橫向自旋閥

橫向自旋閥是自旋電子領域的自旋邏輯器件，該器件的尺寸在納米級，製作工藝精細且複雜，具有很廣闊的發展前景。

基本介紹

• 中文名：橫向自旋閥
• 外文名：Transverse spin valve
• 相關學科：自旋電子
• 相關技術：雷射直寫
• 套用：自旋邏輯器件

產品簡介

橫向自旋閥是目前最重要的一種自旋器件。本文綜述石墨烯作為橫向自旋閥溝道材料的研究進展。雖然石墨烯作為橫向自旋閥溝道材料的研究的報導已經很多，但是對於其電阻率、自旋壽命、自旋擴散長度、自旋霍爾角、自旋信號以及與其他材料的接觸電阻等參數的確定仍有問題。目前實驗獲得的這些數據差別較大，影響因素尚不清晰。另外理論工作相對缺乏。這些問題將影響石墨烯在自旋電子學中的套用，需要進一步深入研究。

發展背景

橫向自旋閥的主要材料是石墨烯。石墨烯電阻率極低，即電導率極高(它的電 導率比銅還高)。石墨烯具有高電子遷移率、可調載流子濃度等性質。有優異的導熱性，熱導率超高。有優異的機械性能，比如，它是一種超硬的材料。第四，相比較其他材料，它的自旋軌道相互作用極其小。這意味著其自旋很少與軌道移動產生相互作用，所以石墨自旋所儲藏的信息就能夠比其他材料持續更長久。第五，自旋輸運方面，其室溫自旋壽命很高，理論預測純石墨烯的自旋壽命在 1 微秒左右，其室溫自旋輸運相干擴散長度長達數微米，是自旋電子學套用的理想材料。套用方面，利用自旋，石墨烯自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque ,STT) 的邏輯器件可用於信息處理。基於石墨烯的自旋電子器件已經提出很多。石墨烯橫向自旋閥(lateral spin valve，LSV)結構是實現自旋電晶體、自旋磁開關等器件的基礎。 這些器件的基礎都是自旋電流的操控。包括自旋流產生、自旋流輸運、自旋流探測等。

製備工藝

光刻在橫向自旋閥的製備工藝中主要被用於製備寬度較為大的電極。其具體的製備工藝步驟如下：

1. 基底清洗：選用覆蓋有3000埃氧化矽絕緣襯底的矽片，切至約1cm*1cm大小。首先用丙酮（Acetone）浸沒，超聲十分鐘；用氣槍吹乾後，再用異丙醇（IPA）浸沒，進行第二次超聲清洗；氣槍吹乾後觀察表面是否殘留污漬。

2. 勻膠：使用勻膠機利用底部真空吸力吸住襯底；取適量光刻膠（一般，我們使用AZ3000）滴於襯底上，並以4000轉每分鐘的轉速旋轉1分鐘，利用離心力讓光刻膠均勻覆蓋在襯底表面；隨後以100℃的溫度烘烤1分鐘，去掉光刻膠中多餘的溶劑和水分。一般的，我們可以得到1.4微米左右的膠厚。

3. 曝光：利用一台步進式光刻機進行曝光；將襯底定在樣品台上，並將光刻版對準襯底（由於是第一步光刻，不需要按照套刻標記進行對準），用波長在320-380nm範圍內的紫外光透過光刻版照射襯底6秒鐘，光刻正膠的曝光部分即被分解為可以溶解的羧酸等物質。

4. 顯影：將曝光完後的片子浸沒在AZ3000自帶的顯影液中，不斷輕晃，時間為1分鐘；隨後將片子放入去離子水中清洗，時間為30秒；最後用氣槍吹乾。此時，光刻部分已經完成，我們可以得到如圖1所示的完成後的電極版圖。

圖1

套用意義

橫向自旋閥是為實現自旋軌道控制的磁開關而研發的，必須尋找具有巨 Rashba 效應或 GSHE 的材料。這 2 個效應分別用 Rashba 係數和自旋霍爾角描述。對於 Rashba 類 型的 SOI，SOT 可等效成一個有效場的力矩。可推導出這個有效場，並證明其與 Rashba 係數成正比，即 SOT 正比於 Rashba 係數。文獻[14]指出，提高 Rashba 係數的途徑是採用非磁金屬組合，如 Bi/Ag， 其 Rashba 係數可達 3×10-9eVm，或者採用鐵磁體與重金屬的組合。石墨烯的 SOI 比較弱，但在石墨烯表面沉積銅可有效提高其 SOI 強度。

同樣，SHT 正比於自旋霍爾角。一般材料的自旋霍爾角都小於 0.1，重金屬的自旋霍爾角雖然大，但如前所述，這些金屬屬於貴重材料，不適合大規模生產。常規金屬中只有 CuBi 的自旋霍爾角超過 0.1。

顯然，自旋霍爾角這樣的參數是材料的標誌性參數。如何準確測量這些標誌性參數成為實驗和理論研究的重要內容。在這方面，逆自旋霍爾效應起到了至關緊要的作用。通過將純自旋電流注入具有 GSHE 的某種材料，則由於逆自旋 霍爾效應 (inverse SHE，ISHE)，在這種材料的兩端會產生一定的直流電壓，測量此直流電壓可以 獲得這種材料的霍爾角。目前關於逆自旋霍爾信號的計算的報導還很少。所以是一個值得深入探 索的問題。 自旋閥結構中的電子輸運性質依賴於自由層 F1 和釘扎層 F2 的相對磁化取向。所謂巨磁阻就 是定義為 F1 和 F2 反平行和平行情況下磁阻的 差。在此基礎上形成了非共線磁電子學。本文研 究 F1 和 F2 相對磁化取向在平行和反平行之間 時，逆自旋霍爾信號的變化情況。

發展前景

在橫向自旋閥的製造上提出利用新型的橫向磁場熱退火工藝來降低自旋閥材料的矯頑力，為高性能的GMR感測器提供了核心材料。其次，系統地研究了自旋閥的單疇模型，運用能量極小的方法計算得到了自旋閥的磁場回響曲線，與實驗結果吻合。對基本的單疇模型進行修正得到非平行易磁化軸自旋閥單疇模型和變磁場角自旋閥單疇模型，提出用非平行易磁化軸單疇模型解釋橫向退火工藝，得到此工藝對自旋閥的影響的經驗公式。然後，在單疇模型的指導下，對GMR單條感測器、GMR磁柵尺感測器和GMR線性電橋感測器進行了版圖和工藝設計，利用高性能自旋閥薄膜材料，採用三步光刻法和五步光刻法，在半導體工藝線上流水製造出這三種GMR感測器。經過多次流水，感測器成品率高。通過橫向退火工藝降低GMR感測器的矯頑力，然後系統地測試了三種感測器的磁場回響和GMR單條感測器的角度回響、均勻性和噪聲等性能參數。結果表明，GMR單條感測器和GMR磁柵尺感測器性能良好，而GMR線性電橋感測器線性範圍為30.35Oe，靈敏度為1.61mV/Oe-V，線性擬合度為99.952%，達到國際先進水平。最後搭建了弱磁線性檢測系統、磁柵尺位移檢測系統和生物免疫磁球檢測系統三種檢測系統，其中磁柵尺位移檢測系統已經作為產品投入市場。