本發(fā)明總體上涉及磁性隧道結(jié)，更特別地，涉及一種具有顯著量子效應(yīng)的磁性隧道結(jié)、以及包括所述磁性隧道結(jié)的自旋電子器件，諸如自旋晶體管、自旋二極管、磁敏傳感器和振蕩器等。

背景技術(shù)：

自1975年在Fe/Ge/Co多層膜中發(fā)現(xiàn)隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)以及1988年在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)(GMR)以來，自旋電子學(xué)中的物理和材料科學(xué)的研究和應(yīng)用取得了很大進(jìn)展，尤其是磁性隧道結(jié)中自旋相關(guān)電子的隧穿輸運(yùn)性質(zhì)和隧穿磁電阻效應(yīng)已成為凝聚態(tài)物理中的重要研究領(lǐng)域之一。1995年Miyazaki等人和Moderola等人分別在鐵磁金屬/Al-O絕緣勢(shì)壘/鐵磁金屬中發(fā)現(xiàn)了高的室溫隧穿磁電阻效應(yīng)，再次掀起了磁電阻效應(yīng)的研究浪潮。2000年，Butler等人通過第一性原理研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單晶MgO(001)勢(shì)壘磁性隧道結(jié)，隧穿時(shí)s帶多子電子(Δ1對(duì)稱性，自旋向上)起主導(dǎo)作用，可以得到巨大的隧穿磁電阻。這個(gè)理論在2004年由日本的Yuasa等人和美國(guó)的Parkin等人在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)。目前，人們?cè)诨贛gO(001)勢(shì)壘的磁性隧道結(jié)中已經(jīng)獲得室溫超過600％的TMR值。在器件應(yīng)用方面，1993年Johnson提出了一種由鐵磁性金屬發(fā)射極、厚度小于自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的非磁性金屬基極和鐵磁性金屬集電極組成的“鐵磁性金屬/非磁性金屬/鐵磁性金屬”三明治全金屬自旋晶體管結(jié)構(gòu)(參見M.Johnson的文章Science 260(1993)320)。這種全金屬晶體管的速度可與半導(dǎo)體Si器件相比，但能耗低10-20倍，密度高約50倍，且耐輻射，具有記憶功能，可以應(yīng)用于未來量子計(jì)算機(jī)的各種邏輯電路、處理器等；1994年，IBM研發(fā)出利用巨磁電阻效應(yīng)的讀頭，使硬盤存儲(chǔ)密度提高17倍，達(dá)到3Gbits/in²；2009年，希捷公司采用MgO磁性隧道結(jié)材料做出磁頭，使硬盤演示盤存儲(chǔ)密度達(dá)到800Gbits/in²。

目前，人們?cè)趩蝿?shì)壘磁性隧道結(jié)的研究方面取得了顯著成果，但是單勢(shì) 壘隧道結(jié)材料在實(shí)際應(yīng)用中還面臨著許多問題，如TMR值將隨外加電壓增加而急劇下降。1997年Zhang等人從理論上預(yù)言了具有量子共振隧穿效應(yīng)的雙勢(shì)壘隧道結(jié)的TMR值是單勢(shì)壘隧道結(jié)的2倍，并且TMR值隨偏壓的增加下降較緩慢(參將Zhang等人的文章Phys.Rev.B56(1997)5484)。進(jìn)而基于磁性隧道結(jié)可能產(chǎn)生的量子效應(yīng)已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題。2005年Lu等人利用第一性原理計(jì)算的結(jié)果預(yù)測(cè)了Fe/MgO/Fe/Cr結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)的鐵磁金屬層Fe中s帶電子量子阱態(tài)所導(dǎo)致的自旋相關(guān)共振隧穿效應(yīng)(參見Zhong-Yi Lu等人的文章Phys.Rev.Lett.94(2005)207210)。2006年，Wang等人利用第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)這種基于MgO(001)勢(shì)壘的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中隨著中間層鐵的厚度變化所產(chǎn)生的量子阱分布。同年，Nozaki等人在這種雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中發(fā)現(xiàn)通過中間鐵層中電子的量子阱態(tài)導(dǎo)致的隧穿電導(dǎo)隨偏壓的振蕩效應(yīng)。

然而，基于MgO(001)勢(shì)壘的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)的量子共振隧穿效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上并不明顯，這也阻礙了基于該量子效應(yīng)的自旋電子器件諸如自旋晶體管、自旋二極管、磁敏傳感器和振蕩器等的實(shí)際應(yīng)用。因此，需要探索新的勢(shì)壘材料，提高量子效應(yīng)從而容易通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到，并且實(shí)現(xiàn)其在新型器件中的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有勢(shì)壘材料在實(shí)際應(yīng)用中面臨的許多問題和缺陷，提供一種基于類尖晶石結(jié)構(gòu)勢(shì)壘層的、具有顯著量子效應(yīng)的磁性隧道結(jié)。該勢(shì)壘層與磁性層的晶格失配度較小，可以具有比較低的偏壓依賴性、高TMR值、高擊穿電壓以及增強(qiáng)的量子阱共振隧穿效應(yīng)，從而可以廣泛應(yīng)用于自旋晶體管、自旋二極管、磁敏傳感器和振蕩器等自旋電子學(xué)器件中。

根據(jù)本發(fā)明一示范性實(shí)施例，提供一種磁性隧道結(jié)，其可包括：第一參考層，由磁性導(dǎo)電材料形成并且具有固定的磁化方向；第一勢(shì)壘層，設(shè)置在所述第一參考層上并且由絕緣材料形成；自由層，設(shè)置在所述第一勢(shì)壘層上，由磁性導(dǎo)電材料形成并且其磁化方向可以響應(yīng)于外磁場(chǎng)而自由變化；以及第二勢(shì)壘層，設(shè)置在所述自由層上并且由絕緣材料形成，其中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層均具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)。

在一示例中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層由選自以下組的材料形 成：Mg_xAl_yO_z和Zn_xAl_yO_z，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4。

在一示例中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層由選自以下組的材料形成：Si_xMg_yO_z和Si_xZn_yO_z，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。

