[实用新型]一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构

说明书

本实用新型公开一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，包括半导体基底半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向，所述该隧穿磁电阻结构可通过施加门电压对过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控铁磁金属纳米团簇的磁各向异性，使得从顶电极流经磁性参考层的自旋极化电流在隧穿注入至过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构过程中产生不同的高低磁阻态。

技术领域

本实用新型涉及一种磁阻结构，尤其是一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构。

背景技术

存储是信息领域的核心问题。高密度、响应快、低能耗的存储，是未来存储器发展的要求，也是信息社会高速发展的必然趋势。传统存储器是基于电荷的存储器，这类存储器本质上是通过电容的充放电来实现。通过磁场调控其磁阻而实现存储，具有能耗高，噪声大、散热慢等缺点。自1988年巨磁阻效应发现以来，作为一门新兴的学科，自旋电子学正逐渐步入我们的视野。人们正通过对电子自旋的调控，以克服目前仅利用电子电荷这一自由度所产生的器件尺寸及集成度等物理极限，研制出功耗更小、数据处理更快、集成密度更高的新型元器件，为现代信息技术发展带来质的飞跃。

典型的磁存储器(MRAM)利用磁性隧道结的电阻变化实现存储，即底下一层薄膜是铁磁材料(钉扎层)，其磁自旋方向固定；中间一层是隧穿层；上面一层是自由层，其自旋方向可以在外加应力的情况下改变。如果自由层的自旋方向和钉扎层的自旋方向一致，则隧道层处在低电阻的状态；反之则处于高阻状态。MRAM又分为传统的MRAM和STT-MRAM两类，前者采用磁场驱动，后者采用自旋极化电流驱动。对于传统的MRAM，由于在半导体器件中本身无法引入磁场，需要引入大电流来产生磁场，因而需要在结构中增加旁路。因此，这种结构功耗较大，而且也很难进行高密度集成。若采用极化电流驱动，即STT-MRAM，则不需要增加旁路，因此功耗可以降低，集成度也可以大幅提高。磁各向异性可控的磁性薄膜是实现STT-MRAM结构高密度磁存储器等自旋电子器件的理想材料。通过电场调控自旋方向使得磁矩可在垂直于膜面和平行于膜面方向进行翻转，即磁各项异性翻转，其驱动能耗是传统磁存储器的千分之一，且具有灵活的调节能力，显现出无以伦比的突出优势，对于实现高密度的存储具有重要意义。另外，磁矩在膜面的整齐排列，在半导体异质表面产生很强的等效磁场，增强自旋电子的Larmor进动，抑制其去相位过程，有利于提高电流的注入极化率。同时，当其与自旋矩转移效应结合，还可制备出临界翻转电流密度低、磁化翻转速度快、热稳定性强的垂直易磁化自旋电子器件。因此，构建电可调的各向异性隧穿磁阻结构，实现电场诱导磁易轴在面内与面外间的可逆翻转，是开发新型、非易失性、低功耗自旋电子元器件的重要解决方案。

实用新型内容

本实用新型鉴于磁电阻的设计需求，提出一种基于过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构的电可调的各向异性隧穿磁阻结构，该结构具有门电压可调的磁各向异性，并在自旋极化电流注入过程中呈现不同的高低磁阻态，可解决电场操纵磁各向异性、实现低功耗自旋电子元器件等问题。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种电可调的各向异性隧穿磁阻结构，包括半导体基底半导体基底、设置于半导体基底下表面的背栅电极，层叠设置在半导体基底上表面的介电层、石墨稀透明电极、过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构、隧穿层、磁性参考层、以及顶电极；

所述磁性参考层具有垂直于表面且被钉扎的磁化方向，所述该隧穿磁电阻结构可通过施加门电压对过渡金属硫化物二维材料、铁磁金属纳米团簇异质结构进行静电掺杂，由此调控铁磁金属纳米团簇的磁各向异性，使得从顶电极流经磁性参考层的自旋极化电流在隧穿注入至过渡金属硫化物二维材料/铁磁金属纳米团簇异质结构过程中产生不同的高低磁阻态。