一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元的制作方法
【專利摘要】一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，該存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)由下至上依次為垂直堆疊的底端電極、鐵磁金屬層一、有機(jī)非鐵磁層、鐵磁金屬層二、頂端電極；所述底端電極，包括金、鉑、銅或其他非鐵磁金屬材料中的一種或多種；所述鐵磁金屬層一，包括鐵、鈷、鎳、鈷鐵硼、鎳鐵、鑭鍶錳氧、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種；所述非鐵磁有機(jī)層材料，包括三(8?羥基喹啉)鋁(Alq3)、α?六噻吩(6T)或其他光敏有機(jī)材料中的一種或多種；所述鐵磁金屬層二，包括鈷、鈷鐵、鈷鐵硼、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種；所述頂端電極，包括金、鉑、銅或其他非鐵磁金屬材料中的一種或多種。
【專利說明】一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)狀態(tài)的光寫入， 屬于自旋存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 近些年來，新興起的存儲(chǔ)器技術(shù)正受到越來越多的關(guān)注并開始替代傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器 行業(yè)。其中最為成功的是自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory，STT-MRAM)，它既具有很高的讀寫速度，而且集成度更高，漏電流更 小，還具有掉電后信息不丟失的優(yōu)勢(shì)。自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器已逐步開始進(jìn)行大規(guī)模 工業(yè)生產(chǎn)，并進(jìn)入市場(chǎng)。
[0003]目前自旋存儲(chǔ)器件領(lǐng)域一個(gè)常用的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)是自旋閥，它的基本結(jié)構(gòu)是垂直 堆疊的鐵磁層/非鐵磁層/鐵磁層，為防止鐵磁層的氧化，常在鐵磁層上加蓋包覆層。鐵磁層 用于產(chǎn)生特定的自旋極化方向，常用的鐵磁層包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)等鐵磁金屬及其 合金;包覆層常用的的材料有金(Au)、鉑(Pt)等。非鐵磁層主要用于自旋傳輸，其材料特性 對(duì)自旋閥的性能有較大影響。目前非鐵磁層常用的材料分成兩類，一類是無機(jī)材料(包括非 鐵磁金屬和無機(jī)半導(dǎo)體），一類是有機(jī)半導(dǎo)體材料。有機(jī)半導(dǎo)體除了成本低廉、重量輕、便于 常溫操作、電子屬性可調(diào)、分子合成靈活等優(yōu)點(diǎn)之外，其最大的優(yōu)點(diǎn)是相比于其他無機(jī)半導(dǎo) 體或金屬材料具有更弱的自旋軌道相互作用、超精細(xì)相互作用和自旋散射機(jī)制，這使得它 具有極長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間和自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，能夠長(zhǎng)距離自旋傳輸，在自旋器件制備中具有 更大靈活性和便捷性。另外，有機(jī)半導(dǎo)體還可以通過光、熱等外界條件改變其能帶結(jié)構(gòu)，從 而影響自旋閥量子阱態(tài)能級(jí)分布，改變層間交換耦合的情況來改變電阻，使有機(jī)半導(dǎo)體具 有更大的發(fā)展空間。
[0004] 傳統(tǒng)的自旋存儲(chǔ)器件的讀寫方式為:磁寫入，電讀取。由于自旋閥的電阻取決于兩 個(gè)鐵磁電極相對(duì)的磁化方向，因此具體應(yīng)用中通過改變外加磁場(chǎng)來改變鐵磁電極磁化方 向，實(shí)現(xiàn)電阻大小的改變，分別實(shí)現(xiàn)"〇"和"1"數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，但是，這種自旋閥存儲(chǔ)器件存在 如下缺點(diǎn)：
