刻蝕等。其中磁量子點可以通過上述常規(guī)薄膜制備 方法利用超薄膜的三維島狀生長制備、化學自組裝微加工的方法制備，并且可以使用微加 工方法或絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備成所需的隧道結(jié)圖形結(jié)構(gòu)，該圖形 結(jié)構(gòu)可以為方形、矩形、橢圓形、六角形或其對應(yīng)的空心環(huán)狀磁矩閉合型磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。上述本發(fā)明提出的單電子磁電阻結(jié)構(gòu)是基于庫侖阻塞原理來實現(xiàn)的。庫侖阻塞效 應(yīng)描述了當一個電子隧穿到一個小電容C的量子點(典型尺寸0. 4-20nm)上時的靜電能的 增加(公式Ec = e2/2C)，當電容足夠小時靜電能的增加將阻止電子的連續(xù)隧穿，導致分立 的庫侖能級，這種情況下僅當外加偏壓與量子點能級共振時才有電流通過。本發(fā)明的磁電 阻結(jié)構(gòu)的基本思想是利用量子點的庫侖阻塞效應(yīng)，在量子點中產(chǎn)生與磁化狀態(tài)有關(guān)的庫侖 能級。在一定偏壓下，只對其中一種磁化狀態(tài)庫侖能級發(fā)生共振隧穿，有隧穿電流，而另一 狀態(tài)下的隧穿受抑制，而磁化狀態(tài)可以被磁場調(diào)控，從而獲得高隧穿磁電阻效應(yīng)，同時因為 電流是通過單電子的隧穿形成，因此能有效降低磁阻單元的功耗。在本發(fā)明的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)中，當不加外磁場時，GMR量子點中 兩鐵磁層處于反鐵磁耦合狀態(tài)，施加較大外磁場可以使GMR量子點中兩鐵磁層平行排列。 由于庫侖阻塞效應(yīng)，GMR量子點在磁化狀態(tài)平行時庫侖能級較低，反平行時較高。(如圖4 所示)，當外加偏壓處于兩庫侖能級之間時，平行時有較大的隧穿電流(隧穿電導)通過，而 反平行的隧穿受抑制，因此獲得巨大隧穿磁電阻效應(yīng)，同時因為電流是單電子的隧穿形成， 能有效降低磁阻單元的功耗。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)該理解，以上各層僅為示例性的，在本發(fā)明的GMR 多層量子點磁電阻結(jié)構(gòu)的其他實施例中，所述GMR磁性量子點的橫向和縱向尺寸可以為 0. 5-100nm,另外該 GMR 量子點可以是諸如 Fe/Cr/Fe、Co/Cu/Co、CoFe/Ru/CoFe、Co/Cr/Co 等FM/NM/FM的三明治結(jié)構(gòu)，其中FM厚度為0. 4-10nm,匪厚度為0. 4_5nm ；還可以是諸如 Co2MnSi/Cu/Co2Mn/Si 等 HM/匪/HM 的結(jié)構(gòu)，其中 HM 厚度為 0. 4_10nm，NM 厚度為 0. 4 5nm。 更具體地，所述非磁金屬材料匪包括Au、Pt、Cu、Ru、A1、Cr、Ta、Ag或其合金。所述鐵磁性 金屬材料FM包括諸如Fe、Co、Ni等3d過渡族磁性單質(zhì)金屬、或諸如Sm、Gd、Nd等稀土單質(zhì) 金屬、或諸如 Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd-Y 等鐵磁性合金、或諸如 LahSigMnOp 卩1~1_!^^1103等〔1 (colossal magnetoresistance龐磁阻)磁性金屬材料。所述半金屬磁 性材料HM包括Fe304、Cr02、和諸如Co2MnSi等的Heussler合金。填充在量子點之間的勢壘 材料可以與以下將描述的II或12勢壘材料相同。所述的電極導電層E1、E2可以采用上述 非磁金屬材料匪，鐵磁性材料FM，半金屬磁性材料HM，還可以采用磁性半導體材料MSC，所述磁性半導體材料MSC包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、Ti02、Hf02或Sn02，或者是Mn摻 雜的GaAs、InAs、GaN或ZnTe。該電極導電層El、E2的厚度可以為1 500nm，El和E2的 厚度可以相同，也可以不同。所述勢壘層11、12可以采用諸如A10x、MgO、Ti02、Hf02等金屬 氧化物絕緣膜、NaCl薄膜、金屬氮化物絕緣膜、諸如LahShMnOyPrhC^MrA等CMR絕緣材 料、類金剛石薄膜或半導體材料制成，例如ZnO、Si、Ga、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAs、或InAs， 該勢壘層的厚度為0. 5 5. Onm ；或者采用硬脂酸、Alq3等厚度為l-200nm的有機絕緣或有 機半導體勢壘。II和12的厚度可以相同，也可以不同。所述襯底可以采用本領(lǐng)域公知的常 規(guī)材料所代替。