基于铁磁绝缘体的磁隧道结

摘要

本发明涉及一种基于铁磁绝缘体的磁隧道结，具体结构为：铁磁金属层/铁磁绝缘层/铁磁金属层；铁磁金属层是铁磁金属材料如铁Fe、钴Co或镍Ni中的一种，或者是铁磁金属合金材料如钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，或者是高自旋极化率的半金属或半金属合金材料如LaSrMnO3、Fe3O4、Co2FeAlSi中的一种；所述铁磁绝缘层的材料包括但不限于具有较高居里温度的钇铁石榴石Y3Fe5O12、钡铁氧体BaFe12O19中的一种。本发明与现在的研究热点即以MgO等非磁绝缘体为势垒层的磁隧道结相比，由于铁磁绝缘体兼具了铁磁性和绝缘性以及在某些铁磁绝缘材料中已被论证的自旋过滤效应，该磁隧道结可以具备更加优良的性能，比如更高的TMR值等。

说明书

技术领域

本发明涉及基于铁磁绝缘体的磁隧道结，属于非易失性存储器技术领域。

背景技术

磁隧道结(magnetic tunneling junction，简称MTJ)在磁存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)、硬盘读头、微波振荡器、磁传感器等方面都有重要应用，其核心由两个铁磁层中间夹一个绝缘层构成的“三明治”结构，即“铁磁金属层/非磁绝缘层/铁磁金属层”。其中一个铁磁层的磁化方向是固定不变的，称为参考层或固定层；另一个铁磁层的磁化方向可以被改变成与参考层层平行(Parallel，简称P)或者反平行(Anti-Parallel，简称AP)，称为自由层。当两个铁磁层的磁化方向平行时，MTJ呈现低阻(R_p)状态；而当两个铁磁层的磁化方向反平行时，MTJ会呈现高阻(R_AP)状态，这两种状态可以在存储时分别用来表示二进制中的“0”和“1”。这样的隧道结中存在隧穿磁阻(Tunneling>

磁隧道结的中间势垒层直接影响着电子隧穿行为，是决定其磁电阻高低的关键因素之一。目前常用的势垒层都是非磁绝缘材料如氧化镁MgO、氧化铝Al₂O₃等氧化物及氮化铝AlN等非氧化物或者其他半导体材料。人们在基于单晶MgO势垒层的磁隧道结中已经获得室温下超过600％的TMR值。然而，单晶MgO(001)势垒层与常用的铁磁金属层铁Fe、钴铁CoFe等的晶格失配度较大，会产生界面位错和势垒缺陷，限制了TMR值进一步的提高。因此寻找新的性能优良的势垒层材料有非常重要的意义。

铁磁绝缘体(Ferromagnetic Insulator，简称FI)材料具有自旋过滤效应，使用其作为磁隧道结的势垒层，则不同自旋取向的电子隧穿通过该层的概率不同，使得特定自旋取向的电子更容易通过，从而可形成高自旋极化率的隧穿电流，进而可获得高TMR值。

发明内容

一、发明目的：

针对上述背景中提到的传统“铁磁金属层/非磁绝缘层/铁磁金属层”磁隧道结存在的问题，本发明提供了一种基于铁磁绝缘体的磁隧道结，尤其是以铁磁绝缘体为势垒层的磁隧道结，合理的势垒层材料选择将有助于进一步改善磁隧道结的性能。

二、技术方案：

本发明的技术方案是：以铁磁绝缘体材料做磁隧道结的势垒层，其特征在于使用铁磁绝缘体材料取代现有磁隧道结中的非磁绝缘势垒层，具体结构为：铁磁金属层/铁磁绝缘层/铁磁金属层。本发明共提出3种实施方案。

方案一：

如附图1所示，用铁磁绝缘体材料作MTJ的势垒层。则其核心结构为“铁磁金属层I/铁磁绝缘层(势垒层)/铁磁金属层II”。铁磁金属层I、II作为自由层及参考层，被铁磁绝缘层(势垒层)分隔开。

所述铁磁金属层I可以使用铁磁金属材料如铁Fe、钴Co、镍Ni等，也可以是其合金如钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等其中的一种，也可以是其他高自旋极化率的半金属或半金属合金材料如LaSrMnO₃、Fe₃O₄、Co₂FeAlSi等。这些合金材料中各个元素的组成可以不一样也可以掺杂。

所述铁磁金属层II可以使用铁磁金属材料如铁Fe、钴Co、镍Ni等，也可以是其合金如钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等其中的一种，也可以是其他高自旋极化率的半金属或半金属合金材料如LaSrMnO₃、Fe₃O₄、Co₂FeAlSi等。这些合金材料中各个元素的组成可以不一样也可以掺杂。

所述铁磁绝缘层(势垒层)材料包括但不局限于具有较高居里温度(高于室温)的钇铁石榴石Y₃Fe₅O₁₂(简称YIG)、钡铁氧体BaFe₁₂O₁₉等，也可以是其他满足条件的铁磁绝缘材料。

方案二：

如附图2(a)所示，用铁磁绝缘层作MTJ的势垒层，并增加非磁间隔层，从上到下依次是“铁磁金属层I/非磁性间隔层/铁磁绝缘层(势垒层)/非磁性间隔层/铁磁金属层II”。铁磁金属层I、II作为自由层及参考层，铁磁绝缘层是势垒层，它与铁磁层被非磁性间隔层分隔开。这里非磁性间隔层的作用之一是减小或避免方案一中所涉三层磁性层之间可能存在的不必要的磁性耦合。