在一示例中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層具有0.5-5nm范圍內(nèi)的厚度。

在一示例中，所述自由層的厚度可以等于或小于其中的電子的平均自由程。

在一示例中，所述磁性隧道結(jié)還可包括：第二參考層，設(shè)置在所述第二勢(shì)壘層上，由磁性材料形成并且具有固定的磁化方向。所述第二參考層的磁化方向可以平行于所述第一參考層的磁化方向。

在一示例中，所述磁性隧道結(jié)還可包括：第三勢(shì)壘層，設(shè)置在所述第二參考層上，由絕緣材料形成，并且具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)。

在一示例中，所述第三勢(shì)壘層由選自以下組的材料形成：Mg_xAl_yO_z、Zn_xAl_yO_z，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4；Si_xMg_yO_z、Si_xZn_yO_z，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。

根據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例，提供一種磁性隧道結(jié)，其包括：第一參考層，由磁性導(dǎo)電材料形成并且具有固定的磁化方向；第一勢(shì)壘層，設(shè)置在所述第一參考層上并且由絕緣材料形成；自由層，設(shè)置在所述第一勢(shì)壘層上，由磁性導(dǎo)電材料形成并且其磁化方向可以響應(yīng)于外磁場(chǎng)而自由變化；以及第二勢(shì)壘層，設(shè)置在所述自由層上并且由絕緣材料形成，其中，所述第一勢(shì)壘層與所述第一參考層和所述自由層的晶格常數(shù)相互匹配，且其中，所述第二勢(shì)壘層與所述自由層的晶格常數(shù)相互匹配。

根據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例，提供一種自旋電子器件，其可包括上述磁性隧道結(jié)中的任意一種。

根據(jù)本發(fā)明又一示范性實(shí)施例，提供一種自旋二極管，其可包括：第一參考層，由磁性導(dǎo)電材料形成并且具有固定的磁化方向；第一勢(shì)壘層，設(shè)置在所述第一參考層上并且由絕緣材料形成；自由層，設(shè)置在所述第一勢(shì)壘層上，由磁性導(dǎo)電材料形成并且其磁化方向可以響應(yīng)于外磁場(chǎng)而自由變化；第 二勢(shì)壘層，設(shè)置在所述自由層上并且由絕緣材料形成；第一電極，功能上連接到所述第一參考層；以及第二電極，功能上連接到所述自由層，其中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層均具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)。

在一示例中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層由選自以下組的材料形成：Mg_xAl_yO_z和Zn_xAl_yO_z，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4。

在一示例中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層由選自以下組的材料形成：Si_xMg_yO_z和Si_xZn_yO_z，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。

在一示例中，所述自旋二極管還可包括：第二參考層，設(shè)置在所述第二勢(shì)壘層上，由磁性材料形成并且具有固定的磁化方向，其中，所述第二參考層的磁化方向平行于所述第一參考層的磁化方向，且其中，所述第二電極功能上連接到所述第二參考層。

在一示例中，所述自旋二極管還可包括：第三勢(shì)壘層，設(shè)置在所述第二參考層上，由絕緣材料形成，并且具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，其中，所述第三勢(shì)壘層由選自以下組的材料形成：Mg_xAl_yO_z、Zn_xAl_yO_z，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4；Si_xMg_yO_z、Si_xZn_yO_z，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。

根據(jù)本發(fā)明再一示范性實(shí)施例，提供一種自旋晶體管，其可包括：第一參考層，由磁性導(dǎo)電材料形成并且具有固定的磁化方向；第一勢(shì)壘層，設(shè)置在所述第一參考層上并且由絕緣材料形成；自由層，設(shè)置在所述第一勢(shì)壘層上，由磁性導(dǎo)電材料形成并且其磁化方向可以響應(yīng)于外磁場(chǎng)而自由變化；第二勢(shì)壘層，設(shè)置在所述自由層上并且由絕緣材料形成；第二參考層，設(shè)置在所述第二勢(shì)壘層上，由磁性導(dǎo)電材料形成，并且具有固定的磁化方向，所述第二參考層的磁化方向與所述第一參考層的磁化方向彼此平行；發(fā)射極，功能上連接到所述第一參考層；基極，功能上連接到所述自由層；以及集電極，功能上連接到所述第二參考層，其中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層均具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)。

在一示例中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層由選自以下組的材料形成：Mg_xAl_yO_z和Zn_xAl_yO_z，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4。

在一示例中，所述第一勢(shì)壘層和所述第二勢(shì)壘層由選自以下組的材料形成：Si_xMg_yO_z和Si_xZn_yO_z，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。

在一示例中，所述自旋晶體管還可包括：第三勢(shì)壘層，設(shè)置在所述第二參考層上，由絕緣材料形成，并且具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)。

在一示例中，所述第三勢(shì)壘層由選自以下組的材料形成：Mg_xAl_yO_z、Zn_xAl_yO_z，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4；Si_xMg_yO_z、Si_xZn_yO_z，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。

本發(fā)明提供的基于具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)的絕緣勢(shì)壘層的磁性隧道結(jié)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：勢(shì)壘層與磁性層之間的晶格失配度小，偏壓依賴性比較低，擊穿電壓比較高；大大減少了原有的MgO勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中的界面及缺陷電子態(tài)，增強(qiáng)了量子效應(yīng)，在一定的外加閥值偏壓處大幅度提高了通過磁性隧道結(jié)的電流以及隧穿磁電阻比值(TMR)，閥值偏壓主要由磁性層的材料和厚度的選取來決定。這種特殊的電流效應(yīng)還可以通過對(duì)勢(shì)壘中間的自由層的外加磁場(chǎng)方向和偏壓來進(jìn)行控制，使得這種勢(shì)壘的磁性隧道結(jié)可以應(yīng)用于新型自旋電子器件設(shè)計(jì)，如自旋晶體管、自旋二極管、磁敏傳感器和振蕩器等，并且有助于磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)等自旋電子器件的性能提升。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自旋共振隧穿晶體管，基極電流為調(diào)制信號(hào)，通過它使集電極的磁化方向改變，從而使集電極的信號(hào)與基極電流的調(diào)制模式相似,即發(fā)生共振隧穿效應(yīng)，在合適的條件下，可得到放大的信號(hào)。由于這種共振隧穿自旋晶體管制作的電流放大器的頻帶寬度取決于集電極的磁化方向反轉(zhuǎn)速度，因而這樣的電流放大器可以上百吉赫茲的頻率變化。

