基于磁化强度梯度的全电学自旋轨道力矩型器件及其制备方法和应用

本发明涉及自旋电子学，更具体地，涉及基于磁化强度梯度的全电学自旋轨道力矩型器件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、自旋轨道力矩(sot)效应是一种在微纳尺度上利用电学方法高效调控局部磁矩的物理机制，为新型低功耗和非易失性自旋电子学器件的发展带来新的机遇。基于sot效应的磁性随机存储器(mram)具有快速读写、高密度、长寿命、低功耗和非易失性等优点。因此，sot-mram是新一代mram的发展方向。此外，自旋轨道力矩型器件通常还具有多阻态的电致磁化翻转曲线。基于自旋轨道力矩型器件可以实现对神经元突触激励激发功能的模拟，有望在类脑计算中起到重要作用。

2、然而，垂直易磁化材料的确定性磁化翻转通常需要施加平行于电流方向的外部磁场，实现对称性破缺，其依赖于面内外磁场的辅助，无疑增加了器件设计的复杂度、器件功耗以及器件小型化的难度，限制了相关器件实现产业化。为了实现不依赖外磁场的磁化翻转，目前主要通过引入交换偏置场、层间交换耦合作用、结构不对称性、极化铁电衬底等方法提供等效磁场来打破不对称性。但是这些方法制备的器件结构相对复杂，尤其是大晶圆尺度上均匀性难以保证，导致难以实现器件大规模生产。因此，寻找兼顾晶圆集成加工性和便捷性的方法来实现全电学自旋轨道力矩驱动磁化翻转是该领域的研究热点。

3、专利cn115697026a提出一种自旋轨道力矩型器件及磁存储器，其利用面内易磁化层和垂直易磁化层之间存在铁磁交换耦合作用，使得面内易磁化层和垂直易磁化层形成的整体具有倾斜的垂直磁各向异性。重金属层具有强自旋轨道耦合作用，能够通过自旋霍尔效应产生垂直方向上的纯自旋流并诱导垂直易磁化层发生磁化翻转。在不依赖外加磁场的条件下，自旋轨道力矩型器件可以实现全电学调控的定向磁化翻转；但是从磁滞回线、电流诱导磁化翻转曲线测试上看，其磁化性能、磁化翻转性能和鲁棒(robust)性有待提升。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有零场自旋轨道力矩型器件的晶圆级的均匀性差，磁化翻转性能较差的缺陷和不足，提供一种全电学自旋轨道力矩型器件。

2、本发明的另一目的是提供一种全电学自旋轨道力矩型器件的制备方法。

3、本发明的又一目的是提供一种上述全电学自旋轨道力矩型器件在制备自旋存储器或可编程逻辑器件中的应用。

4、本发明上述目的通过以下技术方案实现：

5、本发明保护一种全电学自旋轨道力矩型器件，依次包括基片、平滑层、第一垂直易磁化层、第二垂直易磁化层和重金属层；

6、所述第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层之间垂直交换耦合，且两者均具有垂直磁各向异性，所述第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层在垂直方向上的饱和磁化强度差值≥200emu/cm3。

7、本发明的全电学自旋轨道力矩型器件，通过第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层在垂直方向上的饱和磁化强度梯度，能够产生动态非共线自旋结构，进而产生等效dzyaloshinskii-moriya相互作用(dmi)有效磁场，打破了垂直方向上磁矩对于自旋流的对称性，在无需外磁场辅助下实现定向全电学自旋翻转。第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层存在强垂直交换耦合作用，可以克服退磁场影响将两磁性层的磁易轴始终保持在面外方向。此外，与其他零场sot方案相比，该自旋轨道力矩型器件不仅具备自旋力矩型器件的本征特性，还具有结构简单和高晶圆均匀性的显著优点。

8、在其中一些实施方式中，所述第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层在垂直方向上的饱和磁化强度差值为200～1400emu/cm3。

