一种纳米晶氮化铁薄膜材料及其用途制造技术

一种薄膜材料及其制备方法，特别是一种可以应用于霍尔元件磁敏感活性层的氮化铁薄膜材料及其制备方法。所涉及的纳米晶氮化铁薄膜磁敏材料的通式为Ｆｅ↓［ｘ］Ｎ，其中ｘ为材料中的铁原子与氮原子的原子个数比，２＜ｘ＜４；薄膜厚度在４～４００纳米；所涉及的纳米晶氮化铁薄膜与传统的半导体材料和颗粒薄膜相比，具有电阻率低、工作温度范围宽、线性度好、体积小等优点，而且制备简单、成本低，因而在航空、航天、军事等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种薄膜材料及其制备方法，特别是一种可以应用于霍尔元件磁敏感活性层 的Fe,N (2<x<4)薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
霍尔元件是利用活性层材料的霍尔效应测量磁场的一种磁传感器件，由活性层、电极及 保护它们的封装组成。目前，全世界对霍尔器件的年需求量在IO亿只以上，已在无刷电机、 齿轮转速检测、过程控制中的无触点开关、定位开关，汽车的安全装置ABS (防抱死制动系 统)，汽车发动机点火定时，电流电压传感器等上得到了广泛的应用。其特点是无触点传感， 可靠性高，用以检测电流电压，无插入损耗，且实现输入和输出信号的完全隔离、无过载损 坏等等。在磁性材料及测磁仪器的研究、地磁场图的精确绘制、地质勘探、航海、航空、航 天等领域都有十分重要的用途。目前的霍尔元件中的磁敏感的活性层材料一般都采用硅、锑化铟、砷化铟、砷化钾等半 导体材料，元件的尺度较大，在亚毫米量级。又由于半导体材料的载流子的浓度、迁移率等 特征参数随温度变化很大，使霍尔元件的霍尔电阻率随温度变化很大，霍尔元件工作温度受 到限制。例如， 一般霍尔元件的丁作温度是-40'C到15(TC，如果要在更宽的温度范围内， 例如-250 'C到200 'CT作，必须组合使用多种型号的霍尔元件，这就进一歩加大了霍尔元件 的尺寸，也使元件成本大大增加。为克服半导体活性层材料体积大、成本高、制备工艺复杂 等缺点，必须寻找一种工作温度宽、体积小、制备简单的替代材料。A. B. Pakhomov等人 报道了 Ni-Si02等磁性金属颗粒薄膜系统中霍尔效应的巨大增强现象，在5 K的温度下， Ni-Si(V薄膜的反常霍尔电阻率 高达160一cm，比相应的纯金属材料高四个量级，接近半 导体硅的数值，并把这一现象称为巨霍尔效应。随后，人们先后在MFe-Si02、 Fe-SK)2等颗 粒薄膜系统中也发现了巨霍尔效应。这一研究发现，为人们提供了除十导体材料以外的一种 作为霍尔元件活性层的磁敏材料。在磁性金属颗粒薄膜材料中，霍尔效应包含两部分，即正常霍尔效应和反常霍尔效应。 霍尔电阻率pxy可以表示为<formula>formula see original document page 4</formula>/ ,4tiM 。式中第一项代表洛仑兹力作用于载流子上引起的正常霍尔效应，D是退磁因子，该项与非磁性金属或半导体屮的霍尔 效应机制相同；第二项表示由磁性散射引起的的霍尔效应，是磁性材料特有的属性，被称为反常霍尔效应。对于磁性金属颗粒薄膜材料，当金属的含量在一定区间时，反常霍尔系数接 近半导体硅的数值，这就为颗粒薄膜在霍尔元件中的应用提供了可能性。利用颗粒薄膜作为霍尔元件的活性层材料，可以保证霍尔元件达到一定宽的工作温度， 减小元件体积。然而，这类元件也存在着一定的弱点。 一方面，为使活性层的霍尔电阻增大、 灵敏度提高、霍尔元件体积减小，必须降低活性层厚度。随着厚度的降低，磁性颗粒的体积 必然相应减小。对于磁性颗粒薄膜材料来说，当颗粒体积减小到一定临界值(一般为纳米尺 度)以下时，在高温区域热扰动的能量将克服颗粒间的磁相互作用的能量，使材料进入超顺 磁态，此时磁化强度大大降低。而霍尔电阻率的大小直接取决于磁化强度的大小，因此霍尔 电阻率也将随之大大降低，从而有可能造成霍尔元件失效。这就影响了霍尔元件的工作温度 范围。J. C. Denardin等人报道了 500 nm Ni,(Si02)^薄膜的霍尔电阻率在室温下比5 K时降低了80。