所述的铁磁金属层I、II及铁磁绝缘层与方案一相同。

非磁性间隔层可以仅存在与铁磁金属层I和铁磁绝缘层(势垒层)之间，铁磁金属层II和铁磁绝缘层(势垒层)之间无非磁性间隔层，如附图2(b)所示。

非磁性间隔层可以仅存在与铁磁金属层II和铁磁绝缘层(势垒层)之间，铁磁金属层I和铁磁绝缘层(势垒层)之间无非磁性间隔层，如附图2(c)所示。

所述的非磁性间隔层是一层薄的非磁性材料，可以是绝缘材料如MgO、Al₂O₃、MgAl₂O₄等，可以是半导体材料如Si、Ge、GeAs等，也可以是金属材料如Ru、Cu、Pt等。

方案三：

如附图3(a)所示，用铁磁绝缘层作MTJ的势垒层，使用重金属层替代该磁隧道结其中的一层铁磁金属层，结构为“铁磁金属层/铁磁绝缘层(势垒层)/重金属层”。

所述的铁磁金属层、铁磁绝缘层与方案一相同。

所述的重金属层一般具有强自旋-轨道耦合，如钽Ta(Tantalum)、钨W(Tungsten)、铪Hf(Hafnium)，铂Pt(Platinum)或其他等价重金属材料中的一种。

如附图3(b)所示，用铁磁绝缘层作MTJ的势垒层时，也可以在铁磁金属层和铁磁绝缘层之间插入非磁性间隔层，非磁性间隔层的作用与方案二相同，材料选择与方案二相同。

加入重金属层之后，可以通过自旋霍尔效应实现对铁磁绝缘层的翻转，铁磁绝缘层与铁磁金属层的磁化方向将呈平行或反平行状态，进而可通过隧穿磁阻效应读出这两种状态。

三、优点及功效:

本发明一种基于铁磁绝缘体的磁隧道结，具体提供三种使用铁磁绝缘体材料作为势垒层的磁隧道结结构。与现在的研究热点即以MgO等非磁绝缘体为势垒层的磁隧道结相比，由于铁磁绝缘体兼具了铁磁性和绝缘性以及在某些铁磁绝缘材料中已被论证的自旋过滤效应，该磁隧道结可以具备更加优良的性能，比如更高的TMR值等。

附图说明

图1为以铁磁绝缘体为势垒层的磁隧道结的一种核心三层结构示意图。

图2(a)、(b)、(c)为以铁磁绝缘体为势垒层并增加非磁性间隔层的磁隧道结的一种核心结构示意图。

图3(a)、(b)为以铁磁绝缘层为势垒层并加入重金属层的磁隧道结的一种核心结构示意图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图。其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸、工作模式中的电阻及电压值也非实际值。

在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。

本发明提出了一种基于铁磁绝缘体的磁隧道结，即使用铁磁绝缘材料作为势垒层的新型MTJ(磁隧道结)，铁磁绝缘体材料具有自旋过滤效应，因此能够使该新型MTJ(磁隧道结)实现较高的TMR。

实施例1:如图1，为一种基于铁磁绝缘材料作为势垒层的新型MTJ(磁隧道结)的结构示意图；

相对于传统基于非磁绝缘体(如MgO，Al2O3等)势垒层的MTJ，本发明新型MTJ使用铁磁绝缘体作为隧穿势垒层。该新型MTJ核心层结构从上到下由铁磁层I(0-3nm)，铁磁绝缘层(0-5nm)，铁磁层II(0-3nm)构成；各层的磁化方向可以是都平行于面内，也可以是都沿垂直方向。铁磁层I和铁磁层II两层中的某一层(参考层)磁化方向固定，另一层(自由层)的磁化方向可以通过一定的方式加以翻转，从而实现两层平行或者反平行的两种状态。实现自由层翻转的方法包括但不仅限于施加磁场、通过垂直电流的自旋转移动量矩(STT)、通过平行于面内电流的自旋轨道动量矩(SOT)等。

在本实例中，所述铁磁金属层I的材料是CoFeB，作为参考层；铁磁金属层II的材料是Co，作为自由层；中间铁磁绝缘层材料是YIG，起到自旋过滤作用。

实施例2为一种基于铁磁绝缘材料作为势垒层、且增加了非磁性间隔层的新型MTJ(磁隧道结)；该结构从上到下由铁磁金属层I(0-3nm)，非磁性间隔层(0-3nm)，铁磁绝缘层(0-5nm)，非磁性间隔层(0-3nm)，铁磁金属层II(0-3nm)构成(图2a)；其中铁磁金属层I、铁磁金属层II及铁磁绝缘层与实施例1相同，在铁磁金属层I、铁磁金属层II和铁磁绝缘层之间添加了非磁性间隔层，将其分隔开，以避免某些材料体系中两个铁磁金属层之间通过铁磁绝缘层发生耦合作用，使得其磁化方向不能分开，而无法区分磁化方向的平行和反平行两种不同状态。非磁性间隔层可以只存在于某一铁磁金属层和势垒层之间(图2b，2c)，势垒层可以与另一铁磁金属层耦合，保持相同的磁化方向，这时仍能实现磁化方向的平行与反平行的分辨。

在本实例中，所述间隔层材料为Cu。

实施例3为本发明一种基于铁磁绝缘材料，并增加重金属层的新型MTJ(磁隧道结)。该结构从上到下由铁磁金属层(0～3nm)，铁磁绝缘层(0～5nm),重金属层(0～5nm)构成(图3a)；另一种基于此的结构为在铁磁金属层和铁磁绝缘层之间添加非磁性间隔层(图3b)，将其分开，以避免某些材料体系中两个磁性层发生耦合作用，使其磁化方向不能分开。

在本实例中，所述铁磁层材料是Co，作为参考层；铁磁绝缘体是YIG，作为势垒层，同时也作为自由层进行翻转；重金属层是Pt。