[发明专利]单电子磁电阻结构及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及磁性存储和自旋电子学领域，尤其涉及单电子磁电阻结构及其自旋二极管、自旋晶体管、传感器、磁性随机存取存储器和磁逻辑器件单元。

背景技术

通常的磁电阻结构由铁磁/非磁/铁磁的层状三明治结构构成，当两磁性电极磁化方向平行和反平行时将导致电阻的变化，称为磁电阻效应。其中中间非磁性层分别为非磁金属或绝缘势垒时对应巨磁电阻(GiantMagnetoresistance-GMR)和隧穿磁电阻(Tunneling Magnetoresistance-TMR)结构，例如Co/Cu/Co和CoFeB/AlOx/CoFeB。然而这两类磁电阻结构在100纳米尺度下的信噪比仍然相对较低、功耗较高，已不能适应未来人们进一步发展更高密度和小型化自旋电子学器件的要求。所以产业界迫切需求进一步提高磁阻单元的磁电阻以提高信噪比，并且同时要做到显著降低功耗。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种信噪比较高且低功耗的基于库仑阻塞的GMR多层量子点磁电阻结构。

本发明的另一个目的是提供另一种信噪比较高且低功耗的基于库仑阻塞的双势垒磁性量子点结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一个方面，提供一种GMR量子点单电子隧穿磁阻结构，其包括一衬底，及其上的底部导电层、第一势垒层、GMR磁性量子点层、第二势垒层、顶部导电层。

在上述技术方案中，所述GMR磁性量子点层包括量子点和填充在量子点之间的势垒材料，该量子点横向尺寸为0.5～100nm，并且该量子点具有铁磁层/非磁金属层/铁磁层或半金属层/非磁金属层/半金属层的结构，其中所述铁磁层厚度为0.4～10nm，非磁金属层厚度为0.4～5nm，半金属层厚度为0.4～10nm。

在上述技术方案中，所述顶部和底部导电层为非磁金属材料、铁磁性金属材料、半金属磁性材料或磁性半导体材料，厚度为1～500nm。

在上述技术方案中，所述第一、第二势垒层和填充在量子点中的所述势垒材料包括金属氧化物绝缘膜、NaCl薄膜、金属氮化物绝缘膜、CMR绝缘材料、类金刚石薄膜或由半导体材料制成，厚度为0.5～5.0nm；或为有机绝缘和有机半导体膜，厚度为1～200nm。

根据本发明的第二个方面，提供一种双势垒磁性量子点结构，包括核心膜层，其中，所述核心膜层从下至上包括：底部电极、第一势垒层、磁性量子点层、第二势垒层以及顶部电极。

在上述技术方案中，所述底部和顶部电极包括非磁金属材料，厚度为1～500nm；所述的非磁金属材料包括Au、Pt、Cu、Ru、Al、Cr、Ta、Ag或其合金；

在上述技术方案中，所述底部和顶部电极包括铁磁性金属材料、半金属磁性材料或磁性半导体材料，厚度为1～500nm。

在上述技术方案中，所述磁性量子点层包括量子点和填充在量子点之间的势垒材料，所述量子点可以由铁磁性材料、半金属磁性材料、或者磁性半导体材料制成，其横向和纵向尺寸为0.5～100nm。

在上述技术方案中，所述第一和第二势垒层及填充在量子点之间的所述势垒材料采用金属氧化物绝缘膜、NaCl薄膜、金属氮化物绝缘膜、CMR绝缘材料、类金刚石薄膜或半导体材料制成，厚度为0.5～5.0nm；或为有机绝缘和有机半导体膜，厚度为1～200nm。

根据本发明的第三个方面，提供一种自旋二极管，其中包括上述任一GMR量子点单电子隧穿磁阻结构和上述任一双势垒磁性量子点结构。

根据本发明的第四个方面，提供一种自旋晶体管，包括发射极、集电极和基极，其中：

所述发射极为上述任一GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构中的顶部导电层；

所述集电极为该GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构中的底部导电层；

所述基极为该GMR量子点单电子隧穿磁电阻结构中的GMR量子点层。

根据本发明的第五个方面，提供一种自旋晶体管，包括发射极、集电极和基极，其中：

所述发射极为上述任一双势垒磁性量子点磁阻结构中的顶部电极；

所述集电极为该双势垒磁性量子点磁阻结构中的底部电极；

所述基极为该双势垒磁性量子点磁阻结构中的磁性量子点层。

根据本发明的第六个方面，提供一种传感器，包括磁电阻单元，其中，所述磁电阻单元为上述任一GMR量子点单电子隧穿磁阻结构，或上述任一双势垒磁性量子点磁阻结构。