CN109755383B - 基于磁子阀和磁子结的磁子磁电阻和自旋霍尔磁电阻器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于磁子阀和磁子结的磁子磁电阻器件和自旋霍尔磁电阻器件。根据一实施例，一种磁子磁电阻器件可包括：第一磁子传导层；设置在所述第一磁子传导层上的第二磁子传导层；以及设置在所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层之间的中间层，其中，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层由磁性绝缘材料形成，所述中间层由非磁金属或反铁磁绝缘体或反铁磁金属材料形成。
Description
技术领域
本发明总体上涉及磁器件领域，更特别地，涉及一种基于磁子阀和磁子结的磁子磁电阻器件和包括磁子磁电阻器件的自旋霍尔磁电阻器件。
背景技术
自1975年在Fe/Ge/Co多层膜中发现隧穿磁电阻(TMR)效应以及1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(GMR)以来，自旋电子学中的物理和材料科学的研究和应用取得了很大进展，尤其是磁性隧道结中自旋相关电子的隧穿输运性质和隧穿磁电阻效应已成为凝聚态物理中的重要研究领域之一。1995年Miyazaki等人和Moodera等人分别在“铁磁金属/Al-O绝缘势垒/铁磁金属”中发现了高的室温隧穿磁电阻效应，再次掀起了磁电阻效应的研究浪潮。在器件应用方面，1993年Johnson提出了一种由铁磁性金属发射极、非磁性金属基极和铁磁性金属集电极组成的“铁磁性金属/非磁性金属/铁磁性金属”三明治全金属自旋晶体管结构[参见M.Johnson的文章Science 260(1993)320]。这种全金属晶体管的速度可与半导体Si器件相比拟，但能耗低10-20倍，密度高约50倍，且耐辐射，具有记忆功能，可以应用于未来量子计算机的各种逻辑电路、处理器等；1994年，IBM研发出利用巨磁电阻效应的读头，使硬盘存储密度提高17倍，达到3Gb/in2。
传统的GMR和TMR器件都是通过载流子——电子的自旋来影响器件的输运性质，虽然它们在传统自旋电子学领域，例如计算机硬盘磁头和磁随机存储器等领域取得了巨大的成功，但是这些器件还有进一步革新和发展的空间。它们最大的缺陷是器件工作伴随着自旋载体——电子的运动，因而会产生焦耳热，这是现有微电子器件的最大功耗来源。
发明内容
为了从根本上解决这一问题，还可以考虑利用其它自旋信息的载体，例如自旋波或其量子化单元——磁激子(也称为磁振子，简称磁子)来传递角动量信息，这可为开发低功耗并兼有粒子和波动双重特性的计算机技术带来革命性变化。
一示例性实施例提供一种磁子磁电阻(Magnon Magnetoresistance，MMR)器件，包括：第一磁子传导层；设置在所述第一磁子传导层上的第二磁子传导层；以及设置在所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层之间的中间层，其中，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层由磁性绝缘材料形成，所述中间层由非磁金属或反铁磁绝缘体材料或反铁磁金属材料形成。
在一些示例中，所述磁性绝缘材料包括以下材料中的一种或多种：R3Fe5O12、MFe2O4、Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19、以及它们的掺杂化合物，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg或Co。
在一些示例中，所述非磁金属包括以下材料中的一种或多种：V、Cr、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au。
在一些示例中，所述反铁磁绝缘体材料包括以下材料中的一种或多种：NiO、Fe2O3、Cr2O3、MnO、FeO、CoO、MnF2。
在一些示例中，所述反铁磁金属材料包括以下材料中的一种或多种：IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn、CuMnAs。
在一些示例中，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层中的一个具有固定磁化，另一个具有可变化的自由磁化。
在一些示例中，所述磁子磁电阻器件用作磁子电路中控制磁子流传输的阀门或调控器件。
