包含稀土氮化物的磁性材料和设备的制作方法

本发明涉及包含稀土氮化物的磁性材料，更具体地，涉及包含包括一个相对软的磁性层和一个相对硬的磁性层的多层结构材料的磁性材料。本发明还涉及包含所述磁性材料的设备。

背景技术：

稀土具有57(La)-71(Lu)的原子序数，且包含填充4f轨道的元素，即：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、和镥(Lu)。它们具有原子组态[Xe]6s²5d¹4fⁿ或[Xe]6s²4fⁿ⁺¹，n由La的0变至Lu的14。它们的最常见的离子电荷状态为3+，具有跨Fermi能的4f能级。它们为仅有的具有多于边缘填充的f-壳电子轨道的稳定元素，且因此它们为具有最大的自旋和轨道距的元素。在有序的固体中，它们对最强铁磁性材料有贡献，此贡献已确保它们在需要强的永磁体的技术中的实用性。尽管具有此名称，但除了不具有稳定的核同位素的钷以外它们并不稀有。

稀土氮化物最初在1960年被研究，当时技术进步克服了稀土系列的化学相似成员的分离中遇到的问题。稀土氮化物几乎全部为铁磁性的，其磁状态在整个系列上变化很大，且矫顽场强烈地取决于生长条件。例如，SmN为唯一已知的近零矩铁磁半导体，具有巨大的矫顽场，而GdN具有小三个数量级的矫顽场。稀土氮化物在例如电子自旋、红外(IR)检测器的应用中以及作为III族氮化物半导体化合物的触点前途光明。

磁阻式随机存取存储器(MRAM)是非挥发性随机存取存储器技术。MRAM中的数据由磁性存储元件储存，而其它RAM技术通常以电荷或电流的形式存储数据。MRAM中的磁性储存元件由两层被阻挡层分隔的磁性层形成，每个磁性层可以保持磁场。一个磁性层为设定至特定的磁取向的永磁体。另一个磁性层通过沿外部长方向排列而存储数据。因此元件可以以不同的结构存在，具有平行的或反平行的磁化方向。这两个磁性结构是不同的，因为当磁性层平行取向时通过具有绝缘阻挡层的元件的电阻或沿金属阻挡层的电阻较小。

巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)磁场传感器的结构和操作原理相似。

然而，所有的现有设备都具有金属磁性层。

因此，本发明的目的是或多或少避免上述缺陷；和/或至少为公众提供可用的选择。

本发明的其它目的可以由仅以实施例的方式给出的以下描述而变得明显。

已被包括在本说明书中的对于文献、动作、材料、设备、物体等的任何讨论仅用于为本发明提供语境的目的。不承认这些中的任意或全部形成现有技术的一部分或为由于其在优先权日期之前存在而成为与本发明相关的领域中的公知常识。

技术实现要素：

在第一个方面，本发明提供了一种磁性材料，其包含第一铁磁性层、第二铁磁性层、和在所述第一铁磁性层和第二铁磁性层之间并与所述第一铁磁性层和第二铁磁性层分别接触的阻挡层，其中所述第一铁磁性层和第二铁磁性层具有不同的矫顽场，且其中所述第一铁磁性层包含第一稀土氮化物材料以及所述第二铁磁性层包含第二稀土氮化物材料，且其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：氮化镨(PrN)、氮化钕(NdN)、氮化钐(SmN)、氮化铕(EuN)、氮化钆(GdN)、氮化铽(TbN)、氮化镝(DyN)、氮化钬(HoN)、氮化铒(ErN)、氮化铥(TmN)、和氮化镱(YbN)，及其任意两种或更多种的合金。

在第二个方面，本发明提供了磁性设备，其包含第一个方面的磁性材料和任选存在的电接触。

在第三个方面，本发明提供了制备第一个方面的磁性材料的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)沉积包含第一稀土氮化物材料的第一铁磁性层；

(b)在步骤(a)中形成的第一铁磁性层上沉积阻挡层；和

(c)在步骤(b)中形成的阻挡层上沉积包含第二稀土氮化物材料的第二铁磁性层。

在第四个方面，本发明提供了通过第三个方面的方法制备的磁性材料。

本发明还提供了可通过第三个方面的方法获得的磁性材料。

本发明还可以概括地说单独地或集合地包含本申请的说明书中提及或指出的部分、要素和特征，以及任意两个或多个所述部分、要素或特征的任意的或全部的组合，且当此处提及在本发明涉及的技术领域中具有已知等价物的具体整数时，这样的已知等价物被视为引入此处，如同单独说明。此外，当根据Markush集描述本发明的特征或方面时，本领域技术人员应理解也因此根据Markush集的任何单独的成员或成员的子集描述本发明。

本文中使用的术语“和/或”指“和”或“或”或两者。

此说明书中使用的术语“包含”指“至少部分地由…组成”。当解释包括术语“包含”的说明书中的各陈述时，也可存在除所述术语开始的那些特征之外的特征。相关术语例如“含”和“包括”也将以相同的方式解释。

对于此处公开的数字的范围(例如1-10)的引用意图还包括对于此范围内的所有有理数(例如1、1.1、2、3、3.9、4、5、6、6.5、7、8、9和10)以及该范围内的任意的有理数范围(例如2-8、1.5-5.5和3.1-4.7)的引用，并且因此此处明确地公开的所有范围的所有子范围都在此明确地公开。这些仅是具体期望的实例，且应认为列举的最低值和最高值之间的所有可能的数值的组合都以相似的方式明确地陈述于此申请中。