表1為根據(jù)本發(fā)明的上述實施例，利用現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)制膜方法制備的各種GMR 多層量子點結(jié)構(gòu)的示例。表 1[實施例2]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供一種以磁性材料為電極的雙勢壘磁性量子點磁 電阻結(jié)構(gòu)。該雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)包括一襯底，及其上的下部緩沖導電層、下部反鐵磁 性釘扎層、核心膜層、上部反鐵磁性釘扎層、頂部保護層和導電層。圖5為本發(fā)明的磁性電 極雙勢壘量子點結(jié)構(gòu)的核心膜層的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。所述核心膜層如圖5所示從下至上包 括底部鐵磁電極Ml、絕緣勢壘層II、鐵磁量子點層FM-D (Ferromagnetic-Dots)、絕緣勢壘 層12以及頂部鐵磁電極M2，即核心膜層的結(jié)構(gòu)可表示為M1/I1/FM-D/I2/M2。該FM-D層包 括磁性量子點和填充在磁性量子點之間的勢壘材料。其中，底部鐵磁電極Ml和頂部鐵磁電 極M2的磁化方向由下部和上部反鐵磁性層釘扎成同一個方向，公知該反鐵磁性釘扎層可 由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd與Mn的合金材料制成或由諸如Co0、Ni0、PtCr等反鐵磁性材料制成； 而FM-D層的磁化方向是自由的，即該層的磁化方向可隨外加磁場而發(fā)生改變，與磁性層Ml和M2的磁化方向相同或者相反，形成類似于雙勢壘磁性隧道結(jié)平行(P態(tài))和反平行(AP 態(tài))的兩種磁電阻狀態(tài)。以下為采用磁控濺射法制備上述以磁性材料為電極雙勢壘量子點磁電阻結(jié)構(gòu)的 具體過程利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的單晶MgO(OOl)材料襯底上依 次沉積厚度為lOnm的下部緩沖導電層Ru ； 12nm的反鐵磁性釘扎層Pt_Mn ；以及五層結(jié)構(gòu) (Ml/11 /FM-D/12/M2-Co (15nm) /MgO (2. 5nm) /Co (0. 8nm) /MgO (2. 5nm)/Co (15nm)，沉積的超 薄Co薄膜在MgO上三維模式生長形成Co的磁性量子點層；在核心膜層的上方繼續(xù)沉積 12nm的反鐵磁性釘扎層Pt-Mn和頂部5nm的Pt保護層。上述五層中的MgO絕緣層通過 (001)單晶MgO靶材的直接濺射形成。沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)， 即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在電子束曝光機上，根據(jù)所需的圖形對薄膜樣品進行曝光，接著 顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成所需圖形，最后用去膠劑浸泡進 行去膠。然后在此刻蝕成形的多層膜結(jié)構(gòu)上，利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電 子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學沉積、分子束外延等，沉積一層120nm厚的Si02絕緣層，將 各多層膜進行掩埋并且相互隔離，采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進行刻蝕，即首先在聚焦 離子束設(shè)備上定位到沉積有多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對Si02絕緣層進 行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚 度為120nm的導電層A1，生長條件如前所述，用常規(guī)半導體微加工工藝加工出電極，即首先 經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機上，利用帶有待加工圖案的光刻版進行曝光，接著 顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把多層膜上的導電層刻成四個電極的形狀，最后用 去膠劑浸泡進行去膠，即得到本發(fā)明的以磁性材料為電極的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的以磁性材料為電極的勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)中，上下兩層鐵磁層Ml、M2 的方向被釘扎，而中間的磁性量子點層FM-D是自由的。