/。；另一方面，以磁性金属颗粒薄膜作为活性层材料，为了得到高的反常霍尔 系数，需要保证颗粒膜中的金属体积百分比在逾渗阈值附近，此时材料电阻率大，导电性差。 而此时，为了保证向霍尔元件提供恒定电流，就需要施加更高的电压，这给实际应用造成不 便，同时也增加了功率损耗，降低了元件的使用寿命。因此，必须寻找一种在室温下和颗粒 尺寸较小的情况下仍能保持磁性和较高的霍尔电阻率、导电性较好的薄膜材料作为霍尔元件 的活性层材料。为此申请人的专利技术专利ZL200510122236.3和ZL200510122238.2分别提供了利 用铁锗颗粒薄膜作为磁敏感活性层制备霍尔元件的应用及其制备方法。铁锗颗粒薄膜能在较 宽温度范围内工作，能够保持线性度的磁场范围大约在-2 kOe到2 kOe。
技术实现思路
为了解决以半导体薄膜作为磁敏感活性层的霍尔器件体积大、工作温度低、导电性差等问题，寻找一种更加经济实用、能够保持线性度的磁场范围更大的霍尔器件磁敏感层材料，本专利技术提供了一种全新的口了以作为活性层材料的纳米尺度多晶氮化铁F^N (2<x<4)薄膜及其制备方法。专利技术人发现，使用该方法制备的Fe工N (2 < x < 4)薄膜在5 K-500 K温度范围内霍尔电阻率较高且大小几乎不变，同时该薄膜电阻率较低，导电性好；即将此氮化铁薄膜材料作为活性层应用于霍尔元件中，得到了一种性能优异的全新的霍尔元件。与铁锗颗粒薄膜相比，此以氮化铁薄膜作为活性层的霍尔元件具有成本较低的优势。总之，该氮化铁薄膜的制备方法简单易行，容易控制，易于产业化，可以作为半导体及磁性纳米颗粒薄膜的替代材料应用于霍尔元件的磁敏感活性层。所制备的霍尔元件具有成本低，检测范围宽等1尤点。本专利技术提供的纳米晶氮化铁薄膜磁敏材料的通式为Fe^N，其中X为材料中的铁原子与氮 原子的原子个数比，2<x<4，优选^ = 2.5~3.5;薄膜厚度在4 400纳米，优选薄膜厚度8 350纳米，最优选10-100纳米。本专利技术提供的纳米晶氮化铁薄膜磁敏材料的制备方法可以采用磁控溅射、脉冲激光沉积、 离子束溅射、化学气相沉积等常规的薄膜制备方法；电极层可以位于活性层之下(薄膜与基 片之间)，也可以位于活性层之上，电极层材料为金属，厚度可以根据需要调整，制备方法为 常规的薄膜制备方法；活性层和电极的形状可以根据霍尔元件的需要制备，比如"十"字形， 正方形，长方形等；保护层为稳定性较好的材料。本专利技术提供的纳米晶氮化铁薄膜磁敏材料的制备方法可以经过下述步骤1) 用光刻和掩膜的方法在基片上形成为了沉积氮化铁薄膜的"十"字形图案，如图l(a) 所示。图中阴影部分为所要沉积的薄膜的图案，图案中心正方形的边长在0.3 1.0pm，中心 正方形的四个边上突出部分的长度为0.2 prn;2) 采用通用的超高真空磁控溅射镀膜机，在背底真空度小于3.0xl(T5 Pa时，将纯度大 于99.999°/。的高纯度的Ar气和N2气的混合气体通入真空室，其中Ar气流量为5~10 sccm， N2气流量为1 10sccm;3) 待真空度下降为l.OPa以下，将超高真空闸板阀的开启度设定为20%;在铁靶上加 以设定为50 W 200 W的直流或射频功率，预溅射5 15分钟；4) 打开铁靶和基片的挡板，基片以20 25转/分钟的速度匀速旋转，控制溅射时间在 0.5 50分钟成膜。本专利技术提供了一种全新的霍尔元件，由在基片上形成的纳米晶氮化铁薄膜磁敏材料作为 活性层、金属电极层和保护层构成，金属电极层与活性层接触，保护层直接覆盖活性层；所 述的基片是玻璃、石英、单晶硅或单晶砷化镓。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米晶氮化铁薄膜磁敏材料，其特征在于它的通式为Ｆｅ↓［ｘ］Ｎ，其中ｘ为材料中的铁原子与氮原子的原子个数比，２＜Ｘ＜４，薄膜厚度在４～４００纳米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晖，程雅慧，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]