[科普中国]-电子自旋器件

将自旋属性引入半导体器件中，用电子电荷和自旋共同作为信息的载体，称为电子自旋器件，已研制成功的自旋电子器件包括巨磁电阻、自旋阀、磁隧道结和磁性随机存取存储器。

电子自旋器件简介电子除了具有电荷的属性外，还具有内禀自旋角动量，在外磁场中，不仅受洛仑兹力的作用，还通过内禀磁矩和外场发生耦合。将自旋属性引入半导体器件中，用电子电荷和自旋共同作为信息的载体，将会发展出新一代的器件，称为电子自旋器件。这种新的器件利用自旋相关的效应（载流子的自旋和材料的磁学性质相互作用），同时结合标准的半导体技术，将具有非挥发、低功耗、高速和高集成度的优点。

自旋电子器件的发展和应用由于自旋电子器件比传统电子器件具有诸多优点，所以，自Baibich等人报道巨磁阻效应后，国际上就开始了自旋电子器件的研制。自旋电子器件主要是基于铁磁金属，已研制成功的自旋电子器件包括巨磁电阻、自旋阀和磁隧道结和磁性随机存取存储器。

对于普通金属和半导体，自旋向上和自旋向下的电子在数量上是一样的，所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度。但是对于铁磁金属，情况则不同。在铁磁金属中，电子的能带分成两个子带，自旋向上子带和自旋向下子带。这两个子带形状几乎相同，只在能量上有一个位移，这是由于铁磁金属中存在交换作用的结果。正是由于两个子带在能量上的差别，使得两个子带的占据情况并不相同。在费米面处，自旋向上和自旋向下的电子态密度也是不同的。这样在铁磁金属中，参与输运的两种取向的电子在数量上是不等的，所以传导电流也是自旋极化的。同时由于两个子带在费米面处的电子态密度不同，不同自旋取向的电子在铁磁金属中受到的散射也是不同的。因此在系统中，如果存在铁磁金属，两种自旋取向的电子的输运特性也有着显著的差别。基于铁磁金属的自旋电子器件正是利用上述的电子特性设计而成的。1

器件类型巨磁电阻早在1857年W. Thomson（开尔文勋爵）就在铁和镍中发现了磁电阻效应，即在磁场作用下，铁磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象。由于磁化方向的导电电阻升高而垂直方向的电阻降低，故称之为各向异性磁电阻（AnisotropicMaganetoresistance，AMR）。1998年，Fe/Cr金属多层膜在外磁场中电阻变化率高达50%的巨磁电阻效应（GMR）被发现，各国科学家开始从理论和实验上对多层膜GMR效应展开了广泛而深人的研究。GMR产生机制取决于非铁磁层两边的铁磁层中电子的磁化方向，用于隔离铁磁层的非铁磁层，只有几个纳米厚，甚至不到一个纳米。当这个隔离层的厚度是一定的数值时，铁磁层的磁矩自发地呈现反平行;而加到材料的外磁场足够大时，铁磁材料磁矩的方向变为相互平行。电子通过与电子平均自由程相当厚度的纳米铁磁薄膜时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过。因此，当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，从而使磁电阻发生很大变化。

自旋阀对于反铁磁耦合的多层膜，需要很高的外磁场才能观察到GMR效应，故并不适用于器件应用。在GMR效应基础上，人们设计出了自旋阀，使相邻铁磁层的磁矩不存在（或只存在很小的）交换耦合。自旋阀的核心结构是两边为铁磁层，中间为较厚的非铁磁层构成的GMR多层膜。其中，一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为被钉扎层；而另外一层铁磁层的磁矩对小的外加磁场即可响应，为自由层。由于被钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致GMR的电阻值改变。如此，在较低的外磁场下相邻铁磁层磁矩能够在平行与反平行排列之间变换，从而引起磁电阻的变化。自旋阀结构的出现使得巨磁电阻效应的应用很快变为现实。最常用的“顶部钉扎自旋阀"（top spin-valve）的具体结构如图所示。

其中，缓冲层可使镀膜有较佳的晶体成长方向，也称之为种子层。自由层由易磁化的软磁材料所构成。中间夹层为非铁磁性材料，目的为了无外加磁场时，让上下两铁磁层无耦合作用。被钉扎层被固定磁化方向的铁磁性材料。钉扎层用于固定“被钉扎层”磁化方向的反铁磁性材料。

磁隧道结非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜即磁性隧道结。通常，磁性隧道结是由两层纳米磁性金属薄膜和它们所夹的一层氧化物绝缘层，厚度约为1~1. 5纳米，如图所示。

这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。如果两铁磁电极的磁化方向平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极中的多数自旋态的空态，同时少数自旋态电子也从一个电极进人另一个电极的少数自旋态的空态。即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度，因而具有最大隧道电流。如果两电极的磁化反平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态的自旋角动量方向与另一个电极费米能级处的少数自旋态的自旋角动量平行，隧道电导过程中一个电极中费米能级处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态，因而其隧道电流变为最小。通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的，可观测到大的隧穿磁电阻（TMR）。同时，磁隧道结还具有低功率损耗、低饱和场等特点。MTJ技术已用于制备比自旋阀更先进的磁盘读出头，得到的磁记录密度最高约为200Gb每平方英寸。

磁性随机存取存储器巨磁电阻材料的出现，使得MRAM作为计算机内存芯片的设想自然被提出，用于取代体积大速度慢的磁芯随机存储器。

MRAM结构是采用纳米技术，把沉积在基片上的GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列，形成存储单元，以相对的两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0"。结构如图所示。

若将上下两层导线通电流，则可视为记忆单元置于相互垂直的磁场中。若要在其中一个记忆单元写人资料，例如第一行第一列，则将电流通过第一行的word线，加的电流只比临界值要低一点，此时再加上一小电流到第一列的bit线，就会使得此记忆元的自由层磁化方向翻转，从而完成信息的写人。通过改变两铁磁层的相对磁化方向，磁致电阻（MR）就会发生变化。电阻一旦变大，通过它的电流就会变小，反之亦然。因此，只需用一个三极管来判断加电时的电流数值就能够判断铁磁层磁化方向的两种不同状态，读出“0”和“1"。

MRAM是一种非挥发性、随机存取、长效性和高速性的存取器。铁磁体的磁性不会由于掉电而消失，所以它并不像一般的内存一样具有挥发性。关掉电源后，MRAM仍可以保持记忆完整;中央处理器读取资料时，不一定要从头开始，随时可用相同的速率从内存的任何位置读写信息；MRAM的数据以磁性为依据，以“0”或“1”为形式，而铁磁体的磁性几乎是永远不消失的，因此存储的数据具有永久性；磁阻内存存储的数据直到被外界的磁场影响之后，才会改变这个磁性数据，几乎可以无限次地重写；MARM的存取速度高达25到100ns。MRAM的核心技术主要包括高MR比值的磁性材料结构，降低位元尺寸，读写的架构及方法等。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学