當FM-D層的磁化方向與Ml，M2相 互平行或反平行時，F(xiàn)M-D中形成不同庫侖能級。由于庫侖阻塞效應(yīng)，磁化狀態(tài)平行時磁性 量子點中庫侖能級較低，反平行時較高。如圖6所示，當外加偏壓處于兩庫侖能級之間時， 平行時有較大的隧穿電流(隧穿電導)通過，而反平行的隧穿受抑制，因此獲得巨大隧穿磁 電阻效應(yīng)，同時因為電流是單電子的隧穿形成，能有效降低磁阻單元的功耗。作為本發(fā)明的另一種實現(xiàn)方式，上述頂部和底部電極還可以采用非磁金屬材料， 該非磁金屬材料包括Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、Ag或其合金，如實施例1中的匪。因此，對 于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)該理解，在以非磁金屬材料為電極的本發(fā)明的實施例中，無需 反鐵磁性釘扎層。在本發(fā)明的非磁性金屬電極的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)中，中間的磁性量 子點層FM-D是相互耦合的。當FM-D層中無外加磁場下，相鄰量子點之間的耦合較弱，庫倫 阻塞能級較高；當施加外磁場時，相鄰量子點之間耦合較強，庫侖阻塞能級較低(如圖7所 示)。當外加偏壓處于兩庫倫能級之間時，在外磁場作用下，有較大的隧穿電流通過，而無外 磁場作用下的隧穿受抑制，因此獲得巨大隧穿磁電阻效應(yīng)，同時因為電流是單電子的隧穿 形成，能有效降低磁阻單元的功耗。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)該理解，以上實施例中的各層僅為示例性的，在本 發(fā)明的的其他實施例中，所述FM-D的量子點橫向和縱向尺寸可以為0. 5 lOOnm，各個Ml 和M2及FM-D可采用如實施例1所述的鐵磁性材料FM、半金屬磁性材料HM、或者磁性半導 體材料MSC制成。所述Ml和M2的厚度為1 500nm，磁性層的厚度和材料可以相同或者不相同。所述勢壘層11、12的材料和厚度如實施例1所述。填充在量子點間的勢壘材料可以 是與II或12相同，還可以包括其他常規(guī)勢壘材料。以上示例性的襯底、緩沖導電層、下部 反鐵磁釘扎層、上部反鐵磁釘扎層、頂部保護層和導電層均可采用本領(lǐng)域公知的常規(guī)材料 所代替。表2為根據(jù)本發(fā)明的上述實施例，利用現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)制膜方法制備的各種以磁 性材料為電極的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)的示例。表 2 表3為利用現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)制膜方法制備的各種以非磁金屬材料為電極的雙勢 壘磁性量子點結(jié)構(gòu)的示例。表 3 作為示例，以下為用磁控濺射方法制備基于CMR材料的雙勢壘磁性量子點結(jié) 構(gòu)利用超高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的單晶SrTi03襯底上依次沉積厚 度為lOOnm的La0.7Sr0.3Mn03底部磁性電極，50nm的La0.7Ca0.3Mn03中間絕緣層，lOOnm的 La0.7Sr0.3Mn03頂部磁性電極。利用中間絕緣層Laa7Caa3Mn03在磁場下的相分離形成的典型 尺寸為5-10nm的鐵磁金屬疇區(qū)作為庫倫阻塞隧穿量子點。即得到本發(fā)明的基于CMR相分離材 料形成的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)。由于非磁金屬電極和磁性電極的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)在器件應(yīng)用中有相似功 能，在以下實施例3到實施例7中將合并敘述，稱為雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)。[實施例3]基于本發(fā)明的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)或雙勢壘磁性量子點 結(jié)構(gòu)的自旋二極管本發(fā)明的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)和雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)可以用于一 種自旋二極管。通常的二極管由P_n結(jié)連接構(gòu)成，具有電流的單向?qū)ㄌ匦?。本發(fā)明提出 的基于庫倫阻塞單電子磁阻結(jié)構(gòu)由于自旋相關(guān)的庫能能級的位置不同，也可以僅在正偏壓 (或負偏壓)單向?qū)?