尽管本发明广泛地如上所定义，但本领域技术人员应理解本发明不限于此且本发明还包括以下描述给出实例的实施方案。

附图说明

将参考附图描述本发明，其中：

图1为根据本发明的一个实施方案的磁性材料的截面图。

图2显示SmN/GdN材料和SmN/LaN/GdN材料的x射线磁性圆二色谱(XMCD)。

图3显示包含GdN/GaN/GdN材料的隧道结的电流-电压特性，使用西蒙斯隧道模型(以下讨论)拟合。插入图显示针对温度绘制的模型阻挡高度(向前和向后电流的平均值)，假设1.91nm的固定阻挡层宽度而获得。

图4(a)显示了在5K下用～30nA的电流获得的包含GdN/GaN/GdN材料的隧道结的磁致电阻的场依存性。数据上的图显示电极的主磁化方向。

图4(b)显示了包含GdN/GaN/GdN材料的隧道结的场依存性磁化。且

图5显示了使用各种施加电流测量的包含GdN/GaN/GdN材料的隧道结的温度依赖性电阻。插入图显示主体GdN层的电阻。

具体实施方式

在第一个方面，本发明提供了一种磁性材料，其包含第一铁磁性层、第二铁磁性层、和在所述第一铁磁性层和第二铁磁性层之间并与所述第一铁磁性层和第二铁磁性层分别接触的阻挡层，其中所述第一铁磁性层和第二铁磁性层具有不同的矫顽场，且其中所述第一铁磁性层包含第一稀土氮化物材料以及所述第二铁磁性层包含第二稀土氮化物材料，且其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：氮化镨(PrN)、氮化钕(NdN)、氮化钐(SmN)、氮化铕(EuN)、氮化钆(GdN)、氮化铽(TbN)、氮化镝(DyN)、氮化钬(HoN)、氮化铒(ErN)、氮化铥(TmN)、和氮化镱(YbN)，及其任意两种或更多种的合金。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、EuN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、TmN、和YbN。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、和TmN，及其任意两种或更多种的合金。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、和TmN。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、EuN、GdN、DyN、HoN、ErN、和YbN，及其任意两种或更多种的合金。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、EuN、GdN、DyN、HoN、ErN、和YbN。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、GdN、DyN、HoN、和ErN，及其任意两种或更多种的合金。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、GdN、DyN、HoN、和ErN。、

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料之一或两者均为稀土氮化物合金。在一些实施方案中，所述稀土氮化物合金选自由以下组成的组：(Sm,Gd)N、(Gd,Ho)N、和(Gd,Dy)N。在一些实施方案中，稀土氮化物合金为(Sm,Gd)N。在一些实施方案中，稀土氮化物合金为(Gd,Ho)N。在一些实施方案中，稀土氮化物合金为(Gd,Dy)N。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料之一或两者均另外包含一种或多种额外的掺杂剂。通常，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料包含少于约10²¹个原子/cm³额外的一种或多种掺杂剂或其它杂质。在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料包含少于约10²⁰个原子/cm³额外的一种或多种掺杂剂或其它杂质。在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料包含少于约10¹⁹个原子/cm³额外的一种或多种掺杂剂或其它杂质。

在一些实施方案中，所述第一铁磁性层由第一稀土氮化物材料组成。在其它实施方案中，所述第一铁磁性层基本上由第一稀土氮化物材料组成。

在一些实施方案中，所述第二铁磁性层由第二稀土氮化物材料组成。在其它实施方案中，所述第二铁磁性层基本上由第二稀土氮化物材料组成。

在一些实施方案中，所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层的组成不同。在一些实施方案中，所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层的组成相同。

在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和所述第二稀土氮化物材料不同。在一些实施方案中，所述第一稀土氮化物材料和所述第二稀土氮化物材料相同。

所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层具有不同的矫顽场，即，所述铁磁性层之一的矫顽场高于另一铁磁性层的矫顽场。其与以下讨论的阻挡层一起使得具有较低的矫顽场的铁磁性层的磁取向可以通过外部场或通过自旋转移力矩而改变，而不改变具有较高的矫顽场的铁磁性层的磁取向。

在一些实施方案中，所述第一铁磁性层的矫顽场高于所述第二铁磁性层的矫顽场。在其它实施方案中，所述第二铁磁性层的矫顽场高于所述第一铁磁性层的矫顽场。

具有较低的矫顽场的铁磁性层的矫顽场通常为小于约500Oe。在一些实施方案中，具有较低的矫顽场的铁磁性层的矫顽场小于约200Oe。

具有较高的矫顽场的铁磁性层的矫顽场通常比具有较低的矫顽场的层的矫顽场大至少约2倍。在一些实施方案中，具有较高的矫顽场的铁磁性层的矫顽场比具有较低的矫顽场的层的矫顽场大至少约10倍。在一些实施方案中，具有较高的矫顽场的铁磁性层的矫顽场比具有较低的矫顽场的层的矫顽场大至少约100倍。

在一些实施方案中，矫顽场在约70K下测量。在其它实施方案中，矫顽场在约50K下测量。在其它实施方案中，矫顽场在约4K下测量。

在一些实施方案中，所述第一铁磁性层和第二铁磁性层之间的矫顽场差别是温度敏感性的。这样的温度敏感性可以使得磁性材料能够被调整以用于不同的应用中。

有利地，与具有～60％或更低的自旋极化比例的通常用于磁传感器中或用于MRAM结构的普通的铁磁性金属(例如CoFe和NiFe)相比，若干REN为高度自旋-极化的。

自旋电子器件例如基于磁性和电导之间的相互作用而操作，如果所有的导电电子(或空穴)均为自旋极化的，则其会强得多。预期本发明的磁性材料在例如第二铁磁性层的磁化与第一铁磁性层的磁化相反时的电阻与当两层的磁化被取向时的电阻之间显示出较强的对比(与包含更弱自旋极化的材料的材料相比较)。

