[科普中國(guó)]-橫向自旋閥

橫向自旋閥是自旋電子領(lǐng)域的自旋邏輯器件，該器件的尺寸在納米級(jí)，制作工藝精細(xì)且復(fù)雜，具有很廣闊的發(fā)展前景。

概述橫向自旋閥是目前最重要的一種自旋器件。本文綜述石墨烯作為橫向自旋閥溝道材料的研究進(jìn)展。雖然石墨烯作為橫向自旋閥溝道材料的研究的報(bào)道已經(jīng)很多，但是對(duì)于其電阻率、自旋壽命、自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度、自旋霍爾角、自旋信號(hào)以及與其他材料的接觸電阻等參數(shù)的確定仍有問題。目前實(shí)驗(yàn)獲得的這些數(shù)據(jù)差別較大，影響因素尚不清晰。另外理論工作相對(duì)缺乏。這些問題將影響石墨烯在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用，需要進(jìn)一步深入研究。

發(fā)展背景橫向自旋閥的主要材料是石墨烯。石墨烯電阻率極低，即電導(dǎo)率極高(它的電 導(dǎo)率比銅還高)。石墨烯具有高電子遷移率、可調(diào)載流子濃度等性質(zhì)。有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率超高。有優(yōu)異的機(jī)械性能，比如，它是一種超硬的材料。第四，相比較其他材料，它的自旋軌道相互作用極其小。這意味著其自旋很少與軌道移動(dòng)產(chǎn)生相互作用，所以石墨自旋所儲(chǔ)藏的信息就能夠比其他材料持續(xù)更長(zhǎng)久。第五，自旋輸運(yùn)方面，其室溫自旋壽命很高，理論預(yù)測(cè)純石墨烯的自旋壽命在 1 微秒左右，其室溫自旋輸運(yùn)相干擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)數(shù)微米，是自旋電子學(xué)應(yīng)用的理想材料。應(yīng)用方面，利用自旋，石墨烯自旋轉(zhuǎn)移力矩(Spin Transfer Torque ,STT) 的邏輯器件可用于信息處理?；谑┑淖孕娮悠骷呀?jīng)提出很多。石墨烯橫向自旋閥(lateral spin valve，LSV)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)自旋晶體管、自旋磁開關(guān)等器件的基礎(chǔ)。 這些器件的基礎(chǔ)都是自旋電流的操控。包括自旋流產(chǎn)生、自旋流輸運(yùn)、自旋流探測(cè)等。1

制備工藝光刻在橫向自旋閥的制備工藝中主要被用于制備寬度較為大的電極。其具體的制備工藝步驟如下：

1. 基底清洗：選用覆蓋有3000埃氧化硅絕緣襯底的硅片，切至約1cm*1cm大小。首先用丙酮（Acetone）浸沒，超聲十分鐘；用氣槍吹干后，再用異丙醇（IPA）浸沒，進(jìn)行第二次超聲清洗；氣槍吹干后觀察表面是否殘留污漬。

2. 勻膠：使用勻膠機(jī)利用底部真空吸力吸住襯底；取適量光刻膠（一般，我們使用AZ3000）滴于襯底上，并以4000轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)1分鐘，利用離心力讓光刻膠均勻覆蓋在襯底表面；隨后以100℃的溫度烘烤1分鐘，去掉光刻膠中多余的溶劑和水分。一般的，我們可以得到1.4微米左右的膠厚。

3. 曝光：利用一臺(tái)步進(jìn)式光刻機(jī)進(jìn)行曝光；將襯底定在樣品臺(tái)上，并將光刻版對(duì)準(zhǔn)襯底（由于是第一步光刻，不需要按照套刻標(biāo)記進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)），用波長(zhǎng)在320-380nm范圍內(nèi)的紫外光透過光刻版照射襯底6秒鐘，光刻正膠的曝光部分即被分解為可以溶解的羧酸等物質(zhì)。

4. 顯影：將曝光完后的片子浸沒在AZ3000自帶的顯影液中，不斷輕晃，時(shí)間為1分鐘；隨后將片子放入去離子水中清洗，時(shí)間為30秒；最后用氣槍吹干。此時(shí)，光刻部分已經(jīng)完成，我們可以得到如下圖4-3所示的完成后的電極版圖。