[0005] 1.寫入過程中，需要大磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)鐵磁電極磁化翻轉(zhuǎn)，而大磁場(chǎng)需要外加很大電流， 這就導(dǎo)致器件的寫入功耗十分顯著。
[0006] 2.由于鐵磁電極的磁滯回效應(yīng)，磁場(chǎng)變化的速率受到限制，因此存儲(chǔ)器件具有較 大的寫入延遲。
[0007] 3.隨著器件單元的集成化和小型化，相鄰存儲(chǔ)單元的磁場(chǎng)可能會(huì)相互影響，這就 要求磁場(chǎng)的調(diào)控更加精細(xì)，從而加大了器件的制造難度和生產(chǎn)成本。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0008] -、發(fā)明目的：
[0009]針對(duì)上述背景中提到的自旋存儲(chǔ)單元自旋閥存在的功耗、速率、成本、制作工藝等 的問題，本發(fā)明提出了一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí) 現(xiàn)了光寫入電讀取，可以提高存儲(chǔ)器的集成度和讀寫速率并降低功耗。
[0010] 二、技術(shù)方案：
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，該存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu) 由下至上依次為垂直堆疊的底端電極、鐵磁金屬層一、非鐵磁有機(jī)層、鐵磁金屬層二、頂端 電極。
[0012]所述底端電極，包括金(Au)、鉬(Pt)、銅(Cu)或其他非鐵磁金屬材料中的一種或多 種。
[0013] 所述鐵磁金屬層一，包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鑭 鎖猛氧(LSM0 )、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種。
[0014] 所述非鐵磁有機(jī)層材料，包括三(8-羥基喹啉)鋁(Alq3)、a-六噻吩(6T)或其他光 敏有機(jī)材料中的一種或多種。
[0015]所述鐵磁金屬層二，包括鈷(Co)、鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、赫斯勒合金或其他 鐵磁材料中的一種或多種。
[0016] 所述頂端電極，包括金(Au)、鉬(Pt)、銅(Cu)或其他非鐵磁金屬材料中的一種或多 種。
[0017] 本發(fā)明所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元可通過采用傳統(tǒng)的電子束蒸 發(fā)、熱蒸發(fā)、原子層沉積或磁控濺射的方法將基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元的各層物質(zhì) 按照從下到上的順序鍍?cè)谝r底上，然后借助光刻、刻蝕等微納加工工藝進(jìn)行器件制備;具體 制備方法為:在超真空蒸發(fā)腔內(nèi)，采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)等方法依次沉積底端電極和鐵 磁金屬層一于襯底表面，通過熱蒸發(fā)的方式使非鐵磁有機(jī)層材料以0.3nm/min-〇 . 5nm/min 的速率生長(zhǎng)于鐵磁金屬層一上，隨后依次沉積鐵磁金屬層二和頂端電極，完成多層膜沉積 后，采用微納加工的方法(光刻、刻蝕、包埋、沉積)實(shí)現(xiàn)器件圖形化，完成基于光調(diào)控的有機(jī) 自旋存儲(chǔ)單元的制備。
[0018] 本發(fā)明所述襯底包括但不限于硅片、石英片等襯底。
[0019] 本發(fā)明可以通過控制外部光照條件來改變中間非鐵磁有機(jī)層的能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致量 子阱態(tài)排布發(fā)生變化，進(jìn)而影響兩鐵磁電極的層間交換耦合類型(鐵磁耦合和反鐵磁耦合 的相互轉(zhuǎn)換），實(shí)現(xiàn)單個(gè)鐵磁電極的磁化翻轉(zhuǎn)，從而改變器件磁阻，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)"〇"和"1" 的存儲(chǔ)狀態(tài)的寫入。
[0020] 三、優(yōu)點(diǎn)及功效：
[0021] 本發(fā)明提出了一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，可以實(shí)現(xiàn)磁光存儲(chǔ)，相比于 傳統(tǒng)的自旋存儲(chǔ)單元，有以下優(yōu)勢(shì)：