有利地，与在费密能级下具有弱极化的s-电子的普通铁磁性金属相比，稀土氮化物具有极强地基于稀土d-电子的导带。s电子决定隧道效应，这在一些器件中是不利的。

在一些实施方案中，所述第一铁磁性稀土氮化物材料包含GdN。

在一些实施方案中，所述第二铁磁性稀土氮化物材料包含SmN。有利地，SmN尽管铁磁有序，但具有几乎难以察觉的小的边缘磁场，这防止当关闭外部施加的磁场时邻近的较软磁性层的重新取向。

在一些实施方案中，所述第一铁磁稀土氮化物材料和所述第二铁磁稀土氮化物材料均包含GdN。

在一些实施方案中，所述第一铁磁稀土氮化物材料包含GdN且所述第二铁磁稀土氮化物材料包含SmN。在一些实施方案中，所述第一铁磁稀土氮化物材料包含SmN且所述第二铁磁稀土氮化物材料包含GdN。

GdN和SmN的矫顽场差异为约3个数量级。

所述阻挡层为非磁性材料，即阻挡层不具有永久磁矩或不具有内在的电子自旋的排序。阻挡层允许通过外部场或自旋转移力矩对所述第一铁磁性层和第二铁磁性层的磁取向进行独立控制，即阻挡层防止第一铁磁性层和第二铁磁性层之间的磁交换。

适合的阻挡层是与所述第一铁磁性层和第二铁磁性层非反应性的，并且在用于制备磁性材料的加工条件期间是稳定的。

在一些实施方案中，阻挡层选自由以下组成的组：LaN、LuN、HfN、AlN、GaN、和(Al,In,Ga)N合金。

在一些实施方案中，阻挡层选自由以下组成的组：LaN、LuN、和GaN。

在一些实施方案中，阻挡层包含GaN。在一些实施方案中，阻挡层由GaN组成。在其它实施方案中，阻挡层基本上由GaN组成。

在一些实施方案中，阻挡层为导体。在其它实施方案中，阻挡层为半导体。在其它实施方案中，阻挡层为绝缘体。

在其中阻挡层为导体的那些实施方案中，磁性材料适用于GMR磁场传感器中，而包含绝缘阻挡层的磁性材料适用于MRAM设备和TMR磁场传感器中，包含半导体阻挡层的磁性材料适用于磁性隧道结中。

在一些实施方案中，阻挡层与第一铁磁性层外延。在其它实施方案中，阻挡层为多晶的。

在一些实施方案中，第二铁磁性层与阻挡层外延。在其它实施方案中，第二铁磁性层为多晶的。

在一些实施方案中，阻挡层与第一铁磁性层外延且第二铁磁性层与阻挡层外延。

稀土氮化物在面心立方体NaCl结构中形成，晶格常数范围为从LaN的至LuN的整个系列总计有10％的差异且邻近的原子种类的氮化物之间有约0.7％的差异。因此，稀土氮化物为外延相容的。

因此，在一些实施方案中，阻挡层包含第三稀土氮化物材料。

在一些实施方案中，阻挡层包含LaN或LuN。

在一些实施方案中，阻挡层由LaN组成。在其它实施方案中，阻挡层基本上由LaN组成。

在一些实施方案中，阻挡层由LuN组成。在其它实施方案中，阻挡层基本上由LuN组成。

适合的阻挡层还包括多层结构的材料。

在一些实施方案中，所述第一铁磁性层和第二铁磁性层各自独立地为约5-200nm厚。在一些实施方案中，所述第一铁磁性层和第二铁磁性层基本上为相同厚度。在其它实施方案中，所述第一铁磁性层和第二铁磁性层具有不同的厚度。

阻挡层通常为约1-200nm厚。在一些实施方案中，特别是其中阻挡层为绝缘体的那些实施方案中，阻挡层为约1-10nm厚。在一些实施方案中，特别是其中阻挡层为导体的那些实施方案中，阻挡层为约5-200nm厚。

在一些实施方案中，磁性材料还包含与第一铁磁性层接触的基底。

适合的基底是与第一铁磁性层非反应性的，并且在用于制备磁性材料的加工条件期间是稳定的。

在一些实施方案中，所述基底为导体。在其它实施方案中，所述基底为半导体。在其它实施方案中，所述基底为绝缘体。

在一些实施方案中，第一铁磁性层与基底外延。在其它实施方案中，第一铁磁性层为多晶的。

在一些实施方案中，第一铁磁性层与基底外延且阻挡层与第一铁磁性层外延。

在一些实施方案中，第一铁磁性层与基底外延，阻挡层与第一铁磁性层外延，且第二铁磁性层与阻挡层外延。

在一些实施方案中，基底为AlN、GaN或(Al,In,Ga)N合金。

其它适合的基底包括但不限于氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)和MgO。

其它适合的基底包括但不限于Al、W、Cr、Cu、Gd、Mg、TaN、NbN、GaAs、和MgF₂。

适合的基底包括多层结构的材料。例如，多层结构的基底可以包括与第一铁磁性层接触的缓冲层。

在一些实施方案中，基底包含Si或Al₂O₃，其任选具有AlN或GaN的缓冲层。在其它实施方案中，所述缓冲层为(Al,In,Ga)N合金。

在一些实施方案中，基底包含Al₂O₃。在一些实施方案中，基底包含沿(111)平面取向的Al₂O₃。在一些实施方案中，基底包含具有AlN或GaN外延(六重轴)缓冲层的沿(111)平面取向的Al₂O₃。

