基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器及其制备方法，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器包括：衬底；平滑层，设置在衬底上；探测磁性层，设置在平滑层上，其中，探测磁性层为具有超顺磁性的薄膜；势垒层，设置在探测磁性层上；参考磁性层，设置在势垒层上，其中，参考磁性层为具有磁各向异性的薄膜；覆盖层，设置在参考磁性层上，形成磁性多层膜结构，其中，覆盖层用于保护磁性多层膜结构。

【技术实现步骤摘要】
基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器
本专利技术涉及自旋电子学领域，尤其涉及一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器及其制备方法。
技术介绍
高性能的磁敏传感器在诸多尖端领域有着广阔的应用前景，例如可应用于数据存储、汽车、数控机床、家用电器和金融安全等。根据探测原理的不同，可以将目前大规模商业化应用的磁敏传感器分为不同类别，包括霍尔传感器、各向异性磁电阻(AMR)效应传感器、巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻(TMR)效应传感器。半导体霍尔效应磁敏传感器和各向异性磁电阻(AMR)效应磁敏传感器是发展较早的两种磁电阻式磁敏传感器，目前已得到大规模应用。然而，这两种磁敏传感器的探测灵敏度较低，限制了其进一步发展。随着自旋电子学的蓬勃发展，巨磁电阻(GMR)效应以及隧穿磁电阻(TMR)效应先后被发现并应用于磁敏传感器领域。值得一提的是，TMR磁敏传感器兼具较低的低频噪声、小尺寸和高灵敏度等显著优势，在工业上具有广阔的应用前景，是新一代高性能磁传感器的重要发展方向。磁传感器领域的核心问题是如何解决磁传感器器件对外磁场的线性和可逆响应。目前主要通过以下几种方法来实现，主要包括加纵向偏置场、采用超顺磁性层和反铁磁磁性钉扎。其中，加纵向偏置场主要利用采用埋入永磁薄膜的方法使得自旋阀结构中的自由层(即对外磁场敏感的层)与参考层(即被钉扎层)的磁矩实现90度垂直夹角。而反铁磁磁性钉扎则是利用反铁磁材料对磁性材料的磁性钉扎所用，并且需要引入两次退火过程。这两种方法大大增加了工艺难度和制造成本，而且很难将器件小型化。<br>将探测磁性层材料选用超顺磁材料可以解决上述难题。由于超顺磁性薄膜的磁矩在零场附近正比于外部的磁场强度，因此可以使磁性隧道结器件的隧穿磁电阻信号对外磁场线性响应，具有结构简单、制备工艺成熟和成本低廉的优点。
技术实现思路
有鉴于此，为了实现对外磁场进行可逆线性响应，本专利技术提供了一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器包括：衬底；平滑层，设置在衬底上；探测磁性层，设置在平滑层上，其中，探测磁性层为具有超顺磁性的薄膜；势垒层，设置在探测磁性层上；参考磁性层，设置在势垒层上，其中，参考磁性层为具有磁各向异性的薄膜；覆盖层，设置在参考磁性层上，形成磁性多层膜结构，其中，覆盖层用于保护磁性多层膜结构。可选地，衬底可以包括GaAs、Si、SiO2、MgO、蓝宝石或SiC中的一种。可选地，平滑层可以包括GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种，厚度范围在5～200nm之间。可选地，探测磁性层可以包括Mn(Ga)As：GaAs颗粒膜，厚度范围在10～100nm之间。可选地，势垒层可以包括MgO、AlAs或Cu中的一种，厚度范围在0.5～5nm之间。可选地，参考磁性层可以包括Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl中的一种，厚度范围在2～10nm之间。可选地，覆盖层可以包括Pt、Ta、Al或Pd中的一种，厚度范围在1～3nm之间。本专利技术提供一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备方法，包括：提供一衬底；在衬底上形成平滑层；在平滑层上形成探测磁性层；在探测磁性层上形成势垒层；在势垒层上形成参考磁性层；在参考磁性层上形成覆盖层，得到磁性多层膜结构；将磁性多层膜结构置于真空下磁场退火，得到基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器。可选地，形成探测磁性层的工艺包括：磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发镀膜中的一种。本专利技术制备了一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器。在本专利技术的隧穿磁电阻效应磁敏传感器中，探测磁性层具有超顺磁性，可以随外部磁场一致转动。在零场附近，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器可以实现对外磁场的可逆无磁滞线性响应。此外，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器具有极佳的半导体工艺兼容性。因此，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器不仅具备传统隧穿磁电阻传感器的低功耗、高灵敏度和小尺寸等特点，还具有高可靠性和低成本的显著优势。