附圖說明

圖1示出典型的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)的多層結(jié)構(gòu)；

圖2A和圖2B示意性示出圖1所示結(jié)構(gòu)的能帶圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)的量子效應(yīng)觀測(cè)結(jié)果；

圖4示意性示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的自旋二極管；

圖5示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋二極管；

圖6示意性示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的自旋二極管；

圖7示意性示出根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的自旋二極管；

圖8示意性示出根據(jù)本發(fā)明再另一實(shí)施例的自旋二極管；

圖9A和圖9B示出圖8所示的自旋二極管的能帶圖；

圖10示意性示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的自旋晶體管；

圖11示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋晶體管；以及

圖12示意性示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的自旋晶體管。

具體實(shí)施方式

圖1示出典型的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100的多層結(jié)構(gòu)，圖2A和圖2B示意性示出圖1所示的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100的能帶圖。應(yīng)注意，為了使圖2A和圖2B所示的能帶圖與圖1所示的多層結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，以便于理解所示的能帶圖，圖1以橫向疊置而非上下疊置的方式示出雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100所包括的多個(gè)層。

參照?qǐng)D1，雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100包括第一參考層102、第一勢(shì)壘層104、自由層106、第二勢(shì)壘層108和第二參考層110。第一參考層102、自由層106和第二參考層110可由磁性材料形成，例如鐵磁性材料、半金屬磁性材料和稀磁半導(dǎo)體材料等?？捎糜谛纬傻谝粎⒖紝?02、自由層106和第二參考層110的鐵磁性材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni或者這些鐵磁金屬的合金，諸如Sm、Gd、Nd之類的稀土金屬，諸如CoFe、CoFeB、NiFeCr、CoFeSiB、GdY和NiFe(如Ni₈₁Fe₁₉等)之類的鐵磁性合金。可用于形成第一參考層102、自由層106和第二參考層110的半金屬磁性材料的示例包括但不限于Fe₃O₄、CrO₂、CoMnSi、CoFeAl、CoFeSi、CoMnAl、CoFeMnAl、CoFeAlSi、CoMnGe、CoMnGa、CoMnGeGa、LaSrMnO、LaGaMnO、NiMnSb、CoMnSb等?？捎糜谛纬傻谝粎⒖紝?02、自由層106和第二參考層110的稀磁半導(dǎo)體材料的示例包括但不限于Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN和ZnTe，F(xiàn)e、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、TiO₂、HfO₂和SnO₂等。第一參考層102和第二參考層110每個(gè)的厚度可以為1-50nm，其中第一參考層102的厚度和第二參考層110的厚度可以彼此相同，也可以彼此不同。自由層106的厚度可以為0.5-25nm，優(yōu)選地，自由層106的厚度設(shè)置為與形成其的材料中的電子平均自由程相當(dāng)。

第一參考層102和第二參考層110中的每個(gè)可具有固定的磁化方向，并 且二者的磁化方向彼此平行，例如圖1中的箭頭所示的豎直向上。當(dāng)然，第一參考層102和第二參考層110的磁化方向也可以豎直向下(未示出)?？梢圆扇《喾N手段來固定第一參考層102和第二參考層110的磁化方向。例如，可以在第一參考層102的與第一勢(shì)壘層104相反的一側(cè)形成第一釘扎層(未示出)來釘扎住第一參考層102的磁化方向，并且在第二參考層110的與第二勢(shì)壘層108相反的一側(cè)形成第二釘扎層(未示出)來釘扎住第二參考層110的磁化方向。第一釘扎層和第二釘扎層每個(gè)可由反鐵磁材料形成，反鐵磁材料的示例包括但不限于Ir、Fe、Rh、Pt、Pd與Mn的合金或者CoO、NiO、PtCr等。第一釘扎層和第二釘扎層每個(gè)的厚度可以為1-50nm?；蛘?，可以使第一參考層102和第二參考層110具有較大的矯頑力，例如選擇矯頑力較高的材料來形成第一參考層102和第二參考層110，使第一參考層102和第二參考層110形成為具有較大的厚度，等等。

自由層106的磁化方向可以是自由的，能隨外磁場(chǎng)而發(fā)生變化，從而與第一參考層102和第二參考層110的磁化方向平行或反平行的狀態(tài)，形成雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)的高阻態(tài)(反平行)和低阻態(tài)(平行)兩種磁電阻狀態(tài)。自由層106優(yōu)選由矯頑力較小的軟磁材料形成，并且具有較好的晶體結(jié)構(gòu)，以保證量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)性。

第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108均由絕緣材料形成，從而形成勢(shì)壘。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的材料選擇和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于量子共振隧穿效應(yīng)有顯著的影響。雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100會(huì)在第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108之間的自由層106中形成s帶電子量子阱態(tài)，從而產(chǎn)生量子共振隧穿效應(yīng)。當(dāng)外加偏壓V＝0時(shí)，自由層106的多數(shù)自旋方向s帶電子(多子)在二維布里淵區(qū)點(diǎn)的態(tài)密度(density of states，DOS)可由第一性原理計(jì)算給出，在DOS中可以看到在費(fèi)米能級(jí)附近存在數(shù)個(gè)尖峰，它們分別對(duì)應(yīng)了自由層106中的多子電子的量子阱態(tài)。離費(fèi)米能級(jí)最近的量子阱態(tài)的能級(jí)位置E(單位：電子伏特)對(duì)應(yīng)著產(chǎn)生量子效應(yīng)的偏壓閥值大小(單位：伏特)。這些量子阱態(tài)對(duì)雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)共振隧穿所造成的量子效應(yīng)可以在電流隨偏壓關(guān)系的I-V曲線以及隧道結(jié)隧穿磁電阻(TMR)值與偏壓的關(guān)系中看出。