在一些实施方案中，磁性材料还包含与第二铁磁性层接触的覆盖层。

由于它们在空气中的分解，基底上的稀土氮化物薄膜通常使用有效的覆盖层钝化，以避免与环境大气反应。

适合的覆盖层是与第二铁磁性层非反应性的。

所述覆盖层可以是与第二铁磁性层外延的、多晶的、或无定形的。

适于覆盖层的材料包括但不限于Al、W、Cr、Cu、Gd、Mg、TaN、NbN、Si、YSZ、GaN、GaAs、AlN、(Al,In,Ga)N合金，和MgF₂。

在一些实施方案中，覆盖层选自AlN、GaN、(Al,In,Ga)N合金，和Si。

在一些实施方案中，覆盖层选自AlN和GaN。有利地，AlN和GaN为透明的，允许光学测量。AlN和GaN的其它益处包括它们易于生长和随时间良好的化学稳定性。

在一些实施方案中，覆盖层为GaN。

本发明的磁性材料的一个实施方案示于图1中。

参见图1，磁性材料(1)包含第一铁磁性层(5)、第二铁磁性层(10)、和在所述第一铁磁性层(5)和第二铁磁性层(10)之间并与所述第一铁磁性层(5)和第二铁磁性层(10)分别接触的阻挡层(15)。所述第一铁磁性层(5)包含第一稀土氮化物材料且所述第二铁磁性层(10)包含第二稀土氮化物材料。所述第一稀土氮化物材料(5)和第二稀土氮化物材料(10)具有不同的矫顽场。图1中显示的磁性材料(1)的实施方案还包含任选存在的与所述第一铁磁性层(5)接触的基底(20)和任选存在的与所述第二铁磁性层(10)接触的覆盖层(25)。

在第二个方面，本发明提供了磁性设备，其包含第一个方面的磁性材料和任选存在的电接触。

这样的电接触可能是例如用于一些设备的写入和/或读出过程所要求的。适合的电接触包括导电基底或用于隧道效应设备(例如MRAM和TMR磁场传感器)的底部金属带和顶部金属带或者用于平面内电阻读出器(例如GMR磁场传感器)的接触。

这样的电接触可以在设备制造期间预先沉积或后沉积，但本发明不限于此。

在一些实施方案中，基底和/或覆盖层提供电接触。

在第三个方面，本发明提供了制备第一个方面的磁性材料的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)沉积包含第一稀土氮化物材料的第一铁磁性层；

(b)在步骤(a)中形成的第一铁磁性层上沉积阻挡层；和

(c)在步骤(b)中形成的阻挡层上沉积包含第二稀土氮化物材料的第二铁磁性层。

在一些实施方案中，在基底上沉积第一铁磁性层。适合的基底为如上所讨论的。

因此，在一些实施方案中，本发明提供了制备第一个方面的磁性材料的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)在基底上沉积包含第一稀土氮化物材料的第一铁磁性层；

(b)在步骤(a)中形成的第一铁磁性层上沉积阻挡层；和

(c)在步骤(b)中形成的阻挡层上沉积包含第二稀土氮化物材料的第二铁磁性层。

在一些实施方案中，所述方法还包括：

(d)在步骤(c)中形成的第二铁磁性层上沉积覆盖层。

顺序沉积所述这些层，通常使用本领域技术人员已知的超高真空技术。适合的技术包括但不限于物理气相沉积(PVD)，包括脉冲激光沉积(PLD)和DC/RF磁控溅射、热蒸发和分子束外延(MBE)。也可以使用其它技术，包括但不限于金属有机化学气相沉积(MOCVD)。

在一些实施方案中，通过MBE顺序地沉积这些层。在这些实施方案中的一些中，使用反射高能电子衍射(RHEED)监控层的生长。

MBE装置中的基础压力通常为约10^-8托或更少。

例如GdN和SmN通过将稀土和氮源组合而通过MBE以薄膜的形式容易地生长。

所述氮源在生长表面提供反应性氮原子。在一些实施方案中，所述氮源选自由以下组成的组：纯分子氮、氨、和活性氮源例如氮等离子体或离子化氮，或其任意两种或更多种的混合物。

在一些实施方案中，氮源选自由以下组成的组：纯分子氮、氨、和活性氮源例如氮等离子体或离子化氮。

在一些实施方案中，氮源为纯分子氮。

稀土可以由稀土元素源例如包含固体稀土的扩散室(effusion cell)提供，所述固体稀土在沉积期间蒸发。

氮源流量通常比稀土流量大至少100倍。如果氮源流量与稀土流量的比例为小于约100，则生成的膜可能被氮空位大量地掺杂。

在其中稀土氮化物材料通过MBE沉积的一些实施方案中，氮源的分压或束等效压力(BEP)为约10^-5-10^-3托。

在一些实施方案中，稀土的BEP为约10^-8-10^-7托。

这些层通常以约0.01-1nm/s的速率沉积。在一些实施方案中，这些层以约0.01-0.5nm/s的速率沉积。在一些实施方案中，这些层以约0.01-0.15nm/s的速率沉积。在一些实施方案中，这些层以约0.01-0.1nm/s的速率沉积。

