北航&剑桥大学Appl. Phys. Rev.: 六方氮化硼作为磁隧穿结绝缘层与传统氧化镁的对比

在信息存储密度需求呈爆炸式增长的背景下，磁存储器与遵守摩尔定律的逻辑运算器件一样需要进行尺寸微缩。传统的块体材料在纳米尺度会受到量子限制效应、界面断键等影响，而二维材料独特的结构可以免于以上影响，因此可以作为未来存储器的候选材料。北京航空航天大学集成电路科学与工程学院卢海昌副教授与剑桥大学工程系John Robertson院士等探究了尺寸微缩对于自旋转移矩磁存储器（STT-MRAM）材料选择的影响，采用第一性原理计算对比了传统钴铁硼氧化镁结构（CoFeB-MgO）与二维材料六方氮化硼（h-BN）在各方面的差异。本工作被选为编辑推荐，收录于Applied Physics Review.

STT-MRAM是目前工业界领先的存储架构，集非易失性、抗辐射、高稳定性、低动态功耗、即时开闭、无限次高速读写等一系列优点于一身。传统钴铁硼-氧化镁磁隧穿结（MTJ）具有垂直各向异性，是目前STT-MRAM的组成材料。氧化镁作为磁隧穿结中的绝缘层是一个里程碑式的发现。不同轨道的电子在氧化镁中衰减系数具有差异，决定隧穿磁阻比的主要是Δ₁能带，它的隧穿磁阻（TMR）远远高于上一代无定形氧化铝隧穿结。Yuasa使用分子束外延技术（MBE）制得高TMR的隧穿结，在界面处垂直各向异性显著。另一个里程碑式的发现是无定形钴铁硼合金在氧化镁与钽之间的溅射工艺，热淬火使得硼原子从铁钴合金中扩散到钽中。另一方面，尺寸微缩要求电极具有垂直各向异性，减少钴铁硼的厚度至1.5纳米可以实现。这一工艺目前是工业界制造磁随机存储器的标准。

图一 铁的各个d轨道电子在氧化镁中的杂化与衰减

在尺寸微缩的背景下，传统块体材料的界面悬挂键、厚度不一、针孔等问题逐渐显著。因此，可以考虑使用二维材料代替，有效解决以上问题。本文探讨在下一代存储器中加入二维六方氮化硼的可行性，总结了它的生长方法、能带结构特性，计算了界面效应对于自旋输运的影响。

h-BN作为宽禁带半导体，具有高稳定性、表面平整不带悬挂键等优点，相比于六方氮化铝与氮化镓，它的表面薄膜更不容易出现褶皱。不同于氧化镁的立方结构，六角晶格结构具有布里渊区自旋过滤方式（图二），对于费米能级所在位置、界面接触构型非常敏感。因此对于氮化硼界面的深入研究很重要。本文研究了各种物理吸附以及化学吸附的界面（图三），分析出了界面对于肖特基势垒、费米钉扎的影响（图四），颠覆了费米钉扎强度只是半导体本征性质这一认知。

图二 h-BN的complex band structure

图三 不同类型的接触界面以及吸附能，(a)为化学吸附，(b)(c)为物理吸附

图四 肖特基势垒随着界面间距的变化，界面的偶极子对此的影响

第一性原理研究金属绝缘体界面会遇到传统GGA方法无法正确描述绝缘体能带结构的问题。常见的解决方式如利用杂化泛函，虽然可以半经验地修正半导体以及绝缘体的能隙，却会得到错误的金属电子结构。本文介绍了一种可以兼顾金属与绝缘体能带结构的方法，只修正绝缘体的交换关联泛函，获得金属与绝缘体界面的联合能带(图五)。利用此方法，还发现了界面对于电子隧穿方式的影响，物理吸附界面的TMR远远高于化学吸附界面（图六）。

图五 不同界面构型的能带结构，以及氮化硼的p-bands

图六 化学吸附界面与物理吸附界面隧穿特性的不同

小结

1. 目前氮化硼的生长方法是化学气相沉积法（CVD），这种方法使得氮化硼两边界面的接触类型不一致。第一性原理计算表明这两种界面的肖特基势垒有2eV的差异，MTJ两边需要具有对称性。在未来可以被原子层沉积方法（ALD）代替，降低生长温度，使得两组界面的接触类型一致。

图七 氮化硼MTJ的现有生长温度以及未来目标生长温度

2. 氮化硼相比于氧化镁更加不易受潮。

3. 六角晶格3-fold结构相比于立方4-fold结构的区别是会混合在绝缘体中不同轨道的evanescent states，第一性原理计算发现TMR依赖于界面的类型，物理吸附界面的TMR更高，氮化硼MTJ的尺寸微缩技术路线比氧化镁更加复杂。

4. 与氧化镁相同的是，氮化硼的界面也具有垂直各向异性。然而界面类型对于垂直各向异性的影响还需更进一步的研究。

文献信息：

H Lu, J Robertson* and H Naganuma, Comparison of Hexagonal Boron Nitride and MgO Tunnel Barriers in Fe, Co Magnetic Tunnel Junctions.Appl. Phys. Rev.8, 031307(2021). DOI: 10.1063/5.0049792

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