一种磁性隧道结、制备方法及其应用

1.本发明总体地涉及电子器件技术领域，具体地涉及一种磁性隧道结、制备方法及其应用。


背景技术：

2.磁性隧道结是一种重要的磁性存储器件，在磁性随机存储器、磁性逻辑器件和磁性传感器等领域有着广泛的应用。磁性隧道结是一种由两个磁性层夹着一层细小的隧道层组成的结构，其中隧道层厚度仅为几个纳米，常常采用铝氧化物或镁氧化物)等绝缘材料制成。因为隧道层的存在，即使两个磁性层自旋方向相同，电流仍可以在磁性层之间穿过，这种现象叫做隧穿磁阻效应，其数值被称为磁隧道结的磁阻比(tmr)。由于隧穿磁阻效应的特殊性质，磁性隧道结在高密度和高速度的非易失性存储器中有着重要的应用。与晶体管相比，磁性隧道结消耗电流较小，具有快速读取和写入、长期稳定性、无需刷新和容量扩展等优点。然而，目前的磁性隧道结还面临着一些问题。以铝氧化物为例，其缺点主要包括磁阻比较低、电流传输效率低等问题。由于tmr的大小与磁性层的自旋极化状态有关，而电流中电子的自旋极化状态又很难控制，这将限制tmr的最大值。因此，如何提高tmr以及电流传输效率，是磁性隧道结领域一个值得研究的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种磁性隧道结、制备方法及其应用，用于提高磁隧道结的磁阻比和电流传输效率。
4.为实现上述目的，本发明提出一种磁性隧道结，包括：
5.中心散射区以及与中心散射区直接连接的左电极区和右电极区；
6.所述中心散射区的材料为碲烯；
7.所述左电极区和所述右电极区为过渡金属掺杂的碲烯；
8.所述左电极区和所述右电极区处于相同的应力场下。
9.本发明还提供了上述磁性隧道结的制备方法，包括以下步骤：
10.s1、在高真空反应室中，同时加热原始碲和过渡金属原子源，随后通入氢气，在基底上沉积一层过渡金属掺杂的碲烯薄膜；
11.s2、停止对过渡金属原子源的加热，继续通入氢气，加热原始碲，在过渡金属掺杂的碲烯薄膜上沉积一层碲烯薄膜；
12.s3、再次同时加热原始碲和过渡金属原子源，继续通入氢气，在碲烯薄膜沉积一层过渡金属掺杂的碲烯薄膜，得到过渡金属掺杂的碲烯/碲烯/过渡金属掺杂的碲烯的三明治结构，即磁性隧道结。
13.为实现上述目的，本发明还提出上述磁性隧道结的应用，所述磁性隧道结应用于存储器、处理器、逻辑器件或传感器。
14.本发明相比现有技术的先进性在于：
15.1、本发明所设计的磁性隧道结设计简单，电极区材料和中心散射区材料为同一结构，区别仅在于电极材料中掺杂有过渡金属，即电极材料是由散射区材料掺杂而来，所以电极区和散射区的适配程度高，失配率低，方便电极区和散射的拼接和构造，相对节约成本。
16.2、将过渡金属掺杂的二维本征半导体材料碲烯作为电极区的材料，左电极区和右电极区在零应力下电子输运的轨道与左电极区和右电极区在拉伸应力下电子输运的轨道相反。也就是说，该结构在应变作用下，磁性隧道结的物理化学性质发生变化，具体体现到电流上：在不同应力下，电流贡献的自旋轨道不同。因此，相较于传统范德华材料设计的传统磁性隧道结，本发明提出的磁性隧道结在应力作用下会表现出了明显的隧穿磁阻效应，这一点有利于本发明所提出磁性隧道结的在储存器单元和处理器单元等上的应用。此外，本征半导体材料载流子迁移率高，有利于提高现有磁性隧道结的性能。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
18.图1为磁性隧道结的结构侧视图；
19.图2为磁性隧道结的结构俯视图；
20.图3为实施例1中零应力下的电流随电压的变化曲线；
21.图4为实施例1中拉伸应力下的电流随电压的变化曲线；
22.图5为三种掺杂比例的磁性隧道结的能带情况示意图。
23.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
26.本发明提出一种磁性隧道结，包括中心散射区以及与中心散射区直接连接的左电极区和右电极区，其中，中心散射区的材料为碲烯，左电极区和右电极区的材料为过渡金属掺杂的碲烯。如图1和2所示，提供本发明磁性隧道结的侧视图和俯视图。