在一些实施方案中，这些层在环境温度下或在升高的温度下沉积。

通常在升高的温度下沉积层，其中期望层与待沉积至其上的层或基底外延。

例如，当在环境温度下生长时，GdN和SmN膜具有强(111)织构，但在高于300℃的温度下它们在适合的基底上外延生长。

因此，在一些实施方案中，这些层在约500-900℃的温度下沉积。在一些实施方案中，这些层在约500-800℃的温度下沉积。

然而，这些层可以在低于上述温度的温度下沉积，或甚至在环境温度下沉积，特别是如果期望多晶材料时。例如，在较低的温度下沉积稀土氮化物层通常导致较少的氮空位。

沉积期间的温度可以方便地使用光学高温计或本领域中已知的其它适合的装置例如热电偶测量。

在一些实施方案中，在存在纯N₂气或如上所讨论的另一种氮源的情况下同时蒸发两种或更多种稀土元素，以提供包含稀土氮化物材料的合金的层。

类似地，在其中基底、阻挡层和/或覆盖层包含III族氮化物的那些实施方案中，也预期III族氮化物的合金。

本领域技术人员应理解的是，在沉积这些层的一层或多层期间可以引入一种或多种掺杂剂。这样的掺杂剂可以改变所得层的磁性质和/或电性质。

在第四个方面，本发明提供了通过第三个方面的方法制备的磁性材料。

本发明还提供了可通过第三个方面的方法获得的磁性材料。

提供以下非限定性实例以解释本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例

实施例1

参考图1，使用分子束外延在(111)取向的Al₂O₃基底(20)上生长包含GdN第一铁磁性层(5)和SmN第二铁磁性层(10)且具有非磁性LaN阻挡层(15)的磁性材料(1)。

使用分子束外延在(111)取向的Al₂O₃基底(20)上生长包含GdN第一铁磁性层(5)和SmN第二铁磁性层(10)但不具有非磁性LaN阻挡层(15)的相应的材料。

所加入的Ga、La、Sm和Gd固体进料各自的纯度均为至少3N。

超高真空室的基础压力为10^-8托。在稀土氮化物层的生长期间将基底(20)保持在750℃。通过在存在3x10^-4托分压的纯(至少4N)分子氮的情况下使用电子枪蒸发Gd金属来生长GdN第一铁磁性层(5)。GdN的生长速率为0.05nm/s，Gd的束等效压力为8x10^-8托。GdN生长至100nm的厚度。当存在时，在与用于GdN层的氮压力相同的氮压力下，通过使用电子枪蒸发La金属，而在GdN第一铁磁性层(5)的上方生长LaN非磁性阻挡层(15)。LaN的生长速率为0.04nm/s，La的束等效压力为7x10^-8托。LaN生长至6nm的厚度。在与用于先前的层的氮分压相同的氮分压下，通过在热蒸发器中蒸发Sm金属，在用于第一材料的GdN的上方和用于第二材料的LaN上方生长SmN第二铁磁性层(10)。SmN的生长速率为0.02nm/s，Sm的束等效压力为3x10^-8托。SmN生长至5.5nm的厚度。

两种材料均包含覆盖层(25)，具体而言是以0.06nm/s的生长速率和1x10^-7托的束等效压力在环境温度下生长的25nm厚的GaN层。使用电子枪蒸发Ga金属，以及使用在3x10^-4托的分压下的来自市售的离子化氮源的离子化氮形成氮化物。

图2中SmN/GdN材料和SmN/LaN/GdN材料的x射线磁性圆二色谱(XMCD)证明了通过在SmN和GdN层之间引入薄的间隔层而实现SmN层和GdN层中的磁化方向的解耦。XMCD本质上测量磁化的强度和方向，并且能够探测单独来自各层的贡献(图2中的图显示了SmN的贡献)。有两种类型的光谱：TEY(总电子收率，图的上部分)，其仅探测表面；和TFY(总荧光收率，图的下部分)，其探测从SmN层一直下至与下方GdN层的界面的总厚度。因此，TEY光谱代表不受GdN临近处影响的SmN部分，而TFY显示了由于接近GdN而对SmN的影响。

对于具有直接与GdN相邻的SmN的材料，TFY具有与TEY相同的形状但符号相反。这意味着在SmN表面处的磁化与GdN界面附近的磁化方向相反，这是GdN影响邻近的SmN的明显信号。对于在SmN和GdN之间具有阻挡层的材料，未观察到信号的反转，这意味着SmN的磁化在整个层为均一的方向，没有受到GdN的强烈影响。因此，图2证明了这两个磁性层解耦。

实施例2

参考图1，在基础压力为1x10^-8毫巴(7.5x10^-9托)的真空系统中，在室温下生长由GdN电极(由薄GaN隧道阻挡(阻挡层(15)分隔的第一铁磁性层(5)、第二铁磁性层(10))组成的多晶磁性隧道结形式的磁性材料(1)。对于GdN层(5,10)，在1-10x10^-5毫巴(7.5-75x10^-6托)的氮分压下以的速率由电子枪蒸发钆金属。以相似的方式生长GaN间隔层，活性氮由考夫曼离子源提供。

通过光刻，以交叉接触的几何形状形成隧道结。经由光刻和金属剥离工艺将窄的(100μm)金接触片(未显示)沉积在蓝宝石基底(20)上。通过光刻制造与金片正交的200μm宽的通道。随后沉积GdN/GaN/GdN隧道结(5,15,10)，然后沉积起覆盖层(25)作用的～45nm钆金属顶层以防止GdN的氧化。在生长隧道结和Gd层(25)之后，经由第二剥离工艺将光刻胶除去。金属Gd层(25)在高至室温下为铁磁性的，并且预期会破坏顶层和底层铁磁性GdN层(5,10)的磁性质之间的对称。

截面扫描电子显微镜(SEM)图像显示了GdN层(5,10)各为约60nm厚。在相似条件下生长的GaN层上进行的X-射线反射法得到若干(～5)nm的厚度，与SEM结果一致。

为与隧道结相比较，在标称相同的生长条件下制备包含在蓝宝石基底(20)上～100nm GdN膜(5)但没有阻挡层(15)或第二铁磁性层(10)的相应材料，并使用～30nm厚GaN层(25)代替Gd层覆盖。X射线衍射(Θ-2Θ扫描)揭示了GdN(5)为多晶，具有强(111)织构，且具有的平面外晶格参数。

