一种基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，包括：一衬底及其上的缓冲层，在所述的缓冲层上依次沉积了硬磁层、第一软磁层、非磁金属导电层或者绝缘层、第二软磁层及覆盖层。所述的硬磁层为剩磁比较高，矫顽力较大的铁磁材料组成，所述的软磁层为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料组成。该基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，还包括在硬磁层和第一软磁层之间的铁磁／反铁磁耦合层。所述的硬磁层还可以是复合硬磁层。所述的第二软磁层还可以是复合软磁层。该自旋阀磁电阻器件是在单晶衬底上采用真空镀膜的方法依次形成上述各层而得。该具有自旋阀结构的磁电阻器件不存在Ｍｎ的热扩散而具有高的热稳定性，可用于巨磁电阻器件和隧穿磁电阻器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有自旋阀结构的磁电阻器件，具体地说是涉及一种基于用硬磁材料钉扎软磁材料的具有自旋阀结构的磁电阻器件，及其制备方法。
技术介绍
自从1988年Baibich等人在Fe/Cr多层膜中发现巨磁电阻效应(GMR)以来，该效应已经被广泛而深入的研究。1991年Dieny提出一种自旋阀结构的巨磁电阻器件，其核心结构包括四层，由下至上依次为一反铁磁层、第一铁磁层、非磁性金属隔离层和第二铁磁层。该结构由于其具有大的磁电阻比值和小的翻转场，已经被成功的应用于计算机磁读出头和磁传感器中。1995年，T.Miyazaki和J.S.Moodera在磁性隧道结(MTJ)中分别独立获得了室温下18％和10％的TMR比值。经过发展完善，主流的磁性隧道结也采用了自旋阀式的三明治结构，其核心结构仍为四层，和自旋阀结构的巨磁电阻器件不同的是，使用一个薄的绝缘层(厚度为1～2nm)代替了非磁性金属隔离层。这些具有自旋阀结构的磁电阻器件有以下特点①在小磁场(约100奥斯特)范围内，第一铁磁层不会发生反磁化而保持初始磁化方向不变；②第二铁磁层可以自由翻转而实现和第一铁磁层的平行与反平行磁化配置；③第一铁磁层和第二铁磁层平行磁化时给出较小的电阻态(“0”)，反平行磁化时给出较大的电阻态(“1”)。具有上述自旋阀结构的磁电阻器件中的反铁磁钉扎材料，主要是利用基于交换偏置效应的Mn系反铁磁体组成，如Ir18Mn72，Pt50Mn50，Fe50Mn50，Ni50Mn50，它们能提供较大的偏置场。但这些反铁磁薄膜材料沉积制备后，一般需要在特定的温度下退火才能形成较好的反铁磁相结构。而且由于Mn原子容易产生向铁磁层的热扩散，会导致磁电阻器件的热稳定性下降，也就是说磁电阻比值在高温(典型值是大于300℃)热处理时会急剧下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的Mn系反铁磁体组成的自旋阀结构的磁电阻器件需在特定的温度下退火，且由于Mn原子的热扩散会导致的磁电阻器件热稳定性下降的缺陷，从而提供一种基于硬磁材料钉扎的自旋阀结构、不存在Mn的热扩散而具有高的热稳定性的磁电阻器件，及其制备方法。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的本专利技术提供一种基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，包括一衬底及其上的缓冲层，在所述的缓冲层上依次沉积了硬磁层(以下简称HM)、第一软磁层(以下简称FM1)、非磁金属导电层(以下简称NM)或者绝缘层(以下简称I)、第二软磁层(以下简称FM2)及覆盖层。