[发明专利]基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用

说明书

本发明公开了一种基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用，属于自旋电子器件领域，磁化翻转器件包括单晶衬底和生长于单晶衬底上的FePt层，用于实现电流驱动磁化翻转；或者，从下至上依次包括：单晶衬底、FePt层以及一层或多层复合翻转层，用于实现无外磁场翻转；FePt层为L10相的单层FePt薄膜，用于在电流诱导下发生部分磁化翻转；复合翻转层从下至上依次包括：隔离层和诱导层；诱导层用于提供平面方向的杂散场或铁磁交换耦合，以打破系统对称性，实现无外磁场下的确定性磁矩翻转；隔离层用于防止FePt层与诱导层之间发生原子渗透。本发明能够简化基于SOT效应的磁化翻转器件的结构和制备工艺，并提高器件的垂直磁各向异性和热稳定性。

技术领域

本发明属于自旋电子器件领域，更具体地，涉及一种基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用。

背景技术

21世纪以来，社会高速发展，对存储器和逻辑计算器件的要求越来越高。随着特征尺寸不断减小，传统的以闪存为代表的非易失性存储器和以动态随机存储器为代表的易失性存储器，器件性能已经逐渐发展到极限，遇到无法跨越的障碍，并且继续沿用硅基材料进行新工艺节点开发研究需要很高的成本，因此为了满足社会快速发展的需求需要使用新材料、新结构和新方法研制新兴存储逻辑技术。磁性随机存储器(MRAM)由于具有非易失性、低功耗、高寿命、高耐久性、强抗辐射能力以及较低的成本和较快的读写速率，有望成为下一代通用存储器。

近年来，基于自旋极化电流的自旋转移力矩(Spin Transfer Torque，STT)和基于自旋轨道耦合(Spin Orbit Coupling，SOC)的自旋轨道力矩(Spin Orbit Torque，SOT)被认为是实现MRAM的有效方法。然而，STT会使磁隧道结(MTJ)中的超薄绝缘层承受巨大的写入电流密度，在不断地读写擦除过程中容易被击穿，导致明显的稳定性和寿命问题。相较之下，基于SOT效应的MRAM(SOT-MRAM)读写路径得以分开，无需写入电流通过MTJ，有效地改善了STT的缺陷。因此，更有希望用于制备下一代高速、高集成度、低功耗的MRAM和逻辑器件。

利用自旋轨道转矩实现的电流诱导磁化翻转为下一代磁性随机无隙存储器和逻辑器件提供了广阔的应用前景。在过去的SOT-MRAM的研究中，一般采用强自旋轨道耦合的重金属层(Heavy Mental，HM)和垂直磁化铁磁材料层(FM)构成的膜层结构。当电荷流通过HM层时，由于自旋霍尔效应(Spin Hall Effect，SHE)将产生自旋极化流和/或界面的反转不对称性导致Rashba效应，都会导致磁性材料层的磁化翻转。由于膜层结构中含有重金属层，现有的基于SOT效应的磁化翻转结构相对复杂，制备工艺相应繁琐，对制造设备的要求很高，成本较大，且FM层多为Co基材料，其矫顽力场较小，垂直磁各向异性(PerpendicularMagnetic Anisotropy，PMA)较低，因此当器件尺寸减小到纳米级时，很难保持良好的PMA以及较高的热稳定性。此外，传统的基于SOT效应的磁化翻转通常是需要一个和电流方向同向或者反向的外加平面磁场来实现电流诱导的确定性磁化翻转，这对于大规模集成电路和超低功耗器件的制备来说是非常不利的，是MRAM发展过程中的一大难题和研究热点。到目前为止，已经提出并证明了几种无外磁场辅助的SOT诱导的磁化翻转方案，例如利用与反铁磁材料的交换偏置耦合、制备一个楔型氧化盖帽层来打破反演对称性、在FM层中制造倾斜的易磁化轴,采用极化铁电基板诱导的平面内自旋电流梯度,以及特殊的低对称性WTe2半金属等方法。然而，这些方案都存在结构复杂、制备工艺繁琐、热稳定性差的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于FePt材料的磁化翻转器件及无外场翻转方法，其目的在于，简化基于SOT效应的磁化翻转器件的结构和制备工艺，并提高器件的垂直磁各向异性和热稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于FePt材料的磁化翻转器件，用于实现电流驱动磁化翻转，包括：单晶衬底和生长于单晶衬底上的FePt层；