一種同軸自旋注入器件的制作方法

本發明涉及一種同軸自旋注入器件，它主要由一維自旋傳輸溝道與同軸環繞該自旋溝道的隧穿層及鐵磁電極構成，利用自旋極化散射機制實現自旋注入，屬于自旋電子器件領域。

背景技術：

隨著自旋電子學的發展，自旋注入成為一種越來越重要的技術。當電流通過鐵磁電極/隧穿層/自旋溝道/隧穿層/鐵磁電極構成的橫向自旋閥，由于電子通過鐵磁電極與隧穿層的幾率將依賴于其自旋方向，因此通過控制鐵磁電極的磁化方向以及選擇合適的隧穿層，就可以在自旋溝道中注入特定自旋方向的電子，實現自旋累積。進一步地，借助自旋轉移矩等自旋相互作用機制以及不同極化方向的自旋流的疊加，可以利用自旋流實現邏輯運算，制得自旋邏輯器件。通過自旋注入技術，能夠實現電流到自旋流的轉化，利用自旋流進行邏輯運算，能夠有效降低當前邏輯器件的功耗和發熱問題，同時大幅度提高集成電路的集成度。

自旋注入器件主要由自旋溝道以及自旋注入電極構成。自旋溝道是自旋擴散的通道，目前常用的自旋溝道有碳納米管、石墨烯和金屬納米線等。自旋注入電極主要由包覆層、鐵磁層、隧穿層組成，其作用在于實現特定自旋方向電子的有效注入。包覆層的作用在于傳導電子以及防止鐵磁層氧化，目前常用的包覆層包括金(Au)、鉑(Pt)等；鐵磁層用于選擇特定的自旋方向，常用的鐵磁層包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)等鐵磁金屬及其合金；隧穿層則可以減少鐵磁電極直接接觸引起的自旋溝道中自旋極化電子的弛豫，提高自旋注入效率，常用的隧穿層包括氧化鎂(MgO)，氧化鋁(Al₂O₃)等。

傳統的自旋注入器件，由于在自旋注入電極處，作為自旋溝道的材料(如石墨烯、碳納米管等)和基底直接接觸，導致了額外的電子散射問題，降低了自旋注入效率。同時，對于一維材料如碳納米管的情況，由于其獨特的中空圓柱拓撲結構，在自旋注入電極和碳納米管的接觸面上容易產生孔洞，導致自旋注入電極與溝道有效接觸面積的不可控。

為了解決上述問題，本發明提出了一種同軸自旋注入器件，該器件的自旋注入電極同軸環繞一維自旋溝道，能夠有效解決一維自旋溝道和基底的接觸帶來的散射問題，同時也避免了自旋注入電極/一維自旋溝道界面的孔洞問題，有效地提高了自旋注入效率。

技術實現要素：

一、發明目的

針對上述背景中提到的自旋注入器件所面臨的電子散射和接觸面積不可控的問題，本發明提出了一種同軸自旋注入器件，減少了自旋溝道和基底的直接接觸，有效地降低了自旋溝道和基底接觸帶來的電子散射問題；同時也避免了自旋注入電極/一維自旋溝道界面的孔洞問題，提高了自旋注入器件的結構可控性和可靠性，提高了自旋注入效率，能夠廣泛地應用于自旋邏輯器件的制備。

二、技術方案

本發明的一種同軸自旋注入器件，如圖2(a)所示，包括在一維材料上間排布的n個同軸自旋注入電極以及與同軸自旋注入電極互連的n個固定電極，以及負載以上結構的基底。(n的取值范圍為1～100個，n最佳可取為4個，以下均以4個為例進行說明)。

本發明所述的同軸自旋注入電極為在一維圓柱形自旋溝道外依次環繞同軸隧穿層、同軸鐵磁層和同軸包覆層；

本發明所述一維圓柱形自旋溝道直徑為0.3-100nm，長度0.001-100mm，其材料包括碳納米管、金屬納米線或者其他一維材料中的一種，其中碳納米管包括單壁碳納米管和多壁碳納米管；