，有較大的導電通道，從而有較大電流，在反向偏壓下不導通狀態(tài)，因 此能作為自旋二極管。由于采用了本發(fā)明的單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，可以減小傳統(tǒng)二極管的 功耗，降低尺寸，并且本發(fā)明的自旋二極管是可以受磁場調(diào)控的，可應(yīng)用于將來的新型小型 化、自旋電子學電路的應(yīng)用。[實施例4]基于本發(fā)明的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)或雙勢壘磁性量子點 結(jié)構(gòu)的自旋晶體管可以將根據(jù)本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)中的上下電極(即 頂部和底部導電層)分別作為發(fā)射極和集電極，中間的GMR量子點層作為基極。當GMR量 子點層中的磁性層平行時，將得到大的集電極電流，起到電流的發(fā)大作用。另外，可以將根 據(jù)本發(fā)明實施例的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)的上下電極(即頂部和底部電極)分別為發(fā)射極 和集電極，中間的鐵磁量子點層作為基極。在平行狀態(tài)時，集電極有較大的電流通過；而在 反平行狀態(tài)時，只有少數(shù)隧穿電子能隧穿到集電極，而多數(shù)隧穿電子不能隧穿到集電極，此 時，集電極有較小的電流通過。同時，可以通過改變基極的磁化方向來改變集電極的電流大 小?；鶚O電流為調(diào)制信號，通過改變基極的磁化方向從而使集電極的信號與基極電流的調(diào) 制模式相似，即發(fā)生共振隧穿效應(yīng)，在合適的條件下，可得到放大的信號。由于采用了本發(fā) 明的單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，可以減小自旋晶體管的功耗，更高的信號增益。[實施例5]基于本發(fā)明的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)或雙勢壘磁性量子點 結(jié)構(gòu)的傳感器本發(fā)明的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)和雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)可以用于磁 敏、電敏、光敏和氣敏等基于磁電阻效應(yīng)的傳感器。這些傳感器的主要結(jié)構(gòu)是由磁電阻單元 構(gòu)成的高靈敏度的惠斯通電橋，利用磁性層隨探測量的變化引起的磁電阻變化來實現(xiàn)傳感 器功能。本發(fā)明提出的兩種基于庫倫阻塞單電子磁阻結(jié)構(gòu)由于其更高的隧穿磁電阻比值， 因此可獲得更大的信號強度和更高的靈敏度。[實施例6]基于本發(fā)明的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)或雙勢壘磁性量子點 結(jié)構(gòu)的磁性隨機存取存儲器
磁性隨機存取存儲器(MRAM)的存儲單元陣列主要由晶體管和由鐵磁/絕緣勢壘 /鐵磁組成的磁性隧道結(jié)組成?？梢圆捎酶鶕?jù)本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁阻 結(jié)構(gòu)或雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)來替代磁隨機存儲器中的磁性隧道結(jié)，得到基于庫倫阻塞的 單電子磁阻為存儲單元的MRAM。單電子磁阻結(jié)構(gòu)的高、低組態(tài)分別對應(yīng)存儲的0、1位。在 寫的過程中通過翻轉(zhuǎn)雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)的鐵磁量子點或者GMR量子點單電子隧穿磁 阻結(jié)構(gòu)的GMR磁性層，使磁矩平行或反平行實現(xiàn)0或1的寫入。這種基于庫倫阻塞的單電 子磁阻的MRAM，由于具有更高的隧穿磁電阻比值和更低的寫入和讀出的操作電流，因此能 顯著提高MRAM的信噪比同時有效降低功耗。[實施例7]基于本發(fā)明的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)或雙勢壘磁性量子點 結(jié)構(gòu)的磁邏輯器件單元磁邏輯器件主要由多個磁電阻單元例如GMR或者TMR組成邏輯運算單元，通過電 流或磁場來操作磁阻單元的磁性自由層進行邏輯運算，用磁電阻單元的“低阻”和“高阻” 態(tài)，作為邏輯值的“真”和“假”。