專利名稱：一種室溫隧道各向異性磁電阻器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種室溫隧道各向異性磁電阻器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
隧道各向異性磁電阻(TAMR)效應(yīng)是自旋電子學(xué)中一種非常重要的物理現(xiàn)象，主要是描述在單一鐵磁層的隧穿結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的各向異性磁電阻。與傳統(tǒng)的由兩層鐵磁半導(dǎo)體中插入隧穿勢壘層構(gòu)成的隧道結(jié)不同，這種依靠單鐵磁層中強的軌道耦合作用實現(xiàn)自旋極化電流的注入和探測的器件更有利于后處理工藝，同時其所展現(xiàn)的豐富的物理學(xué)現(xiàn)象及潛在的應(yīng)用價值，開辟了自旋電子學(xué)研究的一個新分支。自從2004年該現(xiàn)象在(Ga，Mn)As/alumina/Au體系中發(fā)現(xiàn)以來,激起了人們廣泛的研究興趣。最近，Park等人首次報道了基于反鐵磁材料的TAMR效應(yīng)，使反鐵磁材料的應(yīng)用從傳統(tǒng)的釘扎層轉(zhuǎn)向物理內(nèi)涵豐富的功 能層，對于開拓反鐵磁自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有重大的意義，然而到目前為止，所有的TAMR信號都是在低溫下(〈100K)測量得到，并且主要集中在面內(nèi)磁化的鐵磁材料中，限制了實用化進程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種室溫隧道各向異性磁電阻器件及其制備方法。本發(fā)明所提供的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其結(jié)構(gòu)依次包括基片、底電極、鐵磁層(FM)、反鐵磁層、隧穿層和頂電極；所述鐵磁層由垂直磁化膜構(gòu)成，所述反鐵磁層由Mn系合金構(gòu)成。其中，構(gòu)成所述鐵磁層的垂直磁化膜包括垂直磁化的[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Co/Ni]n多層膜(η=Γ Ο)。所述[Co/Pt]nS層膜中，各Co層的厚度均為O. 3nnT0.8nm，各Pt層的厚度均為O. 8nm L 5nm。所述[Co/Pd]n多層膜中，各Co層的厚度均為O. 3nnT0. 8nm，各Pd層的厚度均為
O.8nm L 5nm。所述[Co/Ni]n多層膜中，各Co層的厚度為O. 3nnT0. 8nm,各Ni層的厚度均為
O.8nm l. 5nm。所述Mn合金包括IrMn、FeMn等。所述反鐵磁層的厚度可為2nnT6nm。所述隧穿層由MgO或Al2O3構(gòu)成,其厚度可為I. 5nnT2. 5nm。其中，Al2O3采用磁控濺射、電子束蒸鍍、Al的等離子體氧化和自然氧化的方法制備；MgO采用磁控濺射、電子束蒸鍍的方法制備。所述底電極和頂電極為Pt電極。所述基片為Si (100)/SiO2，其中 SiO2 厚度為 300-500nm。制備上述室溫隧道各向異性磁電阻器件的方法包括下述步驟在基片上依次沉積底電極、鐵磁層(FM)、反鐵磁層、隧穿層和頂電極。隨后通過紫外曝光、氬離子刻蝕結(jié)合金屬剝離法的工藝將多層膜加工成尺寸為5Χ3μπΓ 00Χ60μπι2的隧道結(jié)，從底電極和頂電極各引出兩根導(dǎo)線進行磁阻的測試。本發(fā)明利用隧穿層一側(cè)的垂直磁化的鐵磁層FM與反鐵磁層IrMn的交換耦合作用制備磁電阻器件，通過利用垂直交換耦合作用較高的熱穩(wěn)定性以及反鐵磁層厚度的調(diào)控，使其在室溫下實現(xiàn)具有自旋閥信號的TAMR效應(yīng)。其中可通過反鐵磁層厚度的變化來調(diào)控器件磁阻值的大小。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明進行說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如 無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實施例I :制備 Si/Si02/Pt/[Co/Pt]4/Co/IrMn/Al203/Pt 結(jié)構(gòu)的磁隧道結(jié)在Si/Si02基片上采用磁控濺射的方式沉積Pt/[Co/Pt]4/Co/IrMn/Al203/Pt多層膜結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中[Co/Pt]4/Co為鐵磁層，Co的厚度是O. 5nm, Pt的厚度為lnm，反鐵磁層IrMn的厚度為2飛nm，隧穿層Al2O3的厚度為2nm。所制備的多層膜界面清晰平整，附著力較好，具有良好的垂直易磁化特性。隨后通過紫外曝光、氬離子刻蝕結(jié)合金屬剝離法的工藝將多層膜加工成尺寸為5Χ3μπΓ 00Χ60μπι2的隧道結(jié)，從底電極(Pt)和頂電極(Pt)各引出兩根導(dǎo)線進行磁阻的測試。室溫下PPMS (綜合物理性能測試系統(tǒng))磁阻測試結(jié)果表明，當(dāng)磁場方向垂直于薄膜表面時，隨著磁場從+IT到-IT再到+1Τ，測試得到的電阻變化為高阻態(tài)(+1Τ)—低阻態(tài)(-1Τ)—高阻態(tài)(+1T);當(dāng)磁場方向平行于薄膜表面時，測試得到類自旋閥信號的磁阻變化，即磁場從+IT到-1Τ，測試得到的電阻變化為高阻態(tài)(+1Τ)—低阻態(tài)Γοτ)—高阻態(tài)(-1Τ)。該現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于鐵磁層[Co/Pt]4/Co和反鐵磁層IrMn的交換彈簧效應(yīng)，使垂直磁化鐵磁層磁矩的翻轉(zhuǎn)帶動反鐵磁層磁矩的部分旋轉(zhuǎn)。