所述的衬底为MgO，Al2O3，GaAs，SrTiO3，LaAlO3，或Si；所述的缓冲层为Ru，Cr，Cu，Pt，Au，Ag，Fe，Ta，Mo，Zr，Nb或它们的混合物组成；所述的缓冲层的厚度为5～50nm；所述的硬磁层为剩磁比较高，矫顽力较大的铁磁材料组成，例如矫顽力在1～3KOe的材料，具体包括CoxPt1-x合金，其中0.3＜x＜0.8；[Co(t1nm)/Pt(t2nm)]N周期多层膜，其中0.3＜t1＜0.7，0.8＜t2＜1.5，N代表周期个数；SmCoy合金，其中3.0＜y＜9.0；NdFeB永磁，其中Nd含量为14～30at％，B含量为6～8at％，其余为Fe；FezPt1-z合金，其中0.3＜z＜0.8；优选地，如Co0.4Pt0.6、Nd0.15Fe0.77B0.08、Fe0.5Pt0.5；所述的硬磁层厚度为4～20nm；所述的软磁层FM1和FM2为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料组成，包括Co，Fe，Ni或它们的混合物，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或Heusler合金，如Co2MnSi、Co2Cr0.6Fe0.4Al；软磁层材料优选Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni78Fe22；所述的软磁层的厚度为3～10nm；所述的非磁金属导电层为Ru，Cu，Ag，Au，Pt，Cr，Al，Zn，Pd，Zr，Ti，Sc或它们的混合物组成；所述的非磁金属导电层厚度为2～5nm；所述绝缘层为氧化物组成，所述的氧化物包括Al2O3，AlN，MgO，Ta2O5，HfO2；所述的绝缘层的厚度为0.7nm～3nm；所述的覆盖层为Pt，Ru，Ta或它们的混合物组成；所述的覆盖层的厚度为4～6nm。本专利技术提供的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，还包括在硬磁层和第一软磁层之间的铁磁/反铁磁耦合层(以下简称P/AP)。所述的铁磁/反铁磁耦合层为Ru，Au，Cu，Ag，Pt，Cr，Al，Zn，Pd，Zr，Ti，Sc，Ir，Rh或它们的混合物组成；所述的铁磁/反铁磁耦合层的厚度为0.7～2.5nm。本专利技术提供的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，其中所述的硬磁层还可以是由第一硬磁材料层(以下简称HM1)，第二铁磁/反铁磁耦合层(以下简称AP2)和第二硬磁材料层(以下简称HM3)组成的复合硬磁层；HM1和HM3通过AP2形成反铁磁耦合，构成闭合磁路，使该复合硬磁层更能抵抗外磁场的作用而磁化状态更稳定，对上述第一软磁层的钉扎作用更强，而且，由于该复合硬磁层内部形成闭合磁路，对第二软磁层的静磁作用将到最低，更有利于第二软磁层自由地响应外磁场。所述的复合硬磁层中的硬磁材料层(HM1层和HM3层)是由构成前述硬磁层的材料构成；每一硬磁层的厚度为4～20nm；所述的复合硬磁层中的第二铁磁/反铁磁耦合层为Ru，Au，Cu，Ag，Pt，Cr，Al，Zn，Pd，Zr，Ti，Sc，Ir，Rh或它们的混合物组成；其厚度为0.7～2.5nm。本专利技术提供的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，其中所述的第二软磁层还可以是由第三软磁层(以下简称FM3)，第三铁磁/反铁磁耦合层(以下简称AP3)和第四软磁层(以下简称FM4)构成的复合软磁层；FM3和FM4通过AP3形成反铁磁耦合。所述的复合软磁层中的软磁层(FM3和FM4)是由构成前述软磁层的材料构成；每一软磁层的厚度为3～10nm；所述的复合软磁层中的第三铁磁/反铁磁耦合层为Ru，Au，Cu，Ag，Pt，Cr，Al，Zn，Pd，Zr，Ti，Sc，Ir，Rh或它们的混合物组成；其厚度为0.7～2.5nm。本专利技术提供一种上述基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的制备方法，其为在单晶衬底上采用真空镀膜的方法依次形成缓冲层、硬磁层、第一软磁层、非磁金属导电层或者绝缘层、第二软磁层及覆盖层，所述真空镀膜的真空度优于10-5Pa；具体包括如下的步骤1)采用常规磁控溅射方法在衬底上制备缓冲层； 