本發(fā)明實施例的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)或雙勢壘 磁性量子點結(jié)構(gòu)，均可替代磁邏輯器件中的GMR和TMR磁電阻，實現(xiàn)邏輯運算功能。這種采 用了高隧穿磁電阻、低隧穿電流的單電子磁阻結(jié)構(gòu)的磁邏輯器件，與基于傳統(tǒng)GMR、TMR等 磁電阻單元的器件相比，具有低的邏輯操作電流和高信噪比等顯著優(yōu)點。綜上所述，本發(fā)明提出的兩種基于庫侖阻塞的單電子磁阻結(jié)構(gòu)可以替代現(xiàn)有GMR、 TMR磁阻單元，應(yīng)用于新型自旋電子器件設(shè)計，例如自旋二極管、自旋晶體管、傳感器、磁性 隨機存取存儲器和磁邏輯器件單元等。盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，應(yīng)該理解可以基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進行修改或改進，并且這些修改和改進都在 本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，其包括一襯底，及其上的底部導電層、第一勢壘層、GMR磁性量子點層、第二勢壘層、頂部導電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述GMR 磁性量子點層包括量子點和填充在量子點之間的勢壘材料，該量子點橫向尺寸為0. 5 lOOnm,并且該量子點具有鐵磁層/非磁金屬層/鐵磁層或半金屬層/非磁金屬層/半金屬 層的結(jié)構(gòu)，其中所述鐵磁層厚度為0. 4 lOnm，非磁金屬層厚度為0. 4 5nm，半金屬層厚 度為0. 4 lOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頂部和 底部導電層為非磁金屬材料、鐵磁性金屬材料、半金屬磁性材料或磁性半導體材料，厚度為 1 500nmo
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的非磁金屬材料包括Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、kg或其合金；所述的鐵磁性金屬材料包括3d過渡族磁性單質(zhì)金屬，稀土單質(zhì)金屬，鐵磁性合金或 CMR磁性金屬材料；所述的半金屬磁性材料包括Fe304、Cr02、和Hesuler合金；所述的磁性半導體材料包括Fe、C0、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、Ti02、Hf02或Sn02，或者是Mn 摻雜的 GaAs、InAs、GaN 或 ZnTe。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一、第二勢壘層和填充在量子點中的所述勢壘材料包括金屬氧化物絕緣膜、 NaCl薄膜、金屬氮化物絕緣膜、CMR絕緣材料、類金剛石薄膜或由半導體材料制成，厚度為 0. 5 5. Onm ；或為有機絕緣和有機半導體膜，厚度為1 200nm。
6.一種雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)，包括核心膜層，其特征在于，所述核心膜層從下至上包 括底部電極、第一勢壘層、磁性量子點層、第二勢壘層以及頂部電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述底部和頂部電 極包括非磁金屬材料，厚度為1 500nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的非磁金屬材 料包括 Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、kg 或其合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述底部和頂部電 極包括鐵磁性金屬材料、半金屬磁性材料或磁性半導體材料，厚度為1 500nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鐵磁性金屬材 料包括3d過渡族磁性單質(zhì)金屬，稀土單質(zhì)金屬，鐵磁性合金或CMR磁性金屬材料；所述半 金屬磁性材料包括Heussler合金；所述磁性半導體材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、 Ti02、Hf02 或 Sn02，或者是 Mn 摻雜的 GaAs、InAs、GaN 或 ZnTe。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述磁性量子點層 包括量子點和填充在量子點之間的勢壘材料，所述量子點可以由鐵磁性材料、半金屬磁性 材料、或者磁性半導體材料制成，其橫向和縱向尺寸為0. 5 lOOnm。