另一示例性实施例提供一种自旋霍尔磁电阻(SMR)器件，包括：自旋霍尔效应层；设置在所述自旋霍尔效应层上的第一磁子传导层；设置在所述第一磁子传导层上的中间层；以及设置在所述中间层上的第二磁子传导层，其中，所述自旋霍尔效应层由具有自旋霍尔效应的重金属形成，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层由磁性绝缘材料形成，所述中间层由非磁金属或反铁磁绝缘体材料或反铁磁金属材料形成。
在一些示例中，所述自旋霍尔效应层配置为传导面内电流。
在一些示例中，所述面内电流包括读取电流和写入电流，所述读取电流用于读取所述自旋霍尔效应层的电阻状态，所述写入电流用于改变所述第一磁子传导层的磁化方向。
在一些示例中，所述自旋霍尔效应层中的面内电流的传导方向垂直于所述第一磁子传导层的磁化方向。
在一些示例中，所述第一磁子传导层具有可变化的自由磁化，所述第二磁子传导层具有固定磁化。
在一些示例中，所述自旋霍尔磁电阻器件用作磁子阀型磁敏传感器或磁子型磁随机存取存储器或磁子逻辑器件。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明一示例性实施例的磁子磁电阻(MMR)器件的层结构示意图。
图2A、2B、2C和2D是图1的磁子磁电阻器件的一些变型例的层结构示意图。
图3是根据本发明一示例性实施例的自旋霍尔磁电阻(SMR)器件的层结构示意图。
图4是图3的自旋霍尔磁电阻器件的电阻随外磁场变化的曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例。注意，附图可能不是按比例绘制的。
图1是根据本发明一示例性实施例的磁子磁电阻(MMR)器件100的层结构示意图。如图1所示，MMR器件100包括第一磁子传导层110、第二磁子传导层130、以及位于二者之间的中间间隔层120。
第一磁子传导层110和第二磁子传导层130每个都可以由磁性绝缘材料形成，优选地由铁磁绝缘材料形成，其示例包括但不限于：R3Fe5O12，其中R可以是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu；MFe2O4，其中M可以是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg和Co；以及Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19等。
在一些示例中，第一磁子传导层110可具有运行期间不变的固定磁化方向，如实线箭头所示；而第二磁子传导层130可具有可随外磁场而改变的自由磁化方向，如双向虚线箭头所示。第一磁子传导层110的磁化方向可通过各种方式来固定，例如通过反铁磁钉扎、硬磁钉扎、人工反铁磁结构(SAF)、自钉扎等，这些方式都是本领域已知的，因此不再对其一一详细描述。
还应注意，虽然图1示出了面内磁化方向，但是第一磁子传导层110和第二磁子传导层130也可以具有垂直磁化方向。本领域技术人员可以理解的是，第一磁子传导层110和第二磁子传导层130的磁化方向的设置可以类似于传统GMR和TMR器件中的两个铁磁导电层的磁化方向的设置。
中间间隔层120可以由非磁金属、反铁磁绝缘材料或者反铁磁金属材料形成。非磁金属的示例包括具有较长的自旋扩散长度的金属或合金，以利于磁子流通过其传播。这样的非磁金属的示例包括但不限于V、Cr、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au以及它们的合金等。优选地，非磁金属层120的厚度小于其自旋扩散长度。反铁磁绝缘材料则可作为磁子流的势垒，其示例包括但不限于NiO、Fe2O3、Cr2O3、MnO、FeO、CoO、MnF2等。可用于形成中间间隔层120反铁磁金属材料的示例包括但不限于IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn、CuMnAs等。
已有理论表明，通过利用热梯度驱动方式，可以在第一磁子传导层110和第二磁子传导层130中产生两股独立的磁子自旋流(或简称磁子流)，而最终器件100对外输出的磁子流，表观上，可通过控制两层磁子传导层的相对磁化方向来进行高效率的调控，例如平行态和反平行态分别对外输出大和小的磁子流。虽然其温度梯度下的表观性能已经初步满足了磁子器件的工作要求，人们依然关心一个更加本质的问题：如果通过非温度梯度的方式(如纯磁学或电学的方法)向磁子结或磁子阀注入纯磁子流，该磁子流的输运参数(例如透过率)是否会受到磁子阀和磁子结磁矩状态的影响？对这一物理本质问题的回答将影响磁子器件的前途，并且对今后磁子器件的设计意义深远。