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應(yīng)用意義橫向自旋閥是為實(shí)現(xiàn)自旋軌道控制的磁開關(guān)而研發(fā)的，必須尋找具有巨 Rashba 效應(yīng)或 GSHE 的材料。這 2 個(gè)效應(yīng)分別用 Rashba 系數(shù)和自旋霍爾角描述。對(duì)于 Rashba 類 型的 SOI，SOT 可等效成一個(gè)有效場(chǎng)的力矩?？赏茖?dǎo)出這個(gè)有效場(chǎng)，并證明其與 Rashba 系數(shù)成正比，即 SOT 正比于 Rashba 系數(shù)。文獻(xiàn)[14]指出，提高 Rashba 系數(shù)的途徑是采用非磁金屬組合，如 Bi/Ag， 其 Rashba 系數(shù)可達(dá) 3×10-9eVm，或者采用鐵磁體與重金屬的組合。石墨烯的 SOI 比較弱，但在石墨烯表面沉積銅可有效提高其 SOI 強(qiáng)度。

同樣，SHT 正比于自旋霍爾角。一般材料的自旋霍爾角都小于 0.1，重金屬的自旋霍爾角雖然大，但如前所述，這些金屬屬于貴重材料，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。常規(guī)金屬中只有 CuBi 的自旋霍爾角超過 0.1。

顯然，自旋霍爾角這樣的參數(shù)是材料的標(biāo)志性參數(shù)。如何準(zhǔn)確測(cè)量這些標(biāo)志性參數(shù)成為實(shí)驗(yàn)和理論研究的重要內(nèi)容。在這方面，逆自旋霍爾效應(yīng)起到了至關(guān)緊要的作用。通過將純自旋電流注入具有 GSHE 的某種材料，則由于逆自旋 霍爾效應(yīng) (inverse SHE，ISHE)，在這種材料的兩端會(huì)產(chǎn)生一定的直流電壓，測(cè)量此直流電壓可以 獲得這種材料的霍爾角。目前關(guān)于逆自旋霍爾信號(hào)的計(jì)算的報(bào)道還很少。所以是一個(gè)值得深入探 索的問題。 自旋閥結(jié)構(gòu)中的電子輸運(yùn)性質(zhì)依賴于自由層 F1 和釘扎層 F2 的相對(duì)磁化取向。所謂巨磁阻就 是定義為 F1 和 F2 反平行和平行情況下磁阻的 差。在此基礎(chǔ)上形成了非共線磁電子學(xué)。本文研 究 F1 和 F2 相對(duì)磁化取向在平行和反平行之間 時(shí)，逆自旋霍爾信號(hào)的變化情況。

發(fā)展前景在橫向自旋閥的制造上提出利用新型的橫向磁場(chǎng)熱退火工藝來降低自旋閥材料的矯頑力，為高性能的GMR傳感器提供了核心材料。其次，系統(tǒng)地研究了自旋閥的單疇模型，運(yùn)用能量極小的方法計(jì)算得到了自旋閥的磁場(chǎng)響應(yīng)曲線，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。對(duì)基本的單疇模型進(jìn)行修正得到非平行易磁化軸自旋閥單疇模型和變磁場(chǎng)角自旋閥單疇模型，提出用非平行易磁化軸單疇模型解釋橫向退火工藝，得到此工藝對(duì)自旋閥的影響的經(jīng)驗(yàn)公式。然后，在單疇模型的指導(dǎo)下，對(duì)GMR單條傳感器、GMR磁柵尺傳感器和GMR線性電橋傳感器進(jìn)行了版圖和工藝設(shè)計(jì)，利用高性能自旋閥薄膜材料，采用三步光刻法和五步光刻法，在半導(dǎo)體工藝線上流水制造出這三種GMR傳感器。經(jīng)過多次流水，傳感器成品率高。通過橫向退火工藝降低GMR傳感器的矯頑力，然后系統(tǒng)地測(cè)試了三種傳感器的磁場(chǎng)響應(yīng)和GMR單條傳感器的角度響應(yīng)、均勻性和噪聲等性能參數(shù)。結(jié)果表明，GMR單條傳感器和GMR磁柵尺傳感器性能良好，而GMR線性電橋傳感器線性范圍為30.35Oe，靈敏度為1.61mV/Oe-V，線性擬合度為99.952%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。最后搭建了弱磁線性檢測(cè)系統(tǒng)、磁柵尺位移檢測(cè)系統(tǒng)和生物免疫磁球檢測(cè)系統(tǒng)三種檢測(cè)系統(tǒng)，其中磁柵尺位移檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)作為產(chǎn)品投入市場(chǎng)。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)