图3显示了典型的隧道阻挡在5和290K下的电流密度-电压(J-V)特性。在包括显示的那些的所有温度5-290K下曲线均为非线性的，如同由隧道效应决定的系统所预期的那样。数据与Simmons开发的用于隧道穿过矩形阻挡层的模型拟合良好(参见J.G.Simmons,J.Appl.Phys.34 1793(1963)和J.G.Simmons,J.Appl.Phys.35 2472(1964))。

在所有温度下的数据与1.91nm的阻挡宽度拟合极好，留下阻挡高度作为仅有的温度依赖性拟合参数。图3的插入图显示由拟合得到的温度依赖性阻挡高度(向前和向后电流的平均值)。

模型化阻挡厚度与SEM和X射线反射率测量相似，但比这些测量的最佳估值略薄，这最可能是因为以下事实：隧道效应由阻挡的最薄部分决定的。在室温下发现阻挡高度为1.5eV且在低温下为1.65eV，这表明费密能级靠近GaN阻挡的间隙的中间(假定GdN中的E_F靠近导带最小值)。

在平行于这些层施加的增加长和减小场中测量的5K下的磁致电阻显示出在其中一层在低于另一层的场下切换的磁性隧道结中预期的磁滞特征——参见图4(a)。切换的场符合在图4(b)中显示的磁滞中观察到的矫顽场。磁致电阻中的磁滞归因于在导致高电阻状态的低场下GdN层(5,10)中的决定性磁化方向的差异。

在不同的施加电流下测量的隧道阻挡的温度依赖性电阻示于图5中。在最小的电流(10nA)下测量的隧道阻挡的电阻比由单独的GdN电阻率计算的电阻大四(5K下)至六(300K下)个数量级，因此，明显的是磁性隧道结电阻由GaN阻挡决定。但主体GdN的电阻率的特征反映在磁性隧道结的性质中。

实际上，不具有GaN阻挡但其它相似的GdN对照设备在垂直迁移方向中具有极低的电阻(<1Ω)。为进行比较，范德堡几何中测量的均质GdN膜的电阻率示于图5的插入图中。均质膜的电阻和隧道阻挡的电阻均显示出相似的电子结构，包括由GdN能带的交换分裂的发生导致的在GdN的居里温度附近50K下的峰，其降低了多数载流子活化能并因此降低了电阻。T_C附近的峰被抑制，且在较高的电流下隧道结中的总电阻降低，而对于主体GdN未见到这些效应。对于较大的施加电流，因此对于电压，与施加的电压对于阻挡高度的影响相比较，能带分裂的相对影响变小。显然，穿过隧道结的迁移由GaN层的存在决定，但电极中的状态密度对于设备特征也具有重要影响。

通过以下条款描述本发明的多个方面：

1.磁性材料，其包含第一铁磁性层、第二铁磁性层、和在所述第一铁磁性层和第二铁磁性层之间并与所述第一铁磁性层和第二铁磁性层分别接触的阻挡层，其中所述第一铁磁性层和第二铁磁性层具有不同的矫顽场，且其中所述第一铁磁性层包含第一稀土氮化物材料以及所述第二铁磁性层包含第二稀土氮化物材料，且其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：氮化镨(PrN)、氮化钕(NdN)、氮化钐(SmN)、氮化铕(EuN)、氮化钆(GdN)、氮化铽(TbN)、氮化镝(DyN)、氮化钬(HoN)、氮化铒(ErN)、氮化铥(TmN)、和氮化镱(YbN)，及其任意两种或更多种的合金。

2.如条款1所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、和TmN，及其任意两种或更多种的合金。

3.如条款1所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、EuN、GdN、DyN、HoN、ErN、和YbN，及其任意两种或更多种的合金。

4.如条款1-3所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、GdN、DyN、HoN、和ErN，及其任意两种或更多种的合金。

5.如条款1所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、EuN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、TmN、和YbN。

6.如条款1、2和5所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、和TmN。

7.如条款1、3和5所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、EuN、GdN、DyN、HoN、ErN、和YbN。

8.如条款1-7所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、GdN、DyN、HoN、和ErN。

9.如条款1-4所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料之一或两者均为稀土氮化物合金。

10.如条款9所述的磁性材料，其中所述稀土氮化物合金选自由以下组成的组：(Sm,Gd)N、(Gd,Ho)N、和(Gd,Dy)N。

11.如条款1-10所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料之一或两者均另外包含一种或多种额外的掺杂剂。

12.如条款1-11所述的磁性材料，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料包含少于约10²¹个原子/cm³的额外的一种或多种掺杂剂或其它杂质。

13.如条款1-12所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性层基本上由所述第一稀土氮化物材料组成。

14.如条款1-13所述的磁性材料，其中所述第二铁磁性层基本上由所述第二稀土氮化物材料组成。

15.如条款1-14所述的磁性材料，其中具有较低矫顽场的铁磁性层的矫顽场为小于约500Oe。

16.如条款1-15所述的磁性材料，其中具有较高矫顽场的铁磁性层的矫顽场比具有较低矫顽场的层的矫顽场大至少约2倍。

17.如条款1-16所述的磁性材料，其中所述矫顽场在约70K下测量。

18.如条款1-16所述的磁性材料，其中所述矫顽场在约50K下测量。

19.如条款1-16所述的磁性材料，其中所述矫顽场在约4K下测量。

20.如条款1-19所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性层和第二铁磁性层之间的矫顽场差异为温度敏感性的。