本发明人发现，当上述器件100处于匀温状态时，也可以通过第一磁子传导层110和第二磁子传导层130的磁化的平行态和反平行态来增加和降低磁子的透过率，其可称之为新型的磁子磁电阻(Magnon Magnetoresistance,MMR)效应。基于这一MMR效应，器件100可用作例如磁子电路中控制磁子流的传输的阀门或调控器件，通过改变具有自由磁化的第二磁子传导层130的磁化方向，来控制阀门的导通和关断，从而控制磁子流的传输。当然，器件100也可以用于其他领域，例如用作磁子型的磁敏传感器等。关于第二磁子传导层130的磁化方向的控制，可以如常规的GMR或TMR器件那样，采用外磁场、自旋转移矩(STT)或自旋霍尔效应等来进行，这里不再赘述。
虽然在图1所示的实施例中，将第一磁子传导层110和第二磁子传导层130示为具有面内磁化，但是它们也可以具有垂直磁化，或者面内磁化和垂直磁化的组合。图2A、2B、2C和2D是图1的磁子磁电阻器件100的一些变型例的示意图。在图2A的示例中，第一和第二磁子传导层110、130可具有彼此平行或反平行的垂直磁化；或者，如图2B所示，第一和第二磁子传导层110、130可以一个具有面内磁化，另一个具有垂直磁化。虽然图2B示出了第一磁子传导层110具有垂直磁化，但是也可以相反，其具有面内磁化，而第二磁子传导层130具有垂直磁化。在图2C的例子中，第一和第二磁子传导层110、130每个都具有面内磁化，但是在没有外磁场时，自由磁层130的磁矩可以相对于参考磁层110成大约90度角。图2B和2C的示例尤其适合应用在各种磁传感器应用中。
上面描述了单个中间间隔层120的情况，本领域技术人员可以理解，本发明的磁子磁电阻器件100还可以包括双中间间隔层结构。如图2D所示，器件100还可以包括在第二磁子传导层130的与第一中间间隔层120相反一侧的第二中间间隔层140、以及位于第二中间间隔层140的与第二磁子传导层130相反一侧的第三磁子传导层150。在该实施例中，第三磁子传导层150的磁化方向应保持与第一磁子传导层110彼此平行，而第二磁子传导层130的磁化方向可以相对于第一磁子传导层110和第三磁子传导层150在平行态和反平行态之间变化，以控制磁子流的透过率。第二中间间隔层140和第三磁子传导层150的其他方面可分别与第一中间间隔层120和第一磁子传导层110相同或类似，这里不再重复描述。
基于上述MMR效应，本发明人还发现了MMR效应直接导致的特殊的自旋霍尔磁电阻(Spin Hall Magnetoresistance，SMR)效应，应用SMR效应的器件200示于图3中。如图3所示，SMR器件200包括图1所示的MMR器件100，以及位于第二磁子传导层130的与中间间隔层120相反一侧的自旋霍尔效应层210，其中自旋霍尔效应层210优选地直接接触第二磁子传导层130。自旋霍尔效应层210可以由具有自旋霍尔效应的重金属形成，其示例包括但不限于Pt、Au、Ta、Pd、Ru、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、Bi2Se3、Bi2Te3、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、或它们的任意组合。优选地，自旋霍尔效应层210可以由Pt形成。
如图3所示，自旋霍尔效应层210配置为传导面内电流I，并且其电流方向优选垂直于与其接触的第二磁子传导层130的磁化方向，或者说其易磁化轴方向。应理解，当第二磁子传导层130的磁化方向为图3所示的左右方向时，自旋霍尔效应层210的面内电流I的方向可以垂直于纸面向内或向外。
SMR器件200的原理如下。当在自旋霍尔效应层210中通过电流I时，电流I通过自旋霍尔效应产生纯自旋流，并在自旋霍尔效应层210和第二磁子传导层130之间的界面处形成自旋积累。该自旋积累进一步通过界面的s-d轨道耦合作用，向与之邻近的第二磁子传导层130注入纯磁子流。磁子在磁子结或磁子阀内部一边流动，一边衰减。当磁子结或磁子阀处于平行状态时，磁子可以顺利从第二磁子传导层130进入第一磁子传导层110，并且磁子衰减较慢。因此从自旋霍尔效应层210注入到磁子结或磁子阀的磁子流也较小，自旋霍尔效应层210的电阻处于低阻态。反之，当磁子结或磁子阀处于反平行状态时，磁子在进入远离自旋霍尔效应层210的第一磁子传导层110后因极化方向不匹配，将迅速衰减。这使得从自旋霍尔效应层210进入到磁子结或磁子阀的磁子流更大，因此此时自旋霍尔效应层210的电阻变大，处于高阻态。因此磁子结或者磁子阀可以在反平行和平行态下通过控制磁子流的衰减快慢来控制自旋霍尔效应层210的电阻，在自旋霍尔效应层210中实现类似于GMR的效果。该非局域的自旋霍尔磁电阻器件将来可用于基于磁子和磁性绝缘体的磁传感器、磁随机存储器、以及磁子逻辑器件等领域。