27.左电极区和右电极区处于相同的应力场下。两个电极区必须处于相同应力场情况下，以此来保证相同的能带翻转程度。如果两侧应力场不同，能带翻转程度不同，会导致在电压作用下，电流很难产生或者产生的电流较低。
28.优选地，过渡金属掺杂的碲烯中，过渡金属的掺杂比例为1/6～1/3。掺杂比例高于1/3导致掺杂的结构变形，难以制备，掺杂比例过低会导致电子难以发生跃迁。采用本方案
中的掺杂比例制备的磁性隧道结能带降低，形成类狄拉克结构，有利于电子跃迁。综上，采用本方案的比例有利于有效质量降低，载流子浓度增加。
29.优选地，碲烯为β-碲烯；过渡金属掺杂的位置为β-碲烯的桥位。从高度上讲，桥位原子处于顶位和底位之间，因此被称为桥位。
30.优选地，过渡金属为钒、钛或钪。
31.优选地，左电极区和右电极区采用的材料相同。第一，相同的材料在实验或生产中能够降低成本。第二，相同的材料可以方便在应力作用下发生相同的形变和能带变化。第三，本方案的特色就是在于整个器件都可以由碲烯这一种材料构成，区别在于散射区为单层碲烯，电极区为掺杂了过渡金属元素的碲烯，结构简单，便于制备。
32.本发明还提出一种磁性隧道结的制备方法，包括：
33.s1、在高真空反应室中，同时加热原始碲和过渡金属原子源，随后通入氢气，在基底上沉积一层过渡金属掺杂的碲烯薄膜；
34.s2、停止对过渡金属原子源的加热，继续通入氢气，加热原始碲，在过渡金属掺杂的碲烯薄膜上沉积一层碲烯薄膜；
35.s3、再次同时加热原始碲和过渡金属原子源，继续通入氢气，在碲烯薄膜沉积一层过渡金属掺杂的碲烯薄膜，得到过渡金属掺杂的碲烯/碲烯/过渡金属掺杂的碲烯的三明治结构，即磁性隧道结。
36.可以理解，每次沉积的组分厚度就是对应的各个区域的长度。
37.优选地，基底的材料为金、银、铂、铁或铝。基底材料选用受热易发生形变的金属材料即可。
38.优选地，在s1中，原始碲和过渡金属原子源的距离为2-10cm；
39.原始碲的加热温度为350-450℃；
40.过渡金属原子源的加热温度为500-800℃；
41.在s1、s2和s3中，沉积时间为20-40min。
42.优选地，在s1中，原始碲和过渡金属原子源的距离为5cm。
43.本发明还提出一种磁性隧道结的的应用，其应用于存储器、处理器、逻辑器件或传感器。
44.实施例1：
45.如图1所示，在本实施例中，本发明的磁性隧道结包括位于中心散射区的单层碲烯，以及位于左电极区和右电极区域的vte2。其中左电极区和右电极区的vte2为中心散射区的碲烯使用过渡金属钒掺杂制备。其中过渡金属钒是通过电弧炉设备进行加热蒸发的。
46.其中，单侧电极区域1.32纳米，中心散射区为0.44纳米。在本实施例中，器件长度为3.1纳米。左电极区与电源负极连接，右电极区与电源正极连接。在本实施例中，电极区可以长度不等，唯一需要固定的就是散射区长度需要为0.44nm，电极区长度仅为测试长度，理论上可以增长，对结果没有影响。单侧电极与散射区长度之比为3：1，电极可以增加到4：1或者5：1。
47.该器件的衬底为金，以300开尔文温度的情况下的金为初始状态，记为零应力，以金在高于300开尔文温度下的状态为拉伸应力。
48.在本实施例中，该磁性隧道结各组件处于均一环境中。
49.图2为偏置电压在0.05到0.15v范围内、零应变情况下，电流随着电压变化的曲线图，其中横坐标为偏压，纵坐标为电流。该电流分为总电流(total)，自旋向上的电流(spin up)，自旋向下的电流(spin down)。总电流为为自旋向上和自旋向下电流之和。在图2中，电流随电压的增加而增加，呈现一次函数变化。在图2所示的零应力的情况下，电流主要由自旋向下的电子贡献，电流最高为300na。
50.图3为偏置电压在0.05到0.15v范围内、拉伸4.75％应变情况下，电流随着电压变化的曲线图，其中横坐标为偏压，纵坐标为电流。该电流分为总电流(total)，自旋向上的电流(spin up)，自旋向下的电流(spin down)。总电流为为自旋向上和自旋向下电流之和。在图2中，电流随电压的增加而增加，基本呈现一次函数变化。在图3所示的零应变的情况下，电流主要由自旋向上的电子贡献。电流最高为800na