在第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108之間的自由層106與第一參考層102和第二參考層110的磁化方向彼此平行時(shí)，自由層106中的s帶多子的 量子阱態(tài)將影響雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100的輸運(yùn)性質(zhì)。當(dāng)外加偏壓V＝0時(shí)，第一參考層102中的電子的費(fèi)米能級(jí)E_F遠(yuǎn)離自由層106中的s帶多子電子的能級(jí)位置E，此時(shí)不發(fā)生共振隧穿，如附圖2A所示。當(dāng)外加偏壓V逐漸增加到一個(gè)閥值偏壓位置時(shí)，使得費(fèi)米能級(jí)E_F附近的多子量子阱態(tài)的能級(jí)位置E進(jìn)入到偏壓范圍之內(nèi)，如圖2B所示。此時(shí)，第一參考層102中的輸運(yùn)電子與阱中的電子能級(jí)共振，阱中s帶多子電子態(tài)通過量子干涉效應(yīng)參與輸運(yùn)過程，將使此時(shí)通過雙勢(shì)壘隧道結(jié)的電流有較大幅度躍增。由于自由層106中的電子的量子阱態(tài)是自旋相關(guān)的(多子量子阱態(tài))，所以僅在平行情況下發(fā)生這種量子效應(yīng)。當(dāng)通過改變外加磁場(chǎng)而使得自由層106與第一和第二參考層102、110的磁化方向反平行時(shí)，不存在這種量子效應(yīng)。因此自由層106產(chǎn)生的這種量子共振隧穿效應(yīng)可以通過外加磁場(chǎng)來控制自由層106的磁化方向而進(jìn)行開/關(guān)控制。

而且，自由層106的量子阱態(tài)E相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)E_F的位置主要取決于兩側(cè)的第一和第二參考層102、110的材料以及自由層106的厚度。因此，若選定了第一和第二參考層102、110的材料，則整個(gè)磁性隧道結(jié)的費(fèi)米能級(jí)固定，那么通過改變自由層106的厚度即可控制產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的閥值偏壓值。

雖然理論上已經(jīng)預(yù)言了量子共振隧穿效應(yīng)的存在，但是實(shí)驗(yàn)上一直未觀測(cè)到顯著的量子共振隧穿效應(yīng)。如前所述，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)上可觀測(cè)的量子效應(yīng)，除了自由層106應(yīng)具有良好的晶體結(jié)構(gòu)之外，與自由層106相鄰的第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的材料選擇和晶體結(jié)構(gòu)也十分重要。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的材料可選自Mg_xAl_yO_z和Zn_xAl_yO_z，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4。第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的材料還可選自Si_xMg_yO_z和Si_xZn_yO_z，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。優(yōu)選地，第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108都具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，MgO單晶作為勢(shì)壘層的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中的量子共振隧穿效應(yīng)并不明顯，具有完美尖晶石晶體結(jié)構(gòu)的Mg_xAl_yO_z、Zn_xAl_yO_z、Si_xMg_yO_z和Si_xZn_yO_z(其中x:y:z＝1:2:4)作為勢(shì)壘層時(shí)，量子共振隧穿效應(yīng)也不明顯。然而本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)的氧化物絕緣 體作為勢(shì)壘層材料時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)顯著的量子效應(yīng)。術(shù)語“類尖晶石”指的是這樣一種晶體結(jié)構(gòu)，其與尖晶石晶體結(jié)構(gòu)相近，但是由于元素之間的比率以及占位不同于完美尖晶石結(jié)構(gòu)中的元素比率1:2:4，所以又不是完美的尖晶石晶體結(jié)構(gòu)。在類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)中，由于成分比例的變化，各元素在晶格中的位置不像完美尖晶石晶體結(jié)構(gòu)中那么有序和固定，而是可能展現(xiàn)出一定程度的無序和隨機(jī)性，例如在某些晶胞中原本應(yīng)由元素A占據(jù)的位置卻被元素B占據(jù)。而且，由于成分比例的差異，有些位置，例如但不限于氧元素的位置，可能會(huì)出現(xiàn)空位。因此，類尖晶石結(jié)構(gòu)指的是雖然總體上和尖晶石結(jié)構(gòu)相似，但是具體細(xì)節(jié)上又呈現(xiàn)一定隨機(jī)差異的晶體結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于典型的材料Mg_xAl_yO_z、Zn_xAl_yO_z、Si_xMg_yO_z和Si_xZn_yO_z而言，當(dāng)成分比例x:y:z＝1:2:4時(shí)，其形成完美的尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，但是用作勢(shì)壘層時(shí)量子效應(yīng)并不明顯；而當(dāng)x:y:z不等于1:2:4時(shí)，其形成類似于尖晶石的“類尖晶石”晶體結(jié)構(gòu)，此時(shí)量子效應(yīng)將會(huì)變得明顯。進(jìn)一步分析表明，這是晶格匹配所帶來的效果。MgO單晶和尖晶石結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)一般都大于形成相鄰的參考層或自由層的磁材料的晶格常數(shù)，因此其界面處晶格失配較大，存在較多的界面態(tài)和缺陷電子態(tài)。此時(shí)，即使?jié)M足共振隧穿條件，由于共振隧穿主要由s帶多子電子參與，而s帶多子電子很容易在界面處被散射，所以隧穿電流小，量子效應(yīng)不顯著。而“類尖晶石”晶體結(jié)構(gòu)能提供與相鄰的第一和第二參考層102、110以及自由層106更匹配的晶格常數(shù)，從而大大減少了界面態(tài)密度和缺陷電子態(tài)，使得共振隧穿電流更少在界面處被散射，從而實(shí)現(xiàn)了更顯著的、實(shí)驗(yàn)上可容易地觀測(cè)的量子共振隧穿效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)上還發(fā)現(xiàn)，γ相的Al₂O₃單晶，其也具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，其用作勢(shì)壘時(shí)也能實(shí)現(xiàn)顯著的量子效應(yīng)。