附图说明图1为本专利技术实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的结构示意图；图2为本专利技术实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备流程图；图3为本专利技术实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的结构图；图4为本专利技术实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的磁滞回线；图5为本专利技术实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的隧穿磁电阻曲线。【附图符号说明】1-衬底；2-平滑层；3-探测磁性层；4-势垒层；5-参考磁性层；6-覆盖层具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。图1为本专利技术实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的结构示意图。如图1所示，本专利技术提供一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器包括：衬底1；平滑层2，设置在衬底1上；探测磁性层3，设置在平滑层2上，其中，探测磁性层3为具有超顺磁性的薄膜；势垒层4，设置在探测磁性层3上；参考磁性层5，设置在势垒层4上，其中，参考磁性层5为具有磁各向异性的薄膜；覆盖层6，设置在参考磁性层5上，形成磁性多层膜结构，其中，覆盖层6用于保护磁性多层膜结构。根据本专利技术的实施例，衬底用于为后续生长的磁性多膜材料提供外延基础。衬底可以包括GaAs、Si、SiO2、MgO、蓝宝石或SiC中的一种。根据本专利技术的实施例，平滑层可以提供良好的界面平整度和晶格匹配，平滑层可以包括GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种，厚度范围在5～200nm之间，厚度可以为5nm、50nm、100nm、150nm、200nm。根据本专利技术的实施例，衬底可以为GaAs(001)，平滑层可以为GaAs，在GaAs(001)衬底上生长了200nm厚的GaAs过渡层，可以获得更加平整的GaAs界面，有利于与后续生长的薄膜材料实现晶格匹配。根据本专利技术的实施例，探测磁性层可以包括Mn(Ga)As：GaAs颗粒膜，厚度范围在10～100nm之间，厚度可以为10nm、20nm、50nm、70nm、100nm。根据本专利技术的实施例，势垒层可以包括MgO、AlAs或Cu中的一种，厚度范围在0.5～5nm之间，厚度可以为0.5nm、1nm、2nm、4nm、5nm。根据本专利技术的实施例，参考磁性层为具有相对较强的磁各向异性的薄膜，参考磁性层可以包括Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl中的一种，厚度范围在2～10nm之间，厚度可以为2nm、4nm、6nm、8nm、10nm。根据本专利技术的实施例，覆盖层可以包括Pt、Ta、Al或Pd中的一种，厚度范围在1～3n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，包括：/n衬底；/n平滑层，设置在所述衬底上；/n探测磁性层，设置在所述平滑层上，其中，所述探测磁性层为具有超顺磁性的薄膜；/n势垒层，设置在所述探测磁性层上；/n参考磁性层，设置在所述势垒层上，其中，所述参考磁性层为具有磁各向异性的薄膜；/n覆盖层，设置在所述参考磁性层上，形成磁性多层膜结构，其中，所述覆盖层用于保护所述磁性多层膜结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，包括：
衬底；
平滑层，设置在所述衬底上；
探测磁性层，设置在所述平滑层上，其中，所述探测磁性层为具有超顺磁性的薄膜；
势垒层，设置在所述探测磁性层上；
参考磁性层，设置在所述势垒层上，其中，所述参考磁性层为具有磁各向异性的薄膜；
覆盖层，设置在所述参考磁性层上，形成磁性多层膜结构，其中，所述覆盖层用于保护所述磁性多层膜结构。


2.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述衬底包括GaAs、Si、SiO2、MgO、蓝宝石或SiC中的一种。


3.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述平滑层包括GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种，厚度范围在5～200nm之间。


4.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述探测磁性层包括Mn(Ga)As∶GaAs颗粒膜，厚度范围在10～100nm之间。


5.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述势垒层包括MgO、AlAs或...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建华，赵旭鹏，秦红蕊，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11