[0022] (1)通過光寫入，代替了傳統(tǒng)磁寫入過程中外加電流改變磁場(chǎng)時(shí)的發(fā)熱損耗，從而 降低存儲(chǔ)器件的功耗；
[0023] (2)光照條件的改變可瞬時(shí)完成，有機(jī)層光激發(fā)的響應(yīng)時(shí)間在皮秒量級(jí)，保證了存 儲(chǔ)器件的讀寫速率；
[0024] (3)通過控制光照位置，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)存儲(chǔ)單元狀態(tài)的改變，不存在傳統(tǒng)磁寫入式 存儲(chǔ)單元的相互干擾問題，提高了器件的集成度，也便于制作加工；
[0025] (4)除了進(jìn)行存儲(chǔ)，本發(fā)明所述模型還可用于光信號(hào)探測(cè)等領(lǐng)域。 【【附圖說明】】
[0026] 圖1為基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖2_a為相位累積模型下量子勢(shì)阱示意圖。
[0028] 圖2_b為有機(jī)非鐵磁層費(fèi)米面附近量子阱態(tài)分布示意圖。
[0029] 圖3-a為無光照下量子阱態(tài)分布示意圖。
[0030] 圖3-b為紫外光照射后量子阱態(tài)分布偏移示意圖。
[0031]圖3-c為光照條件切換使自由層磁化方向改變示意圖。
[0032]圖4為基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元的工作模式示意圖。
[0033]其中，圖1到圖4中的參數(shù)定義為：
[0034] 丨:表示自旋閥自由層的磁場(chǎng)極化方向向上；
[0035] 丨:表示自旋閥自由層的磁場(chǎng)極化方向向下；
[0036] 個(gè)；表示自旋閥固定層的磁場(chǎng)極化方向向上，且不可變；
[0037] RP:表示自旋閥中固定層與自由層的相對(duì)磁場(chǎng)方向處于平行狀態(tài)，此時(shí)自旋閥表 現(xiàn)為低電阻狀態(tài)，電阻值記為R P;
[0038] Rap :表示自旋閥中固定層與自由層的相對(duì)磁場(chǎng)方向處于反平行狀態(tài)，此時(shí)自旋閥 現(xiàn)為高電阻狀態(tài)，電阻值記為Rap ;
[0039] "1" ：表示存儲(chǔ)單元寫入的邏輯數(shù)據(jù)1;
[0040] "0" ：表示存儲(chǔ)單元寫入的邏輯數(shù)據(jù)0。
[0041 ] k:電子波矢。 【【具體實(shí)施方式】】
[0042] 參照附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元的實(shí)質(zhì)性特 點(diǎn)。
[0043] 本發(fā)明提出了一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其既可以用于大容量磁光存 儲(chǔ)，也可以用于光信號(hào)探測(cè)，因此可以采用該存儲(chǔ)單元對(duì)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0044] 在此公開了詳細(xì)的示例性實(shí)施例，其特定的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)僅是表示描述示 例實(shí)施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實(shí)施本發(fā)明，且本發(fā)明不應(yīng)該被理解為 僅僅局限于在此提出的示例實(shí)施例，而是應(yīng)該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價(jià)物 和可替換物。另外，將不會(huì)詳細(xì)描述或?qū)⑹÷员景l(fā)明的眾所周知的元件，器件與子電路，以 免混淆本發(fā)明的實(shí)施例的相關(guān)細(xì)節(jié)。圖1為本發(fā)明一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元的 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045] 本發(fā)明所示存儲(chǔ)單元從下到上由底端電極（10-50nm)、鐵磁金屬一（l-100nm)、有 機(jī)非鐵磁有機(jī)層（l-l〇nm)、鐵磁金屬二（l-100nm)及頂端電極（10-50nm)共五層構(gòu)成；
[0046]所述底端電極，包括金(Au)、鉬(Pt)、銅(Cu)或其他非鐵磁金屬材料中的一種或多 種；