本發明所述同軸隧穿層為中空圓柱形，內徑為0.3-100nm，厚度為0-10nm。其內徑緊貼自旋溝道外徑，材料包括氧化鎂(MgO)、氮化鋁(AlN)、氧化鈦(TiO₂)、三氧化二鋁(Al₂O₃)或其他隧穿材料中的一種；

本發明所述同軸鐵磁層為中空圓柱形，內徑為0.3-120nm，厚度為0.1-10μm。其內徑緊貼同軸隧穿層外徑，材料包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)或其他鐵磁材料中的一種；

本發明所述同軸包覆層為中空圓柱形，內徑為0.1-10μm，厚度為0.1-100nm。其內徑緊貼同軸鐵磁層外徑，材料包括包括金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)或其他金屬材料中的一種；

本發明所述固定電極為中凸的長方體。具體形狀參照附圖2(a)所示。長度為0.01-100μm，寬度為0.01-10μm，厚度為0.01-10μm。其下表面緊貼同軸包覆層外徑，材料包括金(Au)、鉑(Pt)，銅(Cu)或其他金屬材料中的一種；

本發明所述基底材料包括硅片、石英片或其他可作為基底的材料中的一種。

三、優點及功效：

相比于傳統的自旋注入器件，本發明提出的一種同軸自旋注入器件具有以下優勢：

(1)本發明采用了同軸環繞一維材料自旋溝道的自旋注入電極，避免了自旋注入電極覆蓋區域自旋溝道和基底的直接接觸，降低了接觸面帶來的電子散射問題，有效地提高了自旋注入效率。

(2)本發明提出同軸環繞一維自旋溝道的自旋注入電極，避免了由于一維材料特殊的中空圓柱形結構而導致的傳統注入電極/自旋溝道接觸面存在孔洞的問題，提高了自旋注入器件的可控性和可靠性。

附圖說明

圖1(a)為碳納米管作為自旋溝道，采用鐵磁電極/隧穿層/碳納米管/隧穿層/鐵磁電極自旋閥結構的傳統碳納米管自旋注入器件的俯視圖。

圖1(b)為圖1(a)所示器件鐵磁電極/隧穿層/碳納米管結構的剖視圖。

圖2(a)為本發明同軸自旋注入器件的俯視圖。

圖2(b)為圖2(a)的剖視圖。

圖3為基于同軸自旋注入器件的邏輯器件。

主要原件符號說明：

11、21 包覆層

12、22 鐵磁層

13、23 隧穿層

14、24、34 碳納米管

15、25、35 基底

17 自旋溝道/基底接觸面

18 孔洞

26、36 固定電極

37 電容器

10 自旋注入電極

20x、201、202、203、204、301、302、303、304、305 同軸自旋注入電極

具體實施方式

參照附圖，進一步說明本發明的實質性特點。在此公開的實施例，其特定的結構細節和功能細節僅是描述特定實施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本發明，且本發明不應該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實施例，而是應該覆蓋落入本發明范圍內的所有變化、等價物和可替換物。在實際制造過程中，各個步驟的工藝選擇、順序排列等視具體情況確定，且均包含于本發明公開的范圍之內。

本發明提供一種同軸自旋注入器件。本發明公開的實施例是基于碳納米管的同軸自旋注入器件，以下將參照附圖，進一步說明本發明的實質性特點。附圖中的示意圖，其中涉及的各功能層或區域的厚度，面積與體積等參數并非實際尺寸。

圖1(a)、圖1(b)分別為碳納米管作為自旋溝道，采用傳統自旋注入電極的碳納米管自旋注入器件的俯視圖和剖視圖，自旋注入電極10包括包覆層11、鐵磁層12和隧穿層13。在該類型的自旋注入器件中，碳納米管14和基底15直接接觸，在其自旋溝道/基底接觸面17產生了額外的電子散射；同時由于碳納米管14獨特的中空圓柱拓撲結，在鐵磁層12、隧穿層13和碳納米管14的接觸面存在不可控的孔洞18，無法精確控制自旋注入面積，影響碳納米管自旋注入器件的可控性和可靠性。

