電子自旋器件

將自旋屬性引入半導體器件中，用電子電荷和自旋共同作為信息的載體，稱為電子自旋器件，已研製成功的自旋電子器件包括巨磁電阻、自旋閥、磁隧道結和磁性隨機存取存儲器。

基本介紹

• 中文名：電子自旋器件
• 外文名：Electron spin device
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：自旋電子學
• 特點：自旋屬性引入半導體器件
• 分類：巨磁電阻、自旋閥、磁隧道結等

電子自旋器件簡介

電子除了具有電荷的屬性外，還具有內稟自旋角動量，在外磁場中，不僅受洛侖茲力的作用，還通過內稟磁矩和外場發生耦合。將自旋屬性引入半導體器件中，用電子電荷和自旋共同作為信息的載體，將會發展出新一代的器件，稱為電子自旋器件。這種新的器件利用自旋相關的效應（載流子的自旋和材料的磁學性質相互作用），同時結合標準的半導體技術，將具有非揮發、低功耗、高速和高集成度的優點。

自旋電子器件的發展和套用

由於自旋電子器件比傳統電子器件具有諸多優點，所以，自Baibich等人報導巨磁阻效應後，國際上就開始了自旋電子器件的研製。自旋電子器件主要是基於鐵磁金屬，已研製成功的自旋電子器件包括巨磁電阻、自旋閥和磁隧道結和磁性隨機存取存儲器。

對於普通金屬和半導體，自旋向上和自旋向下的電子在數量上是一樣的，所以傳統的金屬電子論往往忽略電子的自旋自由度。但是對於鐵磁金屬，情況則不同。在鐵磁金屬中，電子的能帶分成兩個子帶，自旋向上子帶和自旋向下子帶。這兩個子帶形狀幾乎相同，只在能量上有一個位移，這是由於鐵磁金屬中存在交換作用的結果。正是由於兩個子帶在能量上的差別，使得兩個子帶的占據情況並不相同。在費米面處，自旋向上和自旋向下的電子態密度也是不同的。這樣在鐵磁金屬中，參與輸運的兩種取向的電子在數量上是不等的，所以傳導電流也是自旋極化的。同時由於兩個子帶在費米面處的電子態密度不同，不同自旋取向的電子在鐵磁金屬中受到的散射也是不同的。因此在系統中，如果存在鐵磁金屬，兩種自旋取向的電子的輸運特性也有著顯著的差別。基於鐵磁金屬的自旋電子器件正是利用上述的電子特性設計而成的。

器件類型

巨磁電阻

早在1857年W. Thomson（開爾文勳爵）就在鐵和鎳中發現了磁電阻效應，即在磁場作用下，鐵磁性金屬內部電子自旋方向發生改變而導致電阻改變的現象。由於磁化方向的導電電阻升高而垂直方向的電阻降低，故稱之為各向異性磁電阻（AnisotropicMaganetoresistance，AMR）。1998年，Fe/Cr金屬多層膜在外磁場中電阻變化率高達50%的巨磁電阻效應（GMR）被發現，各國科學家開始從理論和實驗上對多層膜GMR效應展開了廣泛而深人的研究。GMR產生機製取決於非鐵磁層兩邊的鐵磁層中電子的磁化方向，用於隔離鐵磁層的非鐵磁層，只有幾個納米厚，甚至不到一個納米。當這個隔離層的厚度是一定的數值時，鐵磁層的磁矩自發地呈現反平行;而加到材料的外磁場足夠大時，鐵磁材料磁矩的方向變為相互平行。電子通過與電子平均自由程相當厚度的納米鐵磁薄膜時，自旋磁矩的取向與薄膜磁化方向一致的電子較易通過，自旋磁矩的取向與薄膜磁化方向不一致的電子難以通過。因此，當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大，從而使磁電阻發生很大變化。

自旋閥

對於反鐵磁耦合的多層膜，需要很高的外磁場才能觀察到GMR效應，故並不適用於器件套用。在GMR效應基礎上，人們設計出了自旋閥，使相鄰鐵磁層的磁矩不存在（或只存在很小的）交換耦合。自旋閥的核心結構是兩邊為鐵磁層，中間為較厚的非鐵磁層構成的GMR多層膜。其中，一邊的鐵磁層矯頑力大，磁矩固定不變，稱為被釘扎層；而另外一層鐵磁層的磁矩對小的外加磁場即可回響，為自由層。由於被釘扎層的磁矩與自由層的磁矩之間的夾角發生變化導致GMR的電阻值改變。如此，在較低的外磁場下相鄰鐵磁層磁矩能夠在平行與反平行排列之間變換，從而引起磁電阻的變化。自旋閥結構的出現使得巨磁電阻效應的套用很快變為現實。最常用的“頂部釘扎自旋閥"（top spin-valve）的具體結構如圖所示。