因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，形成第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的材料可選自：Mg_xAl_yO_z和Zn_xAl_yO_z，其中0≤x/(x+y+z)<0.5，0<y/(x+y+z)≤0.4，0.3≤z/(x+y+z)≤0.6，并且x:y:z≠1:2:4；Si_xMg_yO_z和Si_xZn_yO_z，其中0<x/(x+y+z)<0.33，0<y/(x+y+z)<0.5，0.4<z/(x+y+z)<0.66，并且x:y:z≠1:2:4。在上述化學(xué)式中，x+y+1可以等于1。并且優(yōu)選地，第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108都可形成為類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)具有更顯著的量子共振隧穿效應(yīng)的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100。第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108每個(gè)的厚度可以為0.5-5nm，優(yōu)選1-4nm。第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的材 料可以彼此相同，也可以彼此不同。而且，第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的厚度可以彼此相同，也可以彼此不同。

下面的表1示出雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100的一些具體示例和比較例，以及實(shí)驗(yàn)上量子效應(yīng)的觀測(cè)結(jié)果。雖然未示出，這些示例都形成在SiO₂襯底上，但是不限于此，例如也可以形成在其他絕緣襯底上。其中，為了簡(jiǎn)便起見，第一參考層102和第二參考層110由相同的材料形成為相同的厚度，第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108由相同的材料形成為相同的厚度。但是應(yīng)理解的是，第一參考層102的材料和/或厚度可以不同于第二參考層，第一勢(shì)壘層104的材料和/或厚度可以不同于第二勢(shì)壘層108。

表1

應(yīng)理解，在上面的比較例2和3中，第一和第二勢(shì)壘層104、108形成為完美的尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，其量子效應(yīng)不明顯。雖然在上面表1所列出的實(shí)施例中，第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108由相同材料制成，但是第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108亦可以由不同的材料制成，如下面的表2所示的實(shí)施例。

表2

圖3示出本發(fā)明一示例的量子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果。如圖3所示，在適當(dāng)?shù)钠秒妷篤范圍內(nèi)，I/V的二階導(dǎo)數(shù)，即d²I/dV²，出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，每個(gè)波峰對(duì)應(yīng)于自由層106中的一個(gè)量子阱態(tài)。這表明，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中觀察到了很明顯的量子共振隧穿效應(yīng)。

雖然上面描述了基于類尖晶石結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘層制成的磁性隧道結(jié)可以獲得實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)的量子效應(yīng)，但是本發(fā)明并不局限于此。如前所述，當(dāng)勢(shì)壘層與相鄰磁層之間的界面具有良好的晶格匹配時(shí)，即可減少界面態(tài)，避免自旋電子的散射，從而實(shí)現(xiàn)顯著的量子效應(yīng)。因此，本發(fā)明的勢(shì)壘層并不局限于類尖晶石結(jié)構(gòu)，而是只要其晶格常數(shù)與其相鄰的磁層(例如參考層和自由層)的晶格常數(shù)相匹配即可。

上面描述了雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100的典型結(jié)構(gòu)。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，還可以對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行諸多變化。例如，第二參考層110可以被省略。此時(shí)，電流路徑是從第一參考層102經(jīng)第一勢(shì)壘層104至自由層106，隨后被引出。應(yīng)注意，即使省略第二參考層110，第二勢(shì)壘層108也應(yīng)被保留，因?yàn)槠浜偷谝粍?shì)壘層104一起用于在自由層106中形成量子阱?；蛘?，可以省略第一參考層102，電流路徑為從第二參考層110經(jīng)第二勢(shì)壘層108至自由層106，然后被引出。此外，還應(yīng)理解的是，雖然上面用“第一”、“第二”等序數(shù)詞描述了各個(gè)層，但是這些序數(shù)詞僅用于將一個(gè)層與另一層區(qū)分開，而并不限定它們的任何順序。換言之，上面描述的“第一”層也可以描述為 “第二”層，而并不偏離本發(fā)明的范圍。

下面將參照附圖來描述包括上述類磁性隧道結(jié)(例如上面描述的雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)100)的各種自旋電子器件的實(shí)施例。

圖4示出包括雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)的自旋二極管200。如圖4所示，自旋二極管200是雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管，其包括形成在襯底202上的疊層結(jié)構(gòu)。襯底202可以是絕緣體襯底，例如包括選自如下組的材料：Si/SiO₂、MgO、GaAs、SrTiO₃、LaAlO₃以及MgAl₂O₄等。在襯底202上依次形成緩沖層204、第一釘扎層206、第一參考層102、第一勢(shì)壘層104、自由層106、第二勢(shì)壘層108、第二參考層110、第二釘扎層208和蓋層210。

緩沖層204可以由金屬或合金制成，例如Cr、CoFe、Ta、Ru等，可具有5-100nm之間的厚度。緩沖層204用于改善其上的第一釘扎層206與襯底202之間和粘合性，提供良好的用于沉積第一釘扎層206的表面。在一些實(shí)施例中，緩沖層204可省略。第一釘扎層206、第一參考層102、第一勢(shì)壘層104、自由層106、第二勢(shì)壘層108、第二參考層110和第二釘扎層208已經(jīng)在上面參照?qǐng)D1進(jìn)行了詳細(xì)論述，此處不再贅述。蓋層210可以由耐腐蝕且具有良好導(dǎo)電性的金屬形成，例如Ta、Au等，以保護(hù)下面的多層結(jié)構(gòu)。第一參考層102可以連接到第一電極101，蓋層210可以連接到第二電極201。應(yīng)理解，第一電極101亦可以連接到緩沖層204或第一釘扎層206，第二電極201亦可以連接到第二釘扎層208或第二參考層110。這里，可以說第一電極101功能上連接到第一參考層102，第二電極201功能上連接到第二參考層110?！肮δ苌线B接”指的是為了實(shí)現(xiàn)電路功能而將電極必須連接(直接或間接)到某一層，例如第一參考層102和第二參考層110。在一些實(shí)施例中，由于第二釘扎層208本身具有良好的抗腐蝕性和導(dǎo)電性，所以蓋層210也可被省略。