51.可以看出，拉伸后电流显著提高。
52.对比例1
53.对比例1与实施例1的区别仅在于：实施例1中过渡金属v的掺杂比例为1/3，而对比例1中过渡金属v的掺杂比例为1/27。
54.对比例2
55.对比例2与实施例1的区别仅在于：实施例1中过渡金属v的掺杂比例为1/3，而对比例1中过渡金属v的掺杂比例为1/12。
56.通过测试1/27(3*3*1)，1/12(2*2*1)和1/3(1*1*1)三种比例的掺杂，发现在1/27和1/12掺杂比例情况下，仍然存在较大带隙，约为0.92ev，这一性质不利于电子的跨越费米面跃迁，但是在1/3的掺杂比例下，能带中出现了类狄拉克锥结构的直接带隙，并且带隙降低至0.33ev，带隙相较于之前显著降低。如此小的带隙，使用外力压缩晶格，可能会形成类似于石墨烯的能带结构，在磁性隧道结中能形成显著的电流。如图5所示，提供三种掺杂比例的磁性隧道结的能带情况示意图。
57.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括：中心散射区以及与中心散射区直接连接的左电极区和右电极区；所述中心散射区的材料为碲烯；所述左电极区和所述右电极区为过渡金属掺杂的碲烯；所述左电极区和所述右电极区处于相同的应力场下。2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，过渡金属掺杂的碲烯中，过渡金属的掺杂比例为1/6～1/3。3.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述碲烯为β-碲烯；过渡金属掺杂的位置为β-碲烯的桥位。4.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述过渡金属为钒、钛或钪。5.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，左电极区和右电极区采用的材料相同。6.如权利要求1～5任一项所述的磁性隧道结的制备方法，其特征在于，所述方法包括：s1、在高真空反应室中，同时加热原始碲和过渡金属原子源，随后通入氢气，在基底上沉积一层过渡金属掺杂的碲烯薄膜；s2、停止对过渡金属原子源的加热，继续通入氢气，加热原始碲，在过渡金属掺杂的碲烯薄膜上沉积一层碲烯薄膜；s3、再次同时加热原始碲和过渡金属原子源，继续通入氢气，在碲烯薄膜沉积一层过渡金属掺杂的碲烯薄膜，得到过渡金属掺杂的碲烯/碲烯/过渡金属掺杂的碲烯的三明治结构，即磁性隧道结。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，基底的材料为金、银、铂、铁或铝。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在s1中，原始碲和过渡金属原子源的距离为2-10cm；原始碲的加热温度为350-450℃；过渡金属原子源的加热温度为500-800℃；在s1、s2和s3中，沉积时间为20-40min。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在s1中，原始碲和过渡金属原子源的距离为5cm。10.如权利1～5任一项所述的磁性隧道结的应用，其特征在于，所述磁性隧道结应用于存储器、处理器、逻辑器件或传感器。

技术总结
本发明公开了一种磁性隧道结、制备方法及其应用，该磁性隧道结包括：中心散射区以及与中心散射区直接连接的左电极区和右电极区；中心散射区的材料为碲烯；左电极区和右电极区为过渡金属掺杂的碲烯；左电极区和右电极区处于相同的应力场下。本发明中的磁性隧道结设计简单且磁阻比和电流传输效率高。单且磁阻比和电流传输效率高。单且磁阻比和电流传输效率高。


技术研发人员：朱思聪 刘斌 刘胜 王通通 于国荣 刘宵
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/21