因此，通过在自旋霍尔效应层210内传导面内电流I，可以读取自旋霍尔效应层210的电阻状态。就此而言，面内电流I被用作读取电流。可以理解的是，通过在自旋霍尔效应层210内传导更大的面内电流，还可以利用上述自旋霍尔效应来改变第二磁子传导层130的磁化方向，实现高阻态或低阻态的写入。因此，SMR器件200可以实现方便的读写，仅通过控制电流的大小即可实现读取和写入，相比于传统的磁随机存储器，SMR器件200的结构和操作都更简单，因此具有更大的应用前景。
图4示出了自旋霍尔磁电阻器件200的自旋霍尔效应层210的电阻随外磁场变化的曲线图。在图4中，P和AP分别标记出了两层磁子传导层分别处于平行和反平行状态。当***处于AP状态时，自旋霍尔效应层210的电阻相对较高；反之，其电阻相对较低。图4所示的电阻变化从实验上证明了自旋霍尔磁电阻器件200可以应用于磁传感器、磁随机存储器、以及磁子逻辑器件等领域，其应用原理都与常规的GMR或TMR器件类似，这里不再赘述。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (9)
1.一种磁子磁电阻(Magnon Magnetoresistance，MMR)器件，包括：
自旋霍尔效应层；
设置在所述自旋霍尔效应层上的第一磁子传导层；
设置在所述第一磁子传导层上的第二磁子传导层；以及
设置在所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层之间的中间层，
其中，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层由磁性绝缘材料形成，所述中间层由非磁金属材料形成，
其中，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层的磁化配置为平行态或反平行态以控制注入到所述磁子磁电阻器件中的磁子的透过率，
其中，所述自旋霍尔效应层配置为传导面内读取电流，以读取所述自旋霍尔效应层的电阻状态。
2.如权利要求1所述的磁子磁电阻(Magnon Magnetoresistance，MMR)器件，其中，所述磁性绝缘材料包括以下材料中的一种或多种：R3Fe5O12、MFe2O4、Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19、以及它们的掺杂化合物，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg或Co，
其中，所述非磁金属包括以下材料中的一种或多种：V、Cr、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au。
3.如权利要求1所述的磁子磁电阻(Magnon Magnetoresistance，MMR)器件，其中，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层中的一个具有固定磁化，另一个具有可变化的自由磁化。
4.如权利要求1所述的磁子磁电阻(Magnon Magnetoresistance，MMR)器件，其中，所述磁子磁电阻器件用作磁子电路中控制磁子流传输的阀门或调控器件。
5.一种自旋霍尔磁电阻(SMR)器件，包括：
自旋霍尔效应层；
设置在所述自旋霍尔效应层上的第一磁子传导层；
设置在所述第一磁子传导层上的中间层；以及
设置在所述中间层上的第二磁子传导层，
其中，所述自旋霍尔效应层由具有自旋霍尔效应的重金属形成，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层由磁性绝缘材料形成，所述中间层由非磁金属或反铁磁绝缘体材料或反铁磁金属材料形成，
其中，所述自旋霍尔效应层配置为传导面内读取电流，以读取所述自旋霍尔效应层的电阻状态。
6.如权利要求5所述的自旋霍尔磁电阻(SMR)器件，其中，所述自旋霍尔效应层还配置为传导面内写入电流，所述面内写入电流用于改变所述第一磁子传导层的磁化方向。
7.如权利要求6所述的自旋霍尔磁电阻(SMR)器件，其中，所述自旋霍尔效应层中的面内读取电流和面内写入电流的传导方向垂直于所述第一磁子传导层的磁化方向。
8.如权利要求5所述的自旋霍尔磁电阻(SMR)器件，其中，所述第一磁子传导层具有可变化的自由磁化，所述第二磁子传导层具有固定磁化。
9.如权利要求5所述的自旋霍尔磁电阻(SMR)器件，其中，所述自旋霍尔磁电阻器件用作磁子阀型磁敏传感器或磁子型磁随机存取存储器或磁子逻辑器件。
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