下面說明制備自旋二極管200的方法。可以利用磁控濺射設(shè)備來沉積圖4所示的自旋二極管200。沉積時(shí)，加1000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，因此第一參考層102和第二參考層110的磁化方向分別由第一釘扎層206和第二釘扎層208固定成同一方向，而自由層106的磁化方向是自由的。選擇例如厚度為0.5mm的MgO(001)襯底作為基片，并在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于5×10^-7帕，沉積速率為0.1nm/s，沉積時(shí)氬氣壓為0.07帕，在襯底202上沉積Cr(40nm)/CoFe(5nm)的緩沖層204，沉積后可以進(jìn)行熱退火處理來形成更好 的晶向以及平整度；然后在緩沖層204上依次沉積厚度為15nm的IrMn作為第一釘扎層206，沉積厚度為5nm的Fe的第一參考層102，沉積厚度為2nm的Mg_0.29Al_0.23O_0.48(001)作為第一勢(shì)壘層104，沉積5nm的Fe作為自由層106，沉積厚度為2nm的Mg_0.29Al_0.23O_0.48(001)作為第二勢(shì)壘層108，沉積5nm的Fe作為第二參考層110，沉積厚度為15nm的IrMn作為第二釘扎層208，最后沉積Ta(5nm)/Ru(5nm)作為蓋層210。上述多層膜的生長(zhǎng)條件如下：備底真空：5×10^-7帕；濺射用高純度氬氣氣壓：0.07帕；濺射功率：120瓦；生長(zhǎng)溫度：室溫；生長(zhǎng)速率：0.3～1.1埃/秒；生長(zhǎng)時(shí)間：薄膜厚度/生長(zhǎng)速率。

然后利用微加工工藝，制備微米尺寸的隧道結(jié)二極管，并且在結(jié)區(qū)上面搭建用于測(cè)量的電極。(1)在沉積好的磁性多層膜樣品上涂上正性光刻膠(S1813)，旋涂4000轉(zhuǎn)/min，時(shí)間1分鐘，膠厚約1微米，95攝氏度下前烘1分鐘，然后利用底電極的掩模板，進(jìn)行接觸式紫外曝光，一般為15-20秒；利用顯影液MF319進(jìn)行顯影30秒，在超純水中定影30秒，后烘1分鐘；將樣品放入Ar離子刻蝕機(jī)中，進(jìn)行Ar離子刻蝕，得到底電極的形狀，刻蝕時(shí)間由預(yù)先標(biāo)定好的刻蝕速率以及多層膜的厚度決定；將樣品放入丙酮中去除殘留的光刻膠。(2)再在形成底電極的樣品表面涂上光刻膠，為了降低后續(xù)浮脫(lift-off)工藝的難度，選用負(fù)型光刻膠(N440)，旋涂4000轉(zhuǎn)/min，時(shí)間1分鐘，膠厚約4微米，90攝氏度下前烘5分鐘。再利用結(jié)區(qū)的掩模板，進(jìn)行曝光200秒，在顯影液D332中顯影2分鐘左右，直到樣品表面膠的花紋散去，定影30秒；最后進(jìn)行Ar離子刻蝕，刻過第一勢(shì)壘層104即可，得到結(jié)區(qū)的形狀。(3)利用磁控濺射沉積厚度為100nm左右的SiO₂，用于使結(jié)區(qū)相互絕緣，以及底電極101與將沉積的頂電極201互相絕緣；再進(jìn)行浮脫法(lift-off)，將樣品放入丙酮或去膠劑中，超聲去膠，把覆蓋在結(jié)區(qū)上的光刻膠以及SiO₂一同剝離，使結(jié)區(qū)暴露。(4)在樣品上沉積約80nm厚的Cu和20nm厚的Au作為頂電極層，再次在樣品表面涂上正性光刻膠(S1813)，利用頂電極的掩模板進(jìn)行曝光，顯影定影(前烘和曝光時(shí)間同底電極)；再進(jìn)行Ar離子刻蝕，從而得到磁性隧道結(jié)200的頂電極201，將樣品放入丙酮中，去除殘膠。就此得到制備好的具有磁性隧道結(jié)和外加測(cè)量底電極101和頂電極201的單元。即得到本發(fā)明的雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)自旋共振隧穿二極管200。

應(yīng)理解，上面在描述制造工藝時(shí)使用了許多細(xì)節(jié)，包括材料和參數(shù)等，這僅是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員便于實(shí)施本發(fā)明，而本發(fā)明并不局限于這些特定細(xì)節(jié)。相反，對(duì)于這些細(xì)節(jié)，諸如材料和參數(shù)等，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的教導(dǎo)下可以進(jìn)行各種變化，而并不脫離本發(fā)明的范圍。

當(dāng)外加磁場(chǎng)使自由層106與第一和第二參考層102、110的磁化方向平行時(shí)，自由層106的Fe中的s帶多子的量子阱態(tài)將影響雙勢(shì)壘隧道結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)。當(dāng)外加偏壓V增加到閥值偏壓位置(約0.1～0.3伏特)時(shí)，輸運(yùn)隧穿電子與量子阱中的電子能級(jí)共振，將使此時(shí)通過雙勢(shì)壘隧道結(jié)的電流有較大幅度躍增。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管300。如圖5所示，雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管300與圖4所示的雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管200具有基本相同的結(jié)構(gòu)，除了省略第一釘扎層206和第二釘扎層208之外。為了使第一參考層102和第二參考層110的磁化方向固定，可以采用具有較大矯頑力的磁材料來形成它們，或者將其形成為具有較大的厚度。此外，在沉積第一參考層102和第二參考層110時(shí)，可以施加例如100Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，使它們的磁化方向被誘導(dǎo)在所述方向上。磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管300的其他方面與磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管200相同，此處不再贅述。

還應(yīng)理解的是，雖然上面描述了釘扎設(shè)計(jì)和非釘扎設(shè)計(jì)，但是上述兩種設(shè)計(jì)可以靈活地混合設(shè)置。例如，一個(gè)參考層可以采用釘扎設(shè)計(jì)，而另一個(gè)參考層可以采用非釘扎設(shè)計(jì)，也稱為自釘扎設(shè)計(jì)。這可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際需要和工藝便捷性來靈活選擇。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管400。如圖6所示，雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管400具有與圖4所示的雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管200相同的結(jié)構(gòu)，除了底電極401設(shè)置在自由層106上之外。相應(yīng)地，在上面參照?qǐng)D4描述的結(jié)區(qū)蝕刻步驟(2)中，只需要蝕刻過第二勢(shì)壘層108即可，而不需像二極管200那樣蝕刻過第一勢(shì)壘層104。二極管400的其他方面與二極管200類似，此處不再贅述。