在本發明實施例中，我們采用了同軸自旋注入電極，解決了上述的兩種問題。具體實施方式如下：

圖(2)為同軸自旋注入器件俯視圖，圖2(b)為圖2(a)的剖視圖。如圖2(a)和圖2(b)所示，在碳納米管24上依次排布有4個同軸自旋注入電極201，202，203，204。在本實施例中，碳納米管24包括單壁碳納米管和多壁碳納米管，直徑為0.3-100nm，長度0.001-100mm。也可采用包括銀納米線、銅納米線等金屬納米線或者其他一維材料。同軸自旋注入電極由同軸隧穿層23、同軸鐵磁層22，同軸包覆層21構成。其中，同軸隧穿層23，包括氧化鎂(MgO)，氮化鋁(AlN)，氧化鈦(TiO₂)或三氧化二鋁(Al₂O₃)以及其他隧穿材料中的一種，厚度為0-10nm；同軸鐵磁層22，包括鐵(Fe)，鈷(Co)，鎳(Ni)，鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)或鎳鐵(NiFe)及其他鐵磁材料中的一種，厚度為0.1-10μm；同軸包覆層21，包括金(Au)，鉑(Pt)及其他金屬材料中的一種，厚度為0.1-100nm，用于防止鐵磁層氧化。單個同軸自旋注入電極40的長度為0.1-10μm，電極間距為0.1-1000μm。每個同軸自旋注入電極201，202，203，204均由固定電極26固定在基底25上。固定電極26的材料包括但是不限于鉭(Ta)、鈀(Pd)及其他金屬材料中的一種，長度為0.01-100μm，寬度為0.01-10μm，厚度為0.01-10μm，以實現包覆有同軸隧穿層、鐵磁層和包覆層的碳納米管的固定及導電互連。基底25包括但不限于硅片、石英片等基底。

利用圖2(a)所示的同軸自旋注入器件，可以用來進行自旋注入和測量。由于4個同軸自旋注入電極201、202、203、204具有一樣的內外徑，因此通過圖形化刻蝕控制4個同軸自旋注入電極的寬度，可以使4個同軸自旋注入電極有不同的矯頑場。通過掃描外磁場，配置四個電極處于不同的磁化狀態。例如，當同軸自旋注入電極201處于磁化向右，同軸自旋注入電極202、203、204均處于磁化向左的狀態時，將一定強度的電流經由固定電極26從同軸自旋注入電極201流入，由同軸自旋注入電極202流出時，就能夠實現同軸自旋注入電極201和202之間的碳納米管自旋溝道中自旋向左的電子的注入。在同軸自旋注入電極201和202之間的碳納米管溝道24積累的自旋向左的電子，通過擴散作用向右擴散，可以在同軸自旋注入電極203和204表現出不同的化學勢，由此在同軸自旋注入電極203和204之間可以得到一個電壓差，實現了自旋測量。

圖3為基于同軸自旋注入器件的邏輯器件，包括同軸自旋注入電極301、302、303、304、305，碳納米管34、基底35、固定電極36及電容器37等。通過控制同軸自旋注入電極302和304的磁化方向可以得到不同的邏輯門。如圖中所示，設自旋向右為邏輯“1”，向左為邏輯“0”。當同軸自旋注入電極302、304如圖中所示為自旋向右，即為邏輯“1”時，則可以得到以同軸自旋注入電極301、305為輸入，同軸自旋注入電極303為輸出的與非門。例如，當同軸自旋注入電極301、305的磁化方向中有一個為邏輯“0”時，則可以在自旋溝道中注入特定方向的自旋流，導致兩種不同的自旋流之間有一個較大的化學勢差，通過磁場翻轉同軸自旋注入電極303的磁化方向，可以將這個電勢差轉化為在電容器37處一個較大的瞬時電流，利用這個瞬時電流，即得到邏輯“1”；而當同軸自旋注入電極301和305均為邏輯“1”時，則難以在自旋溝道中注入特定方向的自旋流，兩種不同的自旋方向的化學勢差很小，翻轉同軸自旋注入電極303的磁化方向時，在電容器37處只可得到一個很小的瞬時電流，即為邏輯“0”。因此該同軸自旋邏輯器件表現為與非門。同樣，還可以通過不同的同軸自旋注入電極302和304的磁化方向的配置還可以得到其他的邏輯門，例如當同軸自旋注入電極302、304均為邏輯“0”時，該自旋邏輯器件表現為或門。