當(dāng)反鐵磁IrMn的厚度為6nm時,采用多功能物性測量系統(tǒng)(PPMS)測得的室溫下垂直方向的TAMR值(隧道各向異性磁電阻值)為O. 236%，面內(nèi)的TAMR值為O. 070% ；IrMn的厚度為4nm時，室溫下垂直方向的TAMR值為O. 051% ；IrMn的厚度為2nm時，150K下垂直方向的TAMR值為O. 027%,室溫下無明顯TAMR信號。實施例2 :制備 Si/Si02/Pt/[Co/Pd]8/Co/IrMn/Mg0/Pt 結(jié)構(gòu)的磁隧道結(jié)在Si/Si02基片上采用電子束蒸鍍的方式沉積Pt/ [Co/Pd] 8/Co/IrMn/MgO/Pt多層膜結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中[Co/Pd] 8/Co為鐵磁層，Co的厚度是O. 3nm，Pd的厚度為I. 2nm，反鐵磁層IrMn的厚度為2飛nm，隧穿層MgO的厚度為2nm。所制備的多層膜界面清晰平整，附著力較好，具有良好的垂直易磁化特性。隨后通過紫外曝光、氬離子刻蝕結(jié)合金屬剝離法的工藝將多層膜加工成尺寸為5Χ3μπΓ 00Χ60μπι2的隧道結(jié)，從底電極和頂電極各引出兩根導(dǎo)線進行磁阻的測試。室溫下PPMS磁阻測試結(jié)果表明，當(dāng)磁場方向垂直于薄膜表面時，隨著磁場從+IT到-IT再到+1Τ，測試得到的電阻變化為高阻態(tài)(+1Τ)—低阻態(tài)(-1Τ)—高阻態(tài)(+1Τ);當(dāng)磁場方向平行于薄膜表面時，測試得到類自旋閥信號的磁阻變化，即磁場從+IT到-1Τ，測試得到的電阻變化為高阻態(tài)(+IT)—低阻態(tài)ΓΟΤ)—高阻態(tài)(-1T)。當(dāng)反鐵磁IrMn的厚度
為6nm時，室溫下垂直方向的TAMR值為5. 32%，面內(nèi)的TAMR值為I. 89% ；IrMn的厚度為4nm時，室溫下垂直方向的TAMR值為4. 05% ；IrMn的厚度為2nm時，室溫下垂直方向的TAMR值為 2. 48%ο
權(quán)利要求
1.一種室溫隧道各向異性磁電阻器件，其結(jié)構(gòu)依次包括基片、底電極、鐵磁層、反鐵磁層、隧穿層和頂電極；其中，所述鐵磁層由垂直磁化膜構(gòu)成，所述反鐵磁層由Mn系合金構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其特征在于所述垂直磁化膜選自下述任意一種多層膜[Co/Pt]n、[(^/^(!丸和[Co/Ni]n，其中，η=1 10。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其特征在于所述[Co/Pt]n多層膜中，各Co層的厚度均為O. 3ηηΓθ· 8nm,各Pt層的厚度均為O. 8ηηΓ · 5nm ； 所述[Co/Pd]nS層膜中，各Co層的厚度均為O. 3nnT0. 8nm，各Pd層的厚度均為O. 8nm L 5nm ； 所述[Co/Ni]n#層膜中，各Co層的厚度均為O. 3mTT0.8mn，各Ni層的厚度均為O. 8nm L 5nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其特征在于所述反鐵磁層的厚度為2nnT6nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其特征在于所述Mn系合金包括IrMn、FeMn。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其特征在于所述隧穿層由MgO或Al2O3構(gòu)成,所述隧穿層的厚度為I. 5ηπΓ2. 5nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其特征在于所述Al2O3采用下述任意一種方法制備磁控濺射、電子束蒸鍍、Al的等離子體氧化和Al自然氧化；所述MgO采用磁控濺射或電子束蒸鍍的方法制備。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其特征在于所述底電極和頂電極均為Pt電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的的室溫隧道各向異性磁電阻器件，其特征在于所述基片為Si (100)/SiO2，其中SiO2厚度為300-500nm。
10.制備權(quán)利要求1-9中任一項所述室溫隧道各向異性磁電阻器件的方法，包括下述步驟所述在基片上依次沉積底電極、鐵磁層、反鐵磁層、隧穿層和頂電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種室溫隧道各向異性磁電阻器件及其制備方法。該器件結(jié)構(gòu)依次包括基片、底電極、鐵磁層(FM)、反鐵磁層、隧穿層和頂電極；其中，鐵磁層為由垂直磁化膜構(gòu)成，包括垂直磁化的[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Co/Ni]n多層膜(n=1~10)，鐵磁層中Co的厚度為0.3nm~0.8nm，Pt、Pd、Ni的厚度為0.8nm~1.5nm；反鐵磁層由Mn系合金構(gòu)成，厚度為2nm~6nm；隧穿層為MgO或Al2O3，厚度為1.5nm~2.5nm。本發(fā)明利用隧穿層一側(cè)的垂直磁化的鐵磁層與反鐵磁層的交換耦合作用制備磁電阻器件，實現(xiàn)室溫TAMR效應(yīng)。
文檔編號H01L43/08GK102709466SQ20121018100
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者宋成, 潘峰, 王鈺言 申請人:清華大學(xué)