應(yīng)理解的是，在圖6所示的二極管400中，第一勢(shì)壘層104用于和第二勢(shì)壘層108一起在自由層106中形成量子阱，而第一勢(shì)壘層104本身并未參 與到電子輸運(yùn)中。還可以理解的是，第一勢(shì)壘層104下方的第一參考層102、第一釘扎層206和緩沖層204均可被省略。

圖7示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管500。如圖7所示，雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管500具有與圖5所示的雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管300相同的結(jié)構(gòu)，除了底電極501設(shè)置在自由層106上之外。相應(yīng)地，在上面參照?qǐng)D5(或者說，圖4)描述的結(jié)區(qū)蝕刻步驟(2)中，只需要蝕刻過第二勢(shì)壘層108即可，而不需像二極管300那樣蝕刻過第一勢(shì)壘層104。二極管500的其他方面與二極管300類似，此處不再贅述。

應(yīng)理解的是，在圖7所示的二極管500中，第一勢(shì)壘層104用于和第二勢(shì)壘層108一起在自由層106中形成量子阱，而第一勢(shì)壘層104本身并未參與到電子輸運(yùn)中。還可以理解的是，第一勢(shì)壘層104下方的第一參考層102和緩沖層204均可被省略。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的三勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管600。如圖8所示，三勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管600具有與圖5所示的雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿二極管300相同的結(jié)構(gòu)，除了第三勢(shì)壘層602形成在第一參考層102與襯底202之間以外。優(yōu)選地，形成第三勢(shì)壘層602的材料也選自上述可用于形成第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的那些材料，以便于和第一勢(shì)壘層104一起在第一參考層102中形成良好的量子阱。由于第三勢(shì)壘層602并不參與電子輸運(yùn)，所以其厚度一般也沒有限制，例如可以形成得較厚。優(yōu)選地，第三勢(shì)壘層602的厚度可以為0.5nm以上。此外，第三勢(shì)壘層602還能起到緩沖層的作用，為其上的第一參考層102提供良好的沉積表面。二極管600的形成工藝可以與二極管300類似，此處不再贅述。

圖9A和9B示出示意性二極管600的能帶圖，其中圖9A示出偏置電壓V為零時(shí)的情況，圖9B示出偏置電壓V達(dá)到閾值電壓而發(fā)生共振隧穿時(shí)的情況。如圖9A所示，當(dāng)外加偏壓V＝0時(shí)，第一參考層102中的電子的量子阱態(tài)的能級(jí)位置E₁遠(yuǎn)離自由層106中的s帶多子電子的能級(jí)位置E₂，此時(shí)不發(fā)生共振隧穿。當(dāng)外加偏壓V逐漸增加到閥值偏壓E₂-E₁的水平時(shí)，使得第一參考層102中的能級(jí)位置(V+E₁)進(jìn)入到自由層106中的能級(jí)水平附近，此時(shí)第一參考層102中的量子阱中的電子與自由層106的量子阱中的電子能 級(jí)共振，通過量子干涉效應(yīng)參與到輸運(yùn)過程中，將使此時(shí)通過隧道結(jié)的電流有較大幅度躍增。

圖10示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿晶體管700。如圖7所示，磁性隧道結(jié)共振隧穿晶體管700具有與圖4所示的磁性隧道結(jié)共振隧穿二級(jí)管200相同的結(jié)構(gòu)，除了還將第三電極701連接到自由層106之外。在磁性隧道結(jié)共振隧穿晶體管700中，第一電極101可用作發(fā)射極，第二電極201可用作集電極，第三電極701可用作基極。

當(dāng)基極、發(fā)射極和集電極所處的自由層106、第一參考層102和第二參考層110的磁化方向處于平行狀態(tài)時(shí)，自由層106中的s帶多子的量子阱態(tài)將影響雙勢(shì)壘隧道結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)。當(dāng)發(fā)射極和集電極之間施加偏壓V增加到閥值偏壓位置(一般約約0.1～0.3伏特)時(shí)，輸運(yùn)隧穿電子與量子阱中的電子能級(jí)共振，將使此時(shí)通過雙勢(shì)壘隧道結(jié)的集電極電流有較大幅度躍增。而當(dāng)基極的磁化方向與集電極的磁化方向相反時(shí)，雖然發(fā)射極中多數(shù)自旋子帶的電子由于與基極的磁化方向相反而能帶不匹配，受到強(qiáng)烈的散射作用，僅有很少隧穿電子由于受到雜質(zhì)散射或其他作用而進(jìn)入集電極，此時(shí)集電極的電流很小。進(jìn)一步，當(dāng)基極、發(fā)射極和集電極所處的自由層106、第一參考層102和第二參考層110的磁化方向處于平行狀態(tài)時(shí)，可以通過改變基極的電壓/電流的方法來調(diào)制基極中量子阱能級(jí)的高低，從而使隧穿電子在發(fā)射極和集電極間發(fā)生共振隧穿，使集電極得到放大的電流。

可利用磁控濺射的方法制備磁性隧道結(jié)共振隧穿晶體管700。沉積時(shí)，加1000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，因此第一參考層102和第二參考層110的磁化方向分別由第一釘扎層206和第二釘扎層208固定成同一方向，自由層106的磁化方向是自由的。選擇一個(gè)厚度為0.5mm的MgO(001)襯底作為基片，并在磁控濺射設(shè)備上以真空優(yōu)于5×10^-7帕，沉積速率為0.1nm/s，沉積時(shí)氬氣壓為0.07帕，在該基片上沉積Cr(40nm)/CoFe(5nm)的緩沖層204，沉積后可以進(jìn)行熱退火處理來形成更好的晶向以及平整度；然后在緩沖層204上依次沉積厚度為15nm的IrMn作為第一釘扎層206，沉積厚度為5nm的Fe的第一參考層102，沉積厚度為2nm的Mg_0.29Al_0.23O_0.48(001)作為第一勢(shì)壘層104，沉積5nm的Fe作為自由層106，沉積厚度為2nm的Mg_0.29Al_0.23O_0.48(001)作為第二勢(shì)壘層108，沉積5nm的Fe作為第二參考層110，沉積厚度為15nm的IrMn作為第二釘扎層208，最后沉積Ta(5nm)/Ru(5nm)作為蓋層210。上 述多層膜的生長(zhǎng)條件：備底真空：5×10^-7帕；濺射用高純度氬氣氣壓：0.07帕；濺射功率：120瓦；生長(zhǎng)溫度：室溫；生長(zhǎng)速率：0.3～1.1埃/秒；生長(zhǎng)時(shí)間：薄膜厚度/生長(zhǎng)速率。