9、优选地，所述第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层在垂直方向上的饱和磁化强度差值为500～1300emu/cm3。

10、更优选地，所述第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层在垂直方向上的饱和磁化强度差值为800～1100emu/cm3。

11、在其中一些实施方式中，所述第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层的材料独立选自拥有高晶体质量和高垂直磁各向异性的铁磁金属或亚铁磁金属，且所述第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层的自旋极化度≥50％，各向异性能≥2×106erg/cm3。优选地，自旋极化度为50％～100％，各向异性能2×106erg/cm3～4×106erg/cm3。

12、在其中一些实施方式中，所述第一垂直易磁化层的材料选自fe、cofe、fept、co2mnsi、cofeb、d022-mn3ga、cotb和cogd中的至少一种。

13、在其中一些实施方式中，所述第二垂直易磁化层的材料选自fe、cofe、fept、co2mnsi、cofeb、d022-mn3ga、cotb和cogd中的至少一种。

14、在其中一些实施方式中，所述第一垂直易磁化层的厚度为0.5-6nm。

15、在其中一些实施方式中，第二垂直易磁化层的厚度分别为0.5-6nm。

16、在其中一些实施方式中，所述基片的材料选自gaas、si、玻璃、mgo、蓝宝石和sic中的至少一种。

17、在其中一些实施方式中，所述平滑层的材料选自gaas、si、mgo、cr、inas、ingaas、algaas、al、ta、coga和pd中的至少一种。

18、在其中一些实施方式中，所述重金属层的材料选自pt、ta和w中的至少一种。

19、在其中一些实施方式中，所述重金属层的厚度为1-20nm。

20、本发明保护一种全电学自旋轨道力矩型器件的制备方法，包括以下步骤：在基片依次沉积生长平滑层、第一垂直易磁化层、第二垂直易磁化层和重金属层，得到所述基于磁化强度梯度的全电学自旋轨道力矩型器件。

21、优选地，在衬底上生长平滑层的制备参数条件为：衬底温度为500-680℃，生长速率为8-12nm/min，厚度为100-300nm。

22、优选地，在平滑层上生长第一垂直易磁化层的制备参数条件为：将衬底温度降至150-250℃，在平滑层上生长第一垂直易磁化层，生长速率0.1-2nm/min，厚度为0.5-6nm，然后将衬底温度升至250-350℃，保持25-25min。

23、优选地，在第一垂直易磁化层上生长第二垂直易磁化层的其制备参数条件为：将衬底的温度降至150-250℃，在第一垂直易磁化层上生长第二垂直易磁化层，生长速率约0.1-2nm/min，厚度为0.5-6nm，升至250-350℃保持25-25min。

24、优选地，在第二垂直易磁化层上生长重金属层的制备参数条件为：将衬底温度降至0-100℃，打开电子束蒸发电源，加速电压为1-10kv，发射电流为80-130ma，薄膜沉积厚度为1-20nm，将衬底温度升至250-350℃保持25-25min。

25、本发明保护一种全电学自旋轨道力矩型器件在制备自旋存储器或可编程逻辑器件中的应用。所述全电学自旋轨道力矩型器件不仅具备传统自旋转移力矩型器件的低能耗和非易失性，还具有高响应速度、高热稳定性和结构简单的特点；适合应用于自旋存储器或可编程逻辑器件的制备中。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明提供一种全电学自旋轨道力矩型器件，通过第一垂直易磁化层和第二垂直易磁化层在垂直方向上的饱和磁化强度梯度，能够产生动态非共线自旋结构，进而产生等效dmi作用有效磁场，打破了垂直方向上磁矩对于自旋流的对称性，在无需外磁场辅助下实现定向全电学自旋翻转，并具有较强的鲁棒(robust)性。此外，与其他零场sot方案相比，该自旋轨道力矩型器件不仅具备自旋力矩型器件的本征特性，还具有结构简单和高晶圆均匀性的显著优点。