基于Fe3N/GaN异质结构的磁性隧道结的设计和制备方法与流程

本发明涉及一种基于fe3n/gan异质结构的磁性隧道结的设计和制备方法，属于信息工业领域。

背景技术：

磁隧道结是指在两块铁磁薄片之间夹一层厚度约为几纳米的极薄绝缘层，构成所谓的结元件。在铁磁材料中，由于量子力学交换作用，铁磁金属的3d轨道局域电子能带发生劈裂，使费米(fermi)面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度。在mtjs中，tmr效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。mtjs的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(fm/i/fm)的三明治结构。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，而通常两铁磁层的矫顽力不同，因此反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。

传统磁性隧道结的铁磁电极通常由fe等金属材料制备，因此铁磁电极与绝缘（半导体）隧穿层的电导不匹配，进而导致了自旋注入效率低。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出一种基于fe3n/gan异质结构的磁性隧道结的设计和制备方法。

基于fe3n/gan异质结构的磁性隧道结的设计和制备方法，所述磁性隧道结的设计，包括衬底，和依次设置在衬底上的铁磁电极、势垒层、铁磁电极、钉扎层、保护层；

所述制备方法包括如下步骤：

步骤1，将(0006)取向的单晶蓝宝石薄膜作为衬底，并用酒精在超声清洗仪内对其进行5分钟的清洗；

步骤2，在步骤1中的蓝宝石衬底上利用磁控溅射方法溅射一层(002)取向的fe3n薄膜，作为铁磁电极；

步骤3，将步骤2中所得的样品表面利用磁控溅射方法溅射一层gan薄膜，作为势垒层；

步骤4，将步骤3中所得的样品表面利用磁控溅射方法溅射一层(002)取向的fe3n薄膜，作为铁磁电极；

步骤5，将步骤4中所得的样品表面利用标准技术依次制备10nm厚的irmn钉扎层和5nm厚的ru保护层。

进一步地，其特征在于：所述步骤2中，利用磁控溅射方法溅射一层fe3n薄膜，其中，铁靶的纯度不低于99.99%，条件为载气：n2和ar2，n2流量：10sccm，ar2流量：90sccm，溅射压强：0.5pa，溅射功率：100w，溅射厚度：50nm，衬底温度：400ºc。

进一步地，其特征在于：所述步骤3中，利用磁控溅射方法溅射一层gan薄膜，其条件为载气：n2和ar2，n2流量：90sccm，ar2流量：10sccm，溅射压强：4pa，溅射功率：100w，溅射厚度：3nm，衬底温度：400ºc。

进一步地，所述步骤4中，利用磁控溅射方法溅射一层fe3n薄膜，其中，铁靶的纯度不低于99.99%，条件为载气：n2和ar2，n2流量：10sccm，ar2流量：90sccm，溅射压强：0.5pa，溅射功率：100w，溅射厚度：10nm，衬底温度：400ºc。

本发明通过对于材料的选择，使得铁磁电极与隧穿层的电导更匹配，进而提高自旋注入效率。

附图说明

图1为本发明所述的磁性隧道结的结构示意图。

图中，1-衬底，2-铁磁电极，3-势垒层，4-铁磁电极，5-钉扎层，6-保护层。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

基于fe3n/gan异质结构的磁性隧道结的设计和制备方法，所述磁性隧道结的设计，包括衬底1，和依次设置在衬底上的铁磁电极2、势垒层3、铁磁电极4、钉扎层5、保护层6。

所述制备方法包括如下步骤：

步骤1，将(0006)取向的单晶蓝宝石薄膜作为衬底1，并用酒精在超声清洗仪内对其进行5分钟的清洗。

步骤2，在步骤1中的蓝宝石衬底1上利用磁控溅射方法溅射一层(002)取向的fe3n薄膜，作为铁磁电极2。其中，铁靶的纯度不低于99.99%，条件为载气：n2和ar2，n2流量：10sccm，ar2流量：90sccm，溅射压强：0.5pa，溅射功率：100w，溅射厚度：50nm，衬底温度：400ºc。

步骤3，将步骤2中所得的样品表面利用磁控溅射方法溅射一层gan薄膜，作为势垒层3。其溅射条件为载气：n2和ar2，n2流量：90sccm，ar2流量：10sccm，溅射压强：4pa，溅射功率：100w，溅射厚度：3nm，衬底温度：400ºc。

步骤4，将步骤3中所得的样品表面利用磁控溅射方法溅射一层(002)取向的fe3n薄膜，作为铁磁电极4。其中，铁靶的纯度不低于99.99%，条件为载气：n2和ar2，n2流量：10sccm，ar2流量：90sccm，溅射压强：0.5pa，溅射功率：100w，溅射厚度：10nm，衬底温度：400ºc。

步骤5，将步骤4中所得的样品表面利用标准技术依次制备10nm厚的irmn钉扎层5和5nm厚的ru保护层6。

本发明通过对于材料的选择，使得铁磁电极与隧穿层的电导更匹配，进而提高自旋注入效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

技术特征：

技术总结
基于Fe3N/GaN异质结构的磁性隧道结的设计和制备方法，磁性隧道结的设计，包括衬底，和依次设置在衬底上的铁磁电极、势垒层、铁磁电极、钉扎层、保护层；制备方法包括如下步骤：步骤1，将单晶蓝宝石薄膜作为衬底，并用酒精在超声清洗仪内对其进行5分钟的清洗；步骤2，在步骤1中的蓝宝石衬底上利用磁控溅射方法溅射一层Fe3N薄膜，作为铁磁电极；步骤3，将步骤2中所得的样品表面溅射一层GaN薄膜，作为势垒层；步骤4，将步骤3中所得的样品表面溅射一层Fe3N薄膜，作为铁磁电极；步骤5，将步骤4中所得的样品表面利用标准技术依次IrMn钉扎层和Ru保护层。本发明通过对于材料的选择，使得铁磁电极与隧穿层的电导更匹配，进而提高自旋注入效率。

技术研发人员：方贺男;李影;彭祥;陶志阔
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2019.03.07
技术公布日：2019.06.07