然后利用微加工工藝，制備微米尺寸的隧道結(jié)晶體管，并且在結(jié)區(qū)上面搭建用于測(cè)量的發(fā)射極、基極和集電極。(1)在沉積好的磁性多層膜樣品上涂上正性光刻膠(S1813)，旋涂4000轉(zhuǎn)/min，時(shí)間1分鐘，膠厚約1微米，95攝氏度前烘1分鐘，然后利用底電極的掩模板，進(jìn)行接觸式紫外曝光，一般為15-20秒；利用顯影液MF319進(jìn)行顯影30秒，再用超純水定影30秒，后烘1分鐘；將樣品放入Ar離子刻蝕機(jī)中，進(jìn)行Ar離子刻蝕，得到底電極(發(fā)射極)的形狀，刻蝕時(shí)間由預(yù)先標(biāo)定好的刻蝕速率以及多層膜的厚度決定；將樣品放入丙酮中去除殘留的光刻膠。(2)再在形成底電極的樣品表面涂上光刻膠，為了降低后續(xù)浮脫(lift-off)工藝的難度，選用負(fù)型光刻膠(N440)，旋涂4000轉(zhuǎn)/min，時(shí)間1分鐘，膠厚約4微米，90攝氏度前烘5分鐘。再利用結(jié)區(qū)的掩模板，進(jìn)行曝光200秒，顯影液D332中顯影2分鐘左右，直到樣品表面膠的花紋散去，定影30秒；最后進(jìn)行Ar離子刻蝕，刻過第一勢(shì)壘層104即可，得到結(jié)區(qū)的形狀。(3)利用磁控濺射沉積厚度為100nm左右的SiO₂，用于使結(jié)區(qū)相互絕緣，以及底電極與將沉積的頂電極互相絕緣；再進(jìn)行金屬浮脫法(lift-off)，將樣品放入丙酮或去膠劑中，超聲去膠，把覆蓋在結(jié)區(qū)上的光刻膠以及SiO₂一同剝離，使結(jié)區(qū)暴露。(4)再進(jìn)一步重復(fù)以上涂膠、曝光、顯影、刻蝕、浮脫和沉積等微納米加工工藝，制備出基極和集電極。即得到雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)自旋共振隧穿晶極管700。

圖11示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿晶極管800。如圖11所示，雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿晶極管800具有與雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)自旋共振隧穿晶極管700相同的多層結(jié)構(gòu)，除了不包括第一釘扎層206和第二釘扎層208之外。為了使第一參考層102和第二參考層110的磁化方向固定，可以采用具有較大矯頑力的磁材料來形成它們，或者將其形成為具有較大的厚度。此外，在沉積第一參考層102和第二參考層110時(shí)，可以施加例如1000Oe的平面誘導(dǎo)磁場(chǎng)，使它們的磁化方向被誘導(dǎo)在所述方向上。雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿晶極管800的其他方面可以與雙勢(shì)壘釘扎型磁性隧道結(jié)自旋共振隧穿晶極管700相同，此處不再贅述。

圖12示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的三勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿晶極管900。如圖12所示，三勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿晶體管900具有與圖11所示的雙勢(shì)壘非釘扎型磁性隧道結(jié)共振隧穿晶體管800相同的結(jié)構(gòu)，除了第三勢(shì)壘層902形成在第一參考層102與襯底202之間以外。優(yōu)選地，用于形成第三勢(shì)壘層902的材料可以選自上述用于形成第一勢(shì)壘層104和第二勢(shì)壘層108的那些材料。由于第三勢(shì)壘層902實(shí)際上并不參與電子輸運(yùn)，所以其厚度一般沒有限制，例如可以形成得較厚。優(yōu)選地，第三勢(shì)壘層902的厚度可以為0.5nm以上。此外，第三勢(shì)壘層902還能起到緩沖層的作用，為其上的第一參考層102提供良好的沉積表面。晶體管900的形成工藝可以與晶體管800類似，此處不再贅述。

本發(fā)明提供的基于具有類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)的絕緣勢(shì)壘層的磁性隧道結(jié)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：勢(shì)壘層與磁性層之間的晶格失配度小，偏壓依賴性比較低，擊穿電壓比較高；大大減少了原有的MgO勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中的界面及缺陷電子態(tài)，增強(qiáng)了量子效應(yīng)，在一定的外加閥值偏壓處大幅度提高了通過磁性隧道結(jié)的電流以及隧穿磁電阻比值(TMR)，閥值偏壓主要由磁性層的材料和厚度的選取來決定。這種特殊的電流效應(yīng)還可以通過對(duì)勢(shì)壘中間的自由層的外加磁場(chǎng)方向和偏壓來進(jìn)行控制，使得這種勢(shì)壘的磁性隧道結(jié)可以應(yīng)用于新型自旋電子器件設(shè)計(jì)，如自旋晶體管、自旋二極管、磁敏傳感器和振蕩器等，并且有助于磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)等自旋電子器件的性能提升。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自旋共振隧穿晶體管，基極電流為調(diào)制信號(hào)，通過使基極的磁化方向改變，從而使集電極的信號(hào)與基極電流的調(diào)制模式相似,即發(fā)生共振隧穿效應(yīng)，在合適的條件下，可得到放大的信號(hào)。由于這種共振隧穿自旋晶體管制作的電流放大器的頻帶寬度取決于集電極的磁化方向反轉(zhuǎn)速度，因而這樣的電流放大器可以上百吉赫茲的頻率變化。

雖然上面參照示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍和思想的情況下，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化和修改。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物定義。