21.如条款1-20所述的磁性材料，其中所述第二铁磁性层的矫顽场高于所述第一铁磁性层的矫顽场。

22.如条款1-20所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性层的矫顽场高于所述第二铁磁性层的矫顽场。

23.如条款1-21所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性稀土氮化物材料包含GdN。

24.如条款1-23所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性稀土氮化物材料和第二铁磁性稀土氮化物材料包含GdN。

25.如条款1-21和23所述的磁性材料，其中所述第二铁磁性稀土氮化物材料包含SmN。

26.如条款1-21、23和25所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性稀土氮化物材料包含GdN且所述第二铁磁性稀土氮化物材料包含SmN。

27.如条款1-20和22所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性稀土氮化物材料包含SmN且所述第二铁磁性稀土氮化物材料包含GdN。

28.如条款1-27所述的磁性材料，其中所述阻挡层与所述第一铁磁性层外延。

29.如条款1-28所述的磁性材料，其中所述第二铁磁性层与所述阻挡层外延。

30.如条款1-29所述的磁性材料，其中所述阻挡层与所述第一铁磁性层外延且所述第二铁磁性层与所述阻挡层外延。

31.如条款1-30所述的磁性材料，其中所述阻挡层包含第三稀土氮化物材料。

32.如条款1-31所述的磁性材料，其中所述阻挡层包含LaN或LuN。

33.如条款1-33所述的磁性材料，其中所述阻挡层基本上由LaN组成。

34.如条款1-33所述的磁性材料，其中所述阻挡层基本上由LuN组成。

35.如条款1-27所述的磁性材料，其中所述阻挡层选自由以下组成的组：LaN、LuN、HfN、AlN、GaN、和(Al,In,Ga)N合金。

36.如条款1-27和35所述的磁性材料，其中所述阻挡层包含GaN。

37.如条款1-36所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性层和第二铁磁性层各自独立地为约5-200nm厚。

38.如条款1-37所述的磁性材料，其中所述阻挡层为约1-200nm厚。

39.如条款1-38所述的磁性材料，其中所述磁性材料还包含与所述第一铁磁性层接触的基底。

40.如条款39所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性层与所述基底外延。

41.如条款39或40所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性层与所述基底外延且所述阻挡层与所述第一铁磁性层外延。

42.如条款39-41所述的磁性材料，其中所述第一铁磁性层与所述基底外延，所述阻挡层与所述第一铁磁性层外延，且所述第二铁磁性层与所述阻挡层外延。

43.如条款39-42所述的磁性材料，其中所述基底包含与所述第一铁磁性层接触的缓冲层。

44.如条款1-42所述的磁性材料，其中所述磁性材料还包含与所述第二铁磁性层接触的覆盖层。

45.如条款44所述的磁性材料，其中所述覆盖层与所述第二铁磁性层外延。

46.制备磁性材料的方法，所述磁性材料包含第一铁磁性层、第二铁磁性层、和在所述第一铁磁性层和第二铁磁性层之间并与所述第一铁磁性层和第二铁磁性层分别接触的阻挡层，其中所述第一铁磁性层和第二铁磁性层具有不同的矫顽场，且其中所述第一铁磁性层包含第一稀土氮化物材料以及所述第二铁磁性层包含第二稀土氮化物材料，且其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：氮化镨(PrN)、氮化钕(NdN)、氮化钐(SmN)、氮化铕(EuN)、氮化钆(GdN)、氮化铽(TbN)、氮化镝(DyN)、氮化钬(HoN)、氮化铒(ErN)、氮化铥(TmN)、和氮化镱(YbN)，及其任意两种或更多种的合金，所述方法包括以下步骤：

(a)沉积包含所述第一稀土氮化物材料的所述第一铁磁性层；

(b)在步骤(a)中形成的所述第一铁磁性层上沉积所述阻挡层；和

(c)在步骤(b)中形成的所述阻挡层上沉积包含所述第二稀土氮化物材料的所述第二铁磁性层。

47.如条款46所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、和TmN，及其任意两种或更多种的合金。

48.如条款46所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、EuN、GdN、DyN、HoN、ErN、和YbN，及其任意两种或更多种的合金。

49.如条款46-48所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、GdN、DyN、HoN、和ErN，及其任意两种或更多种的合金。

50.如条款46所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、EuN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、TmN、和YbN。

51.如条款46、47和50所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：PrN、NdN、SmN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、和TmN。

52.如条款46、48和50所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、EuN、GdN、DyN、HoN、ErN、和YbN。

53.如条款46-52所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料各自独立地选自由以下组成的组：NdN、SmN、GdN、DyN、HoN、和ErN。

54.如条款46-49所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料之一或两者均为稀土氮化物合金。

55.如条款54所述的方法，其中所述稀土氮化物合金选自由以下组成的组：(Sm,Gd)N、(Gd,Ho)N、和(Gd,Dy)N。

56.如条款46-55所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料之一或两者均另外包含一种或多种额外的掺杂剂。

