[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

说明书

一种单晶自旋电子器件，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。本发明提出了使用镍铝合金和钴铁合金(NiAl/CoFe)双种子层来提高自旋电子器件的热稳定性，使器件可通过更高温度的退火处理来提高性能。本发明提出在多晶电极上制备单晶(001)晶向自旋电子器件的完整工艺流程和方法，成功解决了目前高性能单晶外延生长的自旋电子器件需要使用价格昂贵的单晶氧化镁基片，缺乏与之匹配的实用化制备工艺的关键性难题，为高性能单晶自旋电子器件在硅晶圆上低成本、大规模生产提供了解决方案。

技术领域

本发明涉及电子器件制备的技术领域，尤其涉及一种单晶GMR、TMR自旋电子器件、制备方法及其三维集成制备方法。

背景技术

巨磁电阻GMR(Giant Magnetoresistance)、隧穿磁电阻TMR(TunnelingMagnetoresistance)等自旋电子器件现已广泛应用于如电脑的硬盘磁头、存储器、工业控制的传感器等信息科技领域。随着大数据、物联网技术的快速发展，对海量信息数据快速、高效、低功耗的存算需求越来越大。为了满足这一需求，亟需开发下一代更高性能的自旋电子器件。

目前，已经商业化的硬盘磁头、磁性随机存储器当中，普遍使用的是基于巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻(TMR)效应的多晶自旋电子器件。TMR器件是通过在热氧化处理后的硅晶圆上，利用磁控溅射的方法，自下而上依次制备出包含底电极层、反铁磁层、钉扎层、隧道势垒层、自由层和顶电极层的多晶多层膜结构，如图1所示。GMR器件是通过在热氧化处理后的硅晶圆上，利用磁控溅射的方法，自下而上依次制备出包含底电极层、反铁磁层、钉扎层、非磁性金属中间层、自由层和顶电极层的多晶多层膜结构，如图2所示。该类多晶自旋电子器件经过多年发展已经比较成熟，但由于其材料体系单一以及多晶薄膜晶界的存在不利于自旋电子输运的局限，器件性能已出现技术瓶颈，无法满足日益增长的高性能要求。

经研究发现，相对于多晶生长制备而成的GMR、TMR器件，单晶外延生长制备而成的GMR、TMR器件普遍拥有更好的均一性和更高的磁电阻比值，更适合大规模生产。但由于目前高性能单晶外延生长的GMR、TMR器件需要使用价格昂贵的单晶氧化镁基片，缺乏与之匹配的实用化制备工艺，因此该器件仍停留在实验室阶段，无法走向应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单晶自旋电子器件、制备方法及其三维集成制备方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种单晶自旋电子器件，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。

其中，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。

其中，所述NiAl种子层的厚度为10-200nm；

所述CoFe种子层的厚度为1-30nm。

其中，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；