[0047] 所述鐵磁金屬層一，包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鑭 鎖猛氧(LSM0 )、赫斯勒合金或其他鐵磁材料中的一種或多種；
[0048]所述非鐵磁有機(jī)層材料，包括三(8-羥基喹啉)鋁(Alq3)、a-六噻吩(6T)或其他光 敏有機(jī)材料中的一種或多種；
[0049]所述鐵磁金屬層二，包括鈷(Co)、鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、赫斯勒合金或其他 鐵磁材料中的一種或多種；
[0050]所述頂端電極，包括金(Au)、鉬(Pt)、銅(Cu)或其他非鐵磁金屬材料中的一種或多 種。
[0051]通過采用傳統(tǒng)的分子束外延、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、原子層沉積或磁控濺射的方法 將存儲(chǔ)單元的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍?cè)谝r底上，然后進(jìn)行光刻、刻蝕等微納加工 工藝來制備該存儲(chǔ)單元;其形狀可以制成正方形、長(zhǎng)方形(長(zhǎng)寬比可以是任意值）、圓形或橢 圓形（長(zhǎng)寬比可以是任意值），特征尺寸在5腦-100讓。其中一個(gè)鐵磁層的磁化方向是固定 的，稱為固定層，而另一個(gè)鐵磁層的磁化方向是自由的，稱為自由層，對(duì)于哪個(gè)鐵磁層屬于 固定層還是自由層沒有嚴(yán)格規(guī)定，即可以是鐵磁層一為固定層，則鐵磁層二為自由層，也可 以是鐵磁層二為固定層，則鐵磁層一為自由層。通過光照改變自由層的磁化方向，可以改變 兩個(gè)鐵磁層的相對(duì)磁化方向，從而可以得到不同的電阻狀態(tài)，更具體地，平行時(shí)呈現(xiàn)出低阻 態(tài)Rp，反平行時(shí)呈現(xiàn)出高阻態(tài)Rap。
[0052]圖2-a和2-b為本實(shí)施例中相位累積模型下量子阱態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0053] 下面敘述過程中，兩鐵磁金屬層和非鐵磁有機(jī)層材料以Co/Alq3/Co為例。如圖2-a 所示，在該結(jié)構(gòu)中，Co金屬中自旋少數(shù)電子帶隙限制Alq3中自旋向下電子排布，對(duì)自旋向下 電子形成量子阱態(tài)，有機(jī)層厚度d即為勢(shì)阱寬度。設(shè)電子波矢為k，該勢(shì)阱中電子波動(dòng)方程為
[0054] 2ked - q)B - (pc = Itlv
[0055] 其中，識(shí)S和<PC分別為電子波動(dòng)方程在勢(shì)阱兩邊界處的相位增益
為有機(jī)分子層Alq3厚度。奶;取決于能帶結(jié)構(gòu)和電子能量，可由光照條件改變』為有 機(jī)分子層數(shù)與量子勢(shì)阱中半波長(zhǎng)數(shù)之差。根據(jù)該方程，可得到圖2_b有機(jī)非鐵磁層費(fèi)米面附 近量子阱態(tài)分布示意圖，其中橫軸和縱軸分別表示有機(jī)層厚度和電子能量，實(shí)線和虛線分 別表不量子講態(tài)的峰值和谷值。
[0056] 圖3-a、3_b和3-c為本發(fā)明一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元的光照使自由層 磁化方向改變機(jī)理示意圖。層間交換耦合類型的選擇符合能量最低原則。在圖3-a中，設(shè)有 機(jī)層厚度為30ML(圖中豎直虛線），初始條件為無光照射，兩鐵磁層在鐵磁耦合時(shí)能量最低， 磁化方向處于平行排列狀態(tài)，自旋閥表現(xiàn)為低電阻狀態(tài)。圖3-b為紫外光照射后的變化：當(dāng) 紫外光照射時(shí)，有機(jī)層電子獲得能量發(fā)生躍迀(光激發(fā)響應(yīng)時(shí)間在皮秒量級(jí)），相位增益<1% 和執(zhí);發(fā)生改變，量子阱態(tài)分布發(fā)生偏移。當(dāng)一個(gè)量子阱態(tài)從上方穿越費(fèi)米能級(jí)到達(dá)費(fèi)米能 級(jí)下方，會(huì)使鐵磁耦合狀態(tài)能量增加并高于反鐵磁耦合狀態(tài)能量。根據(jù)能量最低原則，鐵磁 耦合不再穩(wěn)定，因此變?yōu)榉磋F磁耦合來降低系統(tǒng)的能量，固定層電極磁化方向保持恒定，自 由層磁化方向翻轉(zhuǎn)并與固定層反平行排列，自旋閥表現(xiàn)為高電阻狀態(tài)。圖3-c為外部條件在 有光照和無光照之間切換時(shí)，自由層磁化方向變化示意圖。