自旋閥疊層結構示意圖

其中，緩衝層可使鍍膜有較佳的晶體成長方向，也稱之為種子層。自由層由易磁化的軟磁材料所構成。中間夾層為非鐵磁性材料，目的為了無外加磁場時，讓上下兩鐵磁層無耦合作用。被釘扎層被固定磁化方向的鐵磁性材料。釘扎層用於固定“被釘扎層”磁化方向的反鐵磁性材料。

磁隧道結

非磁層為絕緣體或半導體的磁性多層膜即磁性隧道結。通常，磁性隧道結是由兩層納米磁性金屬薄膜和它們所夾的一層氧化物絕緣層，厚度約為1~1. 5納米，如圖所示。

磁隧道結結構示意圖

這種磁性隧道結在橫跨絕緣層的電壓作用下，其隧道電流和隧道電阻依賴於兩個鐵磁層磁化強度的相對取向。如果兩鐵磁電極的磁化方向平行，則一個電極中費米能級處的多數自旋態電子將進入另一個電極中的多數自旋態的空態，同時少數自旋態電子也從一個電極進人另一個電極的少數自旋態的空態。即磁化平行時，兩個鐵磁電極材料的能帶中多數電子自旋相同，費米面附近可填充態之間具有最大匹配程度，因而具有最大隧道電流。如果兩電極的磁化反平行，則一個電極中費米能級處的多數自旋態的自旋角動量方向與另一個電極費米能級處的少數自旋態的自旋角動量平行，隧道電導過程中一個電極中費米能級處占據多數自旋態的電子必須在另一個電極中尋找少數自旋態的空態，因而其隧道電流變為最小。通過絕緣層勢壘的隧穿電子是自旋極化的，可觀測到大的隧穿磁電阻（TMR）。同時，磁隧道結還具有低功率損耗、低飽和場等特點。MTJ技術已用於製備比自旋閥更先進的磁碟讀出頭，得到的磁記錄密度最高約為200Gb每平方英寸。

磁性隨機存取存儲器

巨磁電阻材料的出現，使得MRAM作為計算機記憶體晶片的構想自然被提出，用於取代體積大速度慢的磁芯隨機存儲器。

MRAM的結構示意圖

MRAM結構是採用納米技術，把沉積在基片上的GMR薄膜或TMR薄膜製成圖形陣列，形成存儲單元，以相對的兩磁性層的平行磁化狀態和反平行磁化狀態分別代表信息“1”和“0"。結構如圖所示。

若將上下兩層導線通電流，則可視為記憶單元置於相互垂直的磁場中。若要在其中一個記憶單元寫人資料，例如第一行第一列，則將電流通過第一行的word線，加的電流只比臨界值要低一點，此時再加上一小電流到第一列的bit線，就會使得此記憶元的自由層磁化方向翻轉，從而完成信息的寫人。通過改變兩鐵磁層的相對磁化方向，磁致電阻（MR）就會發生變化。電阻一旦變大，通過它的電流就會變小，反之亦然。因此，只需用一個三極體來判斷加電時的電流數值就能夠判斷鐵磁層磁化方向的兩種不同狀態，讀出“0”和“1"。

MRAM是一種非揮發性、隨機存取、長效性和高速性的存取器。鐵磁體的磁性不會由於掉電而消失，所以它並不像一般的記憶體一樣具有揮發性。關掉電源後，MRAM仍可以保持記憶完整;中央處理器讀取資料時，不一定要從頭開始，隨時可用相同的速率從記憶體的任何位置讀寫信息；MRAM的數據以磁性為依據，以“0”或“1”為形式，而鐵磁體的磁性幾乎是永遠不消失的，因此存儲的數據具有永久性；磁阻記憶體存儲的數據直到被外界的磁場影響之後，才會改變這個磁性數據，幾乎可以無限次地重寫；MARM的存取速度高達25到100ns。MRAM的核心技術主要包括高MR比值的磁性材料結構，降低位元尺寸，讀寫的架構及方法等。