2)将衬底温度设定在300～800℃，外加一大小为100～500Oe的诱导磁场在缓冲层上采用常规磁控溅射方法生长硬磁层；3)将步骤2)得到的沉积了硬磁层的衬底从真空镀膜设备中取出，采用VSM定出硬磁层的易磁化轴；具体地，改变样品相对于VSM扫描磁场的方向，从M-H曲线中挑出剩磁比最好的，其对应的样品易轴与VSM扫描磁场方向共线并将其标定在衬底上为以下的步骤提供参考；一般地，样品易轴沿单晶衬底的某一晶向；4)将步骤2)得到的沉积了硬磁层的衬底的温度设定为室温，并将真空镀膜设备的诱导磁场方向设定到与步骤3)确定的硬磁层的易轴方向共线，诱导磁场大小为50～100奥斯特，待温度稳定后，在其上沉积第一软磁层；5)保持室温，诱导磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，包括：一衬底及其上的缓冲层，在所述的缓冲层上依次沉积了硬磁层、第一软磁层、非磁金属导电层或者绝缘层、第二软磁层及覆盖层。

【技术特征摘要】
1.一种基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，包括一衬底及其上的缓冲层，在所述的缓冲层上依次沉积了硬磁层、第一软磁层、非磁金属导电层或者绝缘层、第二软磁层及覆盖层。2.如权利要求1所述的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，其特征在于所述的衬底为MgO，Al2O3，GaAs，SrTiO3，LaAlO3，或Si；所述的缓冲层为Ru，Cr，Cu，Pt，Au，Ag，Fe，Ta，Mo，Zr，Nb或它们的混合物组成；所述的缓冲层的厚度为5～50nm；所述的硬磁层为CoxPt1-x合金，其中0.3＜x＜0.8；或[Co(t1nm)/Pt(t2nm)]N周期多层膜，其中0.3＜t1＜0.7，0.8＜t2＜1.5，N代表周期个数；或SmCoy合金，其中3.0＜y＜9.0；或NdFeB永磁，其中Nd含量为14～30at％，B含量为6～8at％，其余为Fe；或FezPt1-z合金，其中0.3＜z＜0.8；所述的硬磁层厚度为4～20nm；所述的软磁层为Co，Fe，Ni或它们的混合物；或非晶Co100-x-yFexBy，其中0＜x＜100，0＜y≤20；或Heusler合金；所述的软磁层的厚度为3～10nm；所述的非磁金属导电层为Ru，Cu，Ag，Au，Pt，Cr，Al，Zn，Pd，Zr，Ti，Sc或它们的混合物组成；所述的非磁金属导电层厚度为2～5nm；所述绝缘层为Al2O3，AlN，MgO，Ta2O5，HfO2；所述的绝缘层的厚度为0.7nm～3nm；所述的覆盖层为Pt，Ru，Ta或它们的混合物组成；所述的覆盖层的厚度为4～6nm。3.如权利要求1所述的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，其特征在于还包括在硬磁层和第一软磁层之间的铁磁/反铁磁耦合层。4.如权利要求3所述的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，其特征在于所述的铁磁/反铁磁耦合层为Ru，Au，Cu，Ag，Pt，Cr，Al，Zn，Pd，Zr，Ti，Sc，Ir，Rh或它们的混合物组成；所述的铁磁/反铁磁耦合层的厚度为0.7～2.5nm。5.如权利要求1所述的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件，其特征在于所述的硬磁层是由第一硬磁材料层，第二铁磁/反铁磁耦合层和第二硬磁材料层组成的复合硬磁层；所述的复合硬磁层中的硬磁材料层为CoxPt1-x合金，其中0.3＜x＜0.8；或[Co(t1nm)/Pt(t2nm)]N周期多层膜，其中0.3＜t1＜0.7，0.8＜t2＜1.5，N代表周期个数；或SmCoy合金，其中3.0＜y＜9.0；或NdFeB永磁，其中Nd含量为14～30at％，B含量为6～8at％，其余为Fe；或FezPt1-z合金，其中0.3＜z＜0.8；；每一硬磁层的厚度为4～20n...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜关祥，韩秀峰，姜丽仙，赵静，詹文山，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]