[0057]圖4為本發(fā)明種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元的工作模式示意圖，具體如下： [0058]當(dāng)兩鐵磁層磁化方向平行排列時(shí)，器件處在低阻態(tài)，存儲(chǔ)值為"0" ；當(dāng)兩鐵磁層磁 化方向反平行排列時(shí)，器件處于高阻態(tài)，存儲(chǔ)值為"1"。當(dāng)光照條件在無光照和紫外光(入= 365nm)之間切換，層間交換耦合類型在鐵磁耦合和反鐵磁耦合之間切換，相應(yīng)地，自旋存儲(chǔ) 單元電阻在低阻態(tài)Rp和高阻態(tài)Rap之間切換，分別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)"0"和"1"。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于：該存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)由下至上依 次為垂直堆疊的底端電極、鐵磁金屬層一、非鐵磁有機(jī)層、鐵磁金屬層二及頂端電極;所述 底端電極為非鐵磁金屬材料;所述鐵磁金屬層一為鐵磁材料;所述非鐵磁有機(jī)層材料為光 敏有機(jī)材料;所述鐵磁金屬層二為鐵磁材料;所述頂端電極為非鐵磁金屬材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:所述底端 電極為金Au、鉑Pt或銅Cu的一種或多種。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:所述鐵磁 金屬層為鐵Fe、鈷Co、鎳Ni、鈷鐵硼CoFeB、鎳鐵NiFe、鑭鍶錳氧LSMO或赫斯勒合金的一種或 多種。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:所述非鐵 磁有機(jī)層材料為三(8-羥基喹啉)鋁Alq3或α-六噻吩(6T)的一種或多種。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:所述鐵磁 金屬層二為鈷Co、鈷鐵CoFe、鈷鐵硼CoFeB或赫斯勒合金的一種或多種。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:所述頂端 電極為金Au、鉑Pt或銅Cu的一種或多種。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:所述存儲(chǔ) 單元制備方法為:在超真空蒸發(fā)腔內(nèi)，采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)的方法依次沉積底端電極 和鐵磁金屬層一于襯底表面，通過熱蒸發(fā)的方式使非鐵磁有機(jī)層材料以0.3nm/min - 0.5nm/min的速率生長(zhǎng)于鐵磁金屬層一上，隨后依次沉積鐵磁金屬層二和頂端電極，完成多 層膜沉積后，采用微納加工的方法實(shí)現(xiàn)器件圖形化，完成基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元 的制備。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:通過控制 外部光照條件來改變中間非鐵磁有機(jī)層的能帶結(jié)構(gòu)，使量子阱態(tài)排布發(fā)生變化，使鐵磁耦 合和反鐵磁耦合相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單個(gè)鐵磁電極的磁化翻轉(zhuǎn)，從而改變器件磁阻，分別實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)"0"和"Γ的存儲(chǔ)狀態(tài)的寫入。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:所述微納 加工的方法為光刻、刻蝕、包埋及沉積。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于光調(diào)控的有機(jī)自旋存儲(chǔ)單元，其特征在于:所述襯 底包括硅片和石英片。
【文檔編號(hào)】H01L43/10GK105931662SQ201610239469
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】趙巍勝, 林曉陽, 鄭明陽, 孫艷明, 江雷
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)