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鐵磁性金屬 材料包括3d過渡族磁性單質(zhì)金屬，稀土單質(zhì)金屬，鐵磁性合金或CMR磁性金屬材料；所述半 金屬磁性材料包括Heussler合金；所述磁性半導體材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、TiO2, HfO2 或 SnO2,或者是 Mn 摻雜的 GaAs、InAs, GaN 或 ZnTe。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一和第二勢 壘層及填充在量子點之間的所述勢壘材料采用金屬氧化物絕緣膜、NaCl薄膜、金屬氮化物 絕緣膜、CMR絕緣材料、類金剛石薄膜或半導體材料制成，厚度為0. 5 5. Onm ；或為有機絕 緣和有機半導體膜，厚度為1 200nm。
14.一種自旋二極管，其特征在于，包括權(quán)利要求1至5之一所述的GMR量子點單電子 隧穿磁阻結(jié)構(gòu)和權(quán)利要求6至13之一所述的雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)。
15.一種自旋晶體管，包括發(fā)射極、集電極和基極，其特征在于所述發(fā)射極為權(quán)利要求1至5之一所述的GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)中的頂部 導電層；所述集電極為該GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)中的底部導電層；所述基極為該GMR量子點單電子隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)中的GMR量子點層。
16.一種自旋晶體管，包括發(fā)射極、集電極和基極，其特征在于所述發(fā)射極為權(quán)利要求6至13之一所述的雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)中的頂部電極；所述集電極為該雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)中的底部電極；所述基極為該雙勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)中的磁性量子點層。
17.一種傳感器，包括磁電阻單元，其特征在于，所述磁電阻單元為權(quán)利要求1至5之一 所述的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，或權(quán)利要求6至9之一所述的雙勢壘磁性量子點 磁阻結(jié)構(gòu)。
18.—種磁性隨機存取存儲單元，包括磁性多層膜，其特征在于該磁性多層膜為權(quán)利 要求1至5之一所述的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，或權(quán)利要求6至13之一所述的雙 勢壘磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)。
19.一種包括權(quán)利要求18的磁性隨機存取存儲單元的磁性隨機存取存儲器。
20.一種磁邏輯器件單元，包括磁電阻單元，其特征在于，所述磁電阻單元為權(quán)利要求 1至5之一所述的GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)，或權(quán)利要求6至13之一所述的雙勢壘 磁性量子點磁阻結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了單電子磁電阻結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，例如自旋二極管、自旋晶體管、傳感器、磁性隨機存取存儲器和磁邏輯器件單元。其中，GMR量子點單電子隧穿磁阻結(jié)構(gòu)包括一襯底，及其上的底部導電層、第一勢壘層、GMR磁性量子點層、第二勢壘層、頂部導電層。雙勢壘磁性量子點結(jié)構(gòu)包括核心膜層，該核心膜層從下至上包括底部電極、第一勢壘層、磁性量子點層、第二勢壘層以及頂部電極。由于本發(fā)明結(jié)合庫侖阻塞效應(yīng)和隧穿磁電阻效應(yīng)，利用外磁場控制通過量子點的庫侖能級共振隧穿，提高隧穿磁電阻。利用庫侖阻塞形成的磁阻設(shè)計能有效提高隧穿磁電阻效應(yīng)，提高在器件應(yīng)用的信噪比，同時利用單電子隧穿降低了隧穿電流，因此將減小器件應(yīng)用上的功耗。
文檔編號G11C11/15GK101853918SQ200910238510
公開日2010年10月6日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者張佳, 張曉光, 溫振超, 韓秀峰 申請人:中國科學院物理研究所