基于纳米环状隧道结的器件和n-Si中自旋输运的研究

发布时间：2020-10-16 14:33

　　 随着信息技术革命的深入和大规模集成电路的发展进入瓶颈期,自旋电子学器件以其独特的电子自旋自由度、与现有半导体工艺的良好兼容性、低功耗、热稳定和较高的信噪比等优势,被越来越广泛地关注,被认为是最有可能打破摩尔定律限制的高新科技产业,如何在这些器件中调控自旋,也成为目前人们广泛研究的热点方向。本论文中,我们以“基于纳米环状磁性隧道的器件和n-Si半导体中自旋流输运的研究”作为研究课题,充分结合目前基于磁性隧道结的自旋电子学器件发展和磁性多层膜中自旋流的探测方面的研究,寻求和探索调控电子自旋的新途径。本论文主要分为三个部分:(1)基于核心结构为CoFeB/MgO/CoFeB的磁性多层膜,制备了百纳米量级的环形磁性隧道结,通过在零磁场下垂直通入直流电流,利用自旋阀中的自旋转移力矩效应,实现隧道结自由层磁矩的翻转,并以此作为纯电流调控的第二代磁性随机存取存储器的原型器件;并通过提高电流幅度,观察到自由层磁矩的随机回跳现象,以此提出基于纳米环形隧道结的真物理随机数发生器。(2)将上述纳米环状磁性隧道结集成于共面波导电极中,通过向其中通入~GHz频段的交变微波电流,探测其铁磁共振效应。我们发现,在仅有自由层磁矩发生稳恒进动的情况下,给定磁场下,会同时观测到相互独立类声学支和类光学支的进动模式,并从微磁学模拟和定量化的受限体系自旋波驻波理论角度,分别对该现象进行了解释,认为是环状隧道结的内外壁的存在,对环内磁矩进动形成的自旋波的传播产生了限制,形成了自旋波驻波,根据波节数的不同,产生了同相位共振和反相位共振。基于此,我们提出了双模式微波探测器,与现有的基于隧道结铁磁共振现象的单模式微波探测器相比,给定磁场下可以探测到两种不同频率的微波注入,从而使探测效率获得极大提高。(3)基于一种全新的硅片键合技术,我们解决了无法通过传统的沉积手段生长硅薄膜的壁垒,制备了CoFeB/MgO/n-Si/Pt的垂直结构,成功将负型掺杂的n-Si插层插入铁磁层Co Fe B和重金属层Pt之间,通过在Co Fe B中激发铁磁共振,根据自旋泵浦理论,使其向n-Si中泵浦纯自旋流,并利用Pt中的逆自旋霍尔效应加以探测,从而真正探究到n-Si中的纯自旋流扩散长度在不受表面散射影响的情况下,约为2.0μm,这较先前报道中水平结构中探测到的数值增大了一倍。该研究对以后半导体中的自旋流扩散的研究具有重要的指导意义。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;TN40
【部分图文】：

-[8]和 T. R. McGuire[9],[10]等人，从理论上对 AMR 效应进行AMR 效应主要来源于块体材料内部的自旋轨道耦合在不同而对传导电子的散射不同而造成的。性块材过渡到薄膜水平，1993 年，M.Tondra 等人的工作与块材相比，经分子束外延生长的具有良好织构的 500nm同晶向（如[001],[110],[111]）所测量到的 AMR 值各不相0.2%，该体系中的最大 AMR 值出现在[111]晶向，可达 0随着薄膜厚度的增加而升高，当厚度大于 500 nm 时，AMR Rijks 等人[12]随后从理论上加以肯定。层的铁磁薄膜来说，AMR 的比值一般都比较小，室温下低温下不会超过 30%。2007 年，如图 1-2 所示，Piotr Wi n U3As4薄膜中在 100 K 温度下观察到了高达 50%左右的 A验上观察到的最大 AMR 值[13]。

4.2 K 温度下，系统磁电阻随 Fe(001)/Cr(001)超晶格中 Cr 层厚度和双层膜的变化关系，其中磁场和电流沿[110]方向[1]。独有偶，同年，德国 Jülich 研究中心的 Peter. Grünberg 等人[2]研究r/Fe 结构中，当两层铁磁层处于反平行态排列时，层间的反铁磁耦，因而导致系统的磁电阻有较大提升，其比值约为 1.3%，如图 1-铁薄膜的磁电阻仅有 0.12%左右。意到，Grünberg 对磁电阻比值的定义与 Fert 略有差别：该工作中 ) ，而 Fert 工作中， = ( ( = )) ( = )，因 Grünberg 等人的定义方法，后者的 GMR 值甚至达到了 82%，这上通用的描述 GMR 的方法。二人凭借在 GMR 领域开创性的工作7 年的诺贝尔物理学奖，并将基于 GMR 效应的相关器件的研究和高度。

1-4. (a)和(b) Fe/Cr/Fe 异质结分别沿磁化易轴和难轴利用 MOKE 测量的磁滞回线；(d) 分别对应图(a)和(b)的 GMR 值随外加磁场的变化关系曲线[2]。隧穿磁电阻效应和磁性隧道结上一节中我们谈到两个铁磁层直接耦合或被其他非磁金属层隔开，可以GMR 效应，那么我们将中间的非磁金属层，替换成较薄的绝缘层，对电形成势垒，会发生什么呢？早在 1975 年，法国国家应用科学研究中心的lere 就提出，在制备的 Fe/Ge/Co“三明治”异质结中，Fe 和 Co 的磁矩处于反平行态时，其体系的电阻存在着差异，在 4.2K 的低温下，体系的磁为 14%[23]。尽管作者当时没有给出明确的命名，但是这就是磁性隧道结将上述“三明治”结构利用第二章所述的微加工的方法制作成圆形或椭圆等形状的微米、纳米尺度器件，就成了隧道结。而众所周知，本征 Ge 材电性劣于一般半导体，而略优于绝缘体，属于常见的绝缘体范畴，因而
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本文编号：2843383