专利名称：一种室温隧道各向异性磁电阻器件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种室温隧道各向异性磁电阻器件及其制备方法。
背景技术：
隧道各向异性磁电阻(TAMR)效应是自旋电子学中一种非常重要的物理现象，主要是描述在单一铁磁层的隧穿结构中产生的各向异性磁电阻。与传统的由两层铁磁半导体中插入隧穿势垒层构成的隧道结不同，这种依靠单铁磁层中强的轨道耦合作用实现自旋极化电流的注入和探测的器件更有利于后处理工艺，同时其所展现的丰富的物理学现象及潜在的应用价值，开辟了自旋电子学研究的一个新分支。自从2004年该现象在(Ga，Mn)As/alumina/Au体系中发现以来,激起了人们广泛的研究兴趣。最近，Park等人首次报道了基于反铁磁材料的TAMR效应，使反铁磁材料的应用从传统的钉扎层转向物理内涵丰富的功 能层，对于开拓反铁磁自旋电子学领域具有重大的意义，然而到目前为止，所有的TAMR信号都是在低温下(〈100K)测量得到，并且主要集中在面内磁化的铁磁材料中，限制了实用化进程。
发明内容
本发明的目的是提供一种室温隧道各向异性磁电阻器件及其制备方法。本发明所提供的室温隧道各向异性磁电阻器件，其结构依次包括基片、底电极、铁磁层(FM)、反铁磁层、隧穿层和顶电极；所述铁磁层由垂直磁化膜构成，所述反铁磁层由Mn系合金构成。其中，构成所述铁磁层的垂直磁化膜包括垂直磁化的[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Co/Ni]n多层膜(η=Γ Ο)。所述[Co/Pt]nS层膜中，各Co层的厚度均为O. 3nnT0.8nm，各Pt层的厚度均为O. 8nm L 5nm。所述[Co/Pd]n多层膜中，各Co层的厚度均为O. 3nnT0. 8nm，各Pd层的厚度均为
O.8nm L 5nm。所述[Co/Ni]n多层膜中，各Co层的厚度为O. 3nnT0. 8nm,各Ni层的厚度均为
O.8nm l. 5nm。所述Mn合金包括IrMn、FeMn等。所述反铁磁层的厚度可为2nnT6nm。所述隧穿层由MgO或Al2O3构成,其厚度可为I. 5nnT2. 5nm。其中，Al2O3采用磁控溅射、电子束蒸镀、Al的等离子体氧化和自然氧化的方法制备；MgO采用磁控溅射、电子束蒸镀的方法制备。所述底电极和顶电极为Pt电极。所述基片为Si (100)/SiO2，其中 SiO2 厚度为 300-500nm。制备上述室温隧道各向异性磁电阻器件的方法包括下述步骤在基片上依次沉积底电极、铁磁层(FM)、反铁磁层、隧穿层和顶电极。随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀结合金属剥离法的工艺将多层膜加工成尺寸为5Χ3μπΓ 00Χ60μπι2的隧道结，从底电极和顶电极各引出两根导线进行磁阻的测试。本发明利用隧穿层一侧的垂直磁化的铁磁层FM与反铁磁层IrMn的交换耦合作用制备磁电阻器件，通过利用垂直交换耦合作用较高的热稳定性以及反铁磁层厚度的调控，使其在室温下实现具有自旋阀信号的TAMR效应。其中可通过反铁磁层厚度的变化来调控器件磁阻值的大小。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例I :制备 Si/Si02/Pt/[Co/Pt]4/Co/IrMn/Al203/Pt 结构的磁隧道结在Si/Si02基片上采用磁控溅射的方式沉积Pt/[Co/Pt]4/Co/IrMn/Al203/Pt多层膜结构，该结构中[Co/Pt]4/Co为铁磁层，Co的厚度是O. 5nm, Pt的厚度为lnm，反铁磁层IrMn的厚度为2飞nm，隧穿层Al2O3的厚度为2nm。所制备的多层膜界面清晰平整，附着力较好，具有良好的垂直易磁化特性。随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀结合金属剥离法的工艺将多层膜加工成尺寸为5Χ3μπΓ 00Χ60μπι2的隧道结，从底电极(Pt)和顶电极(Pt)各引出两根导线进行磁阻的测试。室温下PPMS (综合物理性能测试系统)磁阻测试结果表明，当磁场方向垂直于薄膜表面时，随着磁场从+IT到-IT再到+1Τ，测试得到的电阻变化为高阻态(+1Τ)—低阻态(-1Τ)—高阻态(+1T);当磁场方向平行于薄膜表面时，测试得到类自旋阀信号的磁阻变化，即磁场从+IT到-1Τ，测试得到的电阻变化为高阻态(+1Τ)—低阻态Γοτ)—高阻态(-1Τ)。该现象的出现主要是由于铁磁层[Co/Pt]4/Co和反铁磁层IrMn的交换弹簧效应，使垂直磁化铁磁层磁矩的翻转带动反铁磁层磁矩的部分旋转。当反铁磁IrMn的厚度为6nm时,采用多功能物性测量系统(PPMS)测得的室温下垂直方向的TAMR值(隧道各向异性磁电阻值)为O. 236%，面内的TAMR值为O. 070% ；IrMn的厚度为4nm时，室温下垂直方向的TAMR值为O. 051% ；IrMn的厚度为2nm时，150K下垂直方向的TAMR值为O. 