57.如条款46-56所述的方法，其中所述第一稀土氮化物材料和第二稀土氮化物材料包含少于约10²¹个原子/cm³的额外的一种或多种掺杂剂或其它杂质。

58.如条款46-57所述的方法，其中所述第一铁磁性层基本上由所述第一稀土氮化物材料组成。

59.如条款46-58所述的方法，其中所述第二铁磁性层基本上由所述第二稀土氮化物材料组成。

60.如条款46-59所述的方法，其中具有较低矫顽场的铁磁性层的矫顽场为小于约500Oe。

61.如条款46-60所述的方法，其中具有较高矫顽场的铁磁性层的矫顽场比具有较低矫顽场的层的矫顽场大至少约2倍。

62.如条款46-61所述的方法，其中所述矫顽场在约70K下测量。

63.如条款46-61所述的方法，其中所述矫顽场在约50K下测量。

64.如条款46-61所述的方法，其中所述矫顽场在约4K下测量。

65.如条款46-64所述的方法，其中所述第一铁磁性层和第二铁磁性层之间的矫顽场差异为温度敏感性的。

66.如条款46-65所述的方法，其中所述第二铁磁性层的矫顽场高于所述第一铁磁性层的矫顽场。

67.如条款46-65所述的方法，其中所述第一铁磁性层的矫顽场高于所述第二铁磁性层的矫顽场。

68.如条款46-66所述的方法，其中所述第一铁磁性稀土氮化物材料包含GdN。

69.如条款46-68所述的方法，其中所述第一铁磁性稀土氮化物材料和第二铁磁性稀土氮化物材料包含GdN。

70.如条款46-66和68所述的磁性材料，其中所述第二铁磁性稀土氮化物材料包含SmN。

71.如条款46-66、68和70所述的方法，其中所述第一铁磁性稀土氮化物材料包含GdN且所述第二铁磁性稀土氮化物材料包含SmN。

72.如条款46-65和67所述的方法，其中所述第一铁磁性稀土氮化物材料包含SmN且所述第二铁磁性稀土氮化物材料包含GdN。

73.如条款46-72所述的方法，其中所述阻挡层与所述第一铁磁性层外延。

74.如条款46-73所述的方法，其中所述第二铁磁性层与所述阻挡层外延。

75.如条款46-74所述的方法，其中所述阻挡层与所述第一铁磁性层外延且所述第二铁磁性层与所述阻挡层外延。

76.如条款46-75所述的方法，其中所述阻挡层包含第三稀土氮化物材料。

77.如条款46-76所述的方法，其中所述阻挡层包含LaN或LuN。

78.如条款46-77所述的方法，其中所述阻挡层基本上由LaN组成。

79.如条款46-78所述的方法，其中所述阻挡层基本上由LuN组成。

80.如条款46-72所述的方法，其中所述阻挡层选自由以下组成的组：LaN、LuN、HfN、AlN、GaN、和(Al,In,Ga)N合金。

81.如条款46-72和80所述的方法，其中所述阻挡层包含GaN。

82.如条款46-81所述的方法，其中所述第一铁磁性层和第二铁磁性层各自独立地为约5-200nm厚。

83.如条款46-82所述的方法，其中所述阻挡层为约1-200nm厚。

84.制备如条款1-38所述的铁磁性材料的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)沉积包含第一稀土氮化物材料的第一铁磁性层；

(b)在步骤(a)中形成的第一铁磁性层上沉积阻挡层；和

(c)在步骤(b)中形成的阻挡层上沉积包含第二稀土氮化物材料的第二铁磁性层。

85.如条款46-84所述的方法，其中所述第一铁磁性层沉积在基底上。

86.如条款85所述的方法，其中所述第一铁磁性层与所述基底外延。

87.如条款85或86所述的方法，其中所述第一铁磁性层与所述基底外延且所述阻挡层与所述第一铁磁性层外延。

88.如条款85-87所述的方法，其中所述第一铁磁性层与所述基底外延，所述阻挡层与所述第一铁磁性层外延，且所述第二铁磁性层与所述阻挡层外延。

89.如条款85-88所述的方法，其中所述基底包含与所述第一铁磁性层接触的缓冲层。

90.如条款46-89所述的方法，其中所述方法另外包括：

(d)在步骤(c)中形成的第二铁磁性层上沉积覆盖层。

91.如条款90所述的方法，其中所述覆盖层与所述第二铁磁性层外延。

92.如条款46-91所述的方法，其中使用超高真空技术顺序地沉积所述层。

93.如条款92所述的方法，其中所述超高真空技术选自由以下组成的组：物理气相沉积(PVD)、脉冲激光沉积(PLD)、DC/RF磁控溅射、热蒸发和分子束外延(MBE)。

94.如条款46-93所述的方法，其中通过MBE顺序地沉积所述层。

95.如条款46-91所述的方法，其中通过将稀土和氮源结合而通过MBE沉积一种或多种稀土氮化物材料。

96.如条款95所述的方法，其中所述氮源选自由以下组成的组：纯分子氮、氨、和活性氮源，或其任意两种或更多种的混合物。

97.如条款96所述的方法，其中所述活性氮源为氮等离子体或离子化氮。

98.如条款97所述的方法，其中所述氮源为纯分子氮。

99.如条款95-98所述的方法，其中所述氮源流量比所述稀土流量大至少100倍。

100.如条款95-99所述的方法，其中所述氮源的分压或束等效压力(BEP)为约10^-5-10^-3托。

101.如条款95-100所述的方法，其中所述稀土的BEP为约10^-8-10^-7托。

102.如条款46-101所述的方法，其中所述层以约0.01-1nm/s的速率沉积。

103.如条款46-102所述的方法，其中所述层在环境温度下或在升高的温度下沉积。

104.如条款46-103所述的方法，其中所述层的一层或多层在约500-900℃的温度下沉积。

105.如条款46-104所述的方法，其中所述层的一层或多层在约500-800℃的温度下沉积。

106.通过如条款46-105所述的方法制备的磁性材料。

107.可通过如条款46-105所述的方法获得的磁性材料。

108.磁性设备，其包含如条款1-45、106和107所述的磁性材料和任选存在的电接触。

109.如条款108所述的磁性设备，其中基底和/或覆盖层提供电接触。

不意图将本发明的范围仅限制在上述实例的范围内。如同本领域技术人员将理解的，可能有许多变体，而不偏离所附权利要求中列举的本发明的范围。