[发明专利]单晶自旋电子器件、制备方法及其三维集成制备方法

权利要求书

1.一种单晶自旋电子器件，其特征在于，所述电子器件的结构依次包括：

衬底；

具有B2晶体结构的种子层，位于所述衬底之上；

GMR或TMR多层膜结构，位于所述具有B2晶体结构的种子层之上。

2.根据权利要求1所述的电子器件，其特征在于，所述衬底为Si(001)单晶衬底；

所述具有B2晶体结构的种子层包括NiAl种子层和CoFe种子层。

3.根据权利要求2所述的电子器件，其特征在于，所述NiAl种子层的厚度为10-200nm；

所述CoFe种子层的厚度为1-30nm。

4.根据权利要求1所述的电子器件，其特征在于，所述GMR多层膜结构包括底电极层、反铁磁层、钉扎层、非磁性金属中间层、自由层和顶电极层，其中，钉扎层的材料使用Fe、CoFe、Co基Heusler合金，非磁性金属中间层的材料使用Ag、Cu，自由层的材料使用Fe、CoFe、Co基Heusler合金；

所述TMR多层膜结构包括底电极层、反铁磁层、钉扎层、隧道势垒层、自由层和顶电极层，其中，钉扎层的材料使用Fe、CoFe、Co基Heusler合金，隧道势垒层的材料使用MgO、MgAl_xO_1-x，自由层的材料使用Fe、CoFe、Co基Heusler合金。

5.一种如权利要求1-4任一所述的电子器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

用酸性溶液对衬底表面进行化学腐蚀，去除二氧化硅氧化薄层；

在沉积薄膜之前，衬底在真空溅射腔内以200-1000℃的温度加热10-120分钟进行热清洗；

在200-800℃的衬底温度下，在衬底上沉积10-200nm厚的NiAl种子层；

在室温条件下沉积1-30nm的CoFe作为第二层种子层；

依次沉积GMR或TMR自旋电子器件所需的多层膜结构。

6.根据权利要求5所述的电子器件的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液为稀释后的1-10％氢氟酸。

7.一种多晶底电极和单晶自旋电子器件的三维集成制备方法，采用权利1-4任一所述的单晶自旋电子器件，其特征在于，包括以下步骤：

在多晶底电极和单晶自旋电子器件两个样品表面上都沉积了1-200nm厚的金属层作为键合材料，以增强键合界面的附着力；

把单晶自旋电子器件多层膜翻转，与多晶底电极相对；

利用真空室温键合装置，施加2.0-5.0MPa的压力载荷持续60s，在真空中室温下进行键合；

键合后通过粗细研磨和湿法腐蚀的方法去除多余膜层；

采用电子束光刻、紫外光光刻和/或氩离子刻蚀的方法将薄膜叠层微细加工成器件进行器件性能测量。

8.根据权利要求7所述的三维集成制备方法，其特征在于，所述键合前先利用低损伤的氩离子束对两部分的表面进行清洁，氩离子束能量为0.5-5keV；

所述金属层的材料为金、铜、钽、钛、银、铂。

9.根据权利要求7所述的三维集成制备方法，其特征在于，所述粗细研磨分别使用320和8000粒度的砂轮进行粗磨和精磨；用碱性溶液进行湿法腐蚀，选择性地去除残留的Si；所述刻蚀温度为50-90℃。

10.根据权利要求9所述的三维集成制备方法，其特征在于，所述碱性溶液使用了对NiAl种子层具有很高刻蚀选择性的四甲基氢氧化铵(TMAH)基溶液；TMAH基溶液的质量浓度为3-10％。