027%,室温下无明显TAMR信号。实施例2 :制备 Si/Si02/Pt/[Co/Pd]8/Co/IrMn/Mg0/Pt 结构的磁隧道结在Si/Si02基片上采用电子束蒸镀的方式沉积Pt/ [Co/Pd] 8/Co/IrMn/MgO/Pt多层膜结构，该结构中[Co/Pd] 8/Co为铁磁层，Co的厚度是O. 3nm，Pd的厚度为I. 2nm，反铁磁层IrMn的厚度为2飞nm，隧穿层MgO的厚度为2nm。所制备的多层膜界面清晰平整，附着力较好，具有良好的垂直易磁化特性。随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀结合金属剥离法的工艺将多层膜加工成尺寸为5Χ3μπΓ 00Χ60μπι2的隧道结，从底电极和顶电极各引出两根导线进行磁阻的测试。室温下PPMS磁阻测试结果表明，当磁场方向垂直于薄膜表面时，随着磁场从+IT到-IT再到+1Τ，测试得到的电阻变化为高阻态(+1Τ)—低阻态(-1Τ)—高阻态(+1Τ);当磁场方向平行于薄膜表面时，测试得到类自旋阀信号的磁阻变化，即磁场从+IT到-1Τ，测试得到的电阻变化为高阻态(+IT)—低阻态ΓΟΤ)—高阻态(-1T)。当反铁磁IrMn的厚度
为6nm时，室温下垂直方向的TAMR值为5. 32%，面内的TAMR值为I. 89% ；IrMn的厚度为4nm时，室温下垂直方向的TAMR值为4. 05% ；IrMn的厚度为2nm时，室温下垂直方向的TAMR值为 2. 48%ο
权利要求
1.一种室温隧道各向异性磁电阻器件，其结构依次包括基片、底电极、铁磁层、反铁磁层、隧穿层和顶电极；其中，所述铁磁层由垂直磁化膜构成，所述反铁磁层由Mn系合金构成。
2.根据权利要求I所述的室温隧道各向异性磁电阻器件，其特征在于所述垂直磁化膜选自下述任意一种多层膜[Co/Pt]n、[(^/^(!丸和[Co/Ni]n，其中，η=1 10。
3.根据权利要求2所述的室温隧道各向异性磁电阻器件，其特征在于所述[Co/Pt]n多层膜中，各Co层的厚度均为O. 3ηηΓθ· 8nm,各Pt层的厚度均为O. 8ηηΓ · 5nm ； 所述[Co/Pd]nS层膜中，各Co层的厚度均为O. 3nnT0. 8nm，各Pd层的厚度均为O. 8nm L 5nm ； 所述[Co/Ni]n#层膜中，各Co层的厚度均为O. 3mTT0.8mn，各Ni层的厚度均为O. 8nm L 5nm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的室温隧道各向异性磁电阻器件，其特征在于所述反铁磁层的厚度为2nnT6nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的室温隧道各向异性磁电阻器件，其特征在于所述Mn系合金包括IrMn、FeMn。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的室温隧道各向异性磁电阻器件，其特征在于所述隧穿层由MgO或Al2O3构成,所述隧穿层的厚度为I. 5ηπΓ2. 5nm。
7.根据权利要求6所述的室温隧道各向异性磁电阻器件，其特征在于所述Al2O3采用下述任意一种方法制备磁控溅射、电子束蒸镀、Al的等离子体氧化和Al自然氧化；所述MgO采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法制备。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的室温隧道各向异性磁电阻器件，其特征在于所述底电极和顶电极均为Pt电极。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的的室温隧道各向异性磁电阻器件，其特征在于所述基片为Si (100)/SiO2，其中SiO2厚度为300-500nm。
10.制备权利要求1-9中任一项所述室温隧道各向异性磁电阻器件的方法，包括下述步骤所述在基片上依次沉积底电极、铁磁层、反铁磁层、隧穿层和顶电极。
全文摘要
本发明公开了一种室温隧道各向异性磁电阻器件及其制备方法。该器件结构依次包括基片、底电极、铁磁层(FM)、反铁磁层、隧穿层和顶电极；其中，铁磁层为由垂直磁化膜构成，包括垂直磁化的[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Co/Ni]n多层膜(n=1~10)，铁磁层中Co的厚度为0.3nm~0.8nm，Pt、Pd、Ni的厚度为0.8nm~1.5nm；反铁磁层由Mn系合金构成，厚度为2nm~6nm；隧穿层为MgO或Al2O3，厚度为1.5nm~2.5nm。本发明利用隧穿层一侧的垂直磁化的铁磁层与反铁磁层的交换耦合作用制备磁电阻器件，实现室温TAMR效应。
文档编号H01L43/08GK102709466SQ20121018100
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者宋成, 潘峰, 王钰言 申请人:清华大学