北航&劍橋大學Appl. Phys. Rev.: 六方氮化硼作為磁隧穿結絕緣層與傳統氧化鎂的對比

在信息存儲密度需求呈爆炸式增長的背景下，磁存儲器與遵守摩爾定律的邏輯運算器件一樣需要進行尺寸微縮。傳統的塊體材料在納米尺度會受到量子限制效應、界面斷鍵等影響，而二維材料獨特的結構可以免于以上影響，因此可以作為未來存儲器的候選材料。北京航空航天大學集成電路科學與工程學院盧海昌副教授與劍橋大學工程系John Robertson院士等探究了尺寸微縮對于自旋轉移矩磁存儲器（STT-MRAM）材料選擇的影響，采用第一性原理計算對比了傳統鈷鐵硼氧化鎂結構（CoFeB-MgO）與二維材料六方氮化硼（h-BN）在各方面的差異。本工作被選為編輯推薦，收錄于Applied Physics Review.

STT-MRAM是目前工業界領先的存儲架構，集非易失性、抗輻射、高穩定性、低動態功耗、即時開閉、無限次高速讀寫等一系列優點于一身。傳統鈷鐵硼-氧化鎂磁隧穿結（MTJ）具有垂直各向異性，是目前STT-MRAM的組成材料。氧化鎂作為磁隧穿結中的絕緣層是一個里程碑式的發現。不同軌道的電子在氧化鎂中衰減系數具有差異，決定隧穿磁阻比的主要是Δ₁能帶，它的隧穿磁阻（TMR）遠遠高于上一代無定形氧化鋁隧穿結。Yuasa使用分子束外延技術（MBE）制得高TMR的隧穿結，在界面處垂直各向異性顯著。另一個里程碑式的發現是無定形鈷鐵硼合金在氧化鎂與鉭之間的濺射工藝，熱淬火使得硼原子從鐵鈷合金中擴散到鉭中。另一方面，尺寸微縮要求電極具有垂直各向異性，減少鈷鐵硼的厚度至1.5納米可以實現。這一工藝目前是工業界制造磁隨機存儲器的標準。

圖一 鐵的各個d軌道電子在氧化鎂中的雜化與衰減

在尺寸微縮的背景下，傳統塊體材料的界面懸掛鍵、厚度不一、針孔等問題逐漸顯著。因此，可以考慮使用二維材料代替，有效解決以上問題。本文探討在下一代存儲器中加入二維六方氮化硼的可行性，總結了它的生長方法、能帶結構特性，計算了界面效應對于自旋輸運的影響。

h-BN作為寬禁帶半導體，具有高穩定性、表面平整不帶懸掛鍵等優點，相比于六方氮化鋁與氮化鎵，它的表面薄膜更不容易出現褶皺。不同于氧化鎂的立方結構，六角晶格結構具有布里淵區自旋過濾方式（圖二），對于費米能級所在位置、界面接觸構型非常敏感。因此對于氮化硼界面的深入研究很重要。本文研究了各種物理吸附以及化學吸附的界面（圖三），分析出了界面對于肖特基勢壘、費米釘扎的影響（圖四），顛覆了費米釘扎強度只是半導體本征性質這一認知。

圖二 h-BN的complex band structure

圖三 不同類型的接觸界面以及吸附能，(a)為化學吸附，(b)(c)為物理吸附

圖四 肖特基勢壘隨著界面間距的變化，界面的偶極子對此的影響

第一性原理研究金屬絕緣體界面會遇到傳統GGA方法無法正確描述絕緣體能帶結構的問題。常見的解決方式如利用雜化泛函，雖然可以半經驗地修正半導體以及絕緣體的能隙，卻會得到錯誤的金屬電子結構。本文介紹了一種可以兼顧金屬與絕緣體能帶結構的方法，只修正絕緣體的交換關聯泛函，獲得金屬與絕緣體界面的聯合能帶(圖五)。利用此方法，還發現了界面對于電子隧穿方式的影響，物理吸附界面的TMR遠遠高于化學吸附界面（圖六）。

圖五 不同界面構型的能帶結構，以及氮化硼的p-bands

圖六 化學吸附界面與物理吸附界面隧穿特性的不同

小結

1. 目前氮化硼的生長方法是化學氣相沉積法（CVD），這種方法使得氮化硼兩邊界面的接觸類型不一致。第一性原理計算表明這兩種界面的肖特基勢壘有2eV的差異，MTJ兩邊需要具有對稱性。在未來可以被原子層沉積方法（ALD）代替，降低生長溫度，使得兩組界面的接觸類型一致。

圖七 氮化硼MTJ的現有生長溫度以及未來目標生長溫度

2. 氮化硼相比于氧化鎂更加不易受潮。

3. 六角晶格3-fold結構相比于立方4-fold結構的區別是會混合在絕緣體中不同軌道的evanescent states，第一性原理計算發現TMR依賴于界面的類型，物理吸附界面的TMR更高，氮化硼MTJ的尺寸微縮技術路線比氧化鎂更加復雜。

4. 與氧化鎂相同的是，氮化硼的界面也具有垂直各向異性。然而界面類型對于垂直各向異性的影響還需更進一步的研究。

文獻信息：

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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