磁性多层膜霍尔元件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种磁性多层膜霍尔元件及其制备方法。所述磁性多层膜霍尔元件包括复合多层结构的磁性多层膜，所述磁性多层膜包括至少一个基本单元，每一所述基本单元包括非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM，其中，在所述基本单元中，所述非磁性金属化合物层MO和所述非磁性金属材料层NM分别设置在所述磁性金属材料层FM的两侧；所述非磁性金属材料层NM由选自Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中之一的金属形成，或由包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中至少一种元素的合金形成。本发明专利技术的磁性多层膜霍尔元件同时具有大霍尔电阻率，大纵向电阻率以及小矫顽力的特性，有望用于制备高性能的霍尔元件。

【技术实现步骤摘要】
磁性多层膜霍尔元件及其制备方法
本专利技术涉及霍尔元件，特别是涉及磁性多层膜霍尔元件及其制备方法。
技术介绍
霍尔效应是材料的基本特性之一。基于霍尔效应的霍尔元件具有线性好，灵敏度高、稳定性好等特点。图1为一般的霍尔元件结构示意图，其中，电极1和4为电流输入端，电极2、3、5和6为电压输出端，一外加磁场沿垂直元件表面施加，其中，电极2和5（或3和6）用于测量元件的纵向电压Vxx，从而可以得到材料的纵向电阻率ρxx；电极2和3（或5和6）用于测量元件的霍尔电压Vxy，从而可以得到材料的霍尔电阻率ρxy。目前基于半导体材料的霍尔元件已广泛应用于传感器领域，用于对磁场、位移以及电流的测量，但其存在如工作频率(不超过MHz)较低等不足，阻碍了进一步发展。金属材料具有工作频率高的特点[参见I.Fergen,J.Magn.Magn.Mater.242-245(2002),146]，但对于非磁性金属而言，由于其载流子密度太大导致霍尔效应非常微弱。与非磁性金属不同，磁性金属材料存在两种霍尔效应：即正常霍尔效应和反常霍尔效应。对于磁性薄膜材料，其霍尔电阻率ρxy可以表示为：其中，I是在薄膜平面中流动的电流，Vxy是垂直于电流方向的方向上在薄膜平面中测量的霍尔电压，d是薄膜厚度，B为外加磁场，M为材料的磁化强度，R0为正常霍尔系数，RS为反常霍尔系数[参见A.Gerber，J.Magn.Magn.Mater.310(2007),2749]。一般来说，磁性金属的反常霍尔效应要比正常霍尔效应大几个量级，从而导致磁性金属材料具有较大的霍尔效应。基于磁性金属材料的霍尔元件在磁场变化时，由于反常霍尔效应的存在而具有较大的霍尔电阻变化，在磁存储器件、磁传感器件等方面获得广泛应用。由于该类霍尔元件在外磁场的驱动下通常可以获得两种霍尔电阻值，从而最终表现为元件低的或高的电阻态，可应用于基于双电阻态的磁存储器件如磁性随机存储器，或其他磁传感器。为了使霍尔元件具有较高的灵敏度、较低的功耗以及便于实现小型化，要求磁性材料具有较大的霍尔电阻率、较大的纵向电阻率以及较小的矫顽力。目前，已有关于颗粒膜结构、包含稀土元素的磁性合金、包含Pt以及包含与Pt性质类似的Pd、Au的磁性合金或磁性多层膜的报道。颗粒膜结构是通过将铁磁颗粒埋于氧化物绝缘体中获得了极高的反常霍尔效应[参见A.B.Pakhomov,X.Yan,andB.Zhao,Appl.Phys.Lett.67(1995),3497]，但是这类颗粒膜结构的电阻率太大，因此在单位驱动电压下产生的霍尔效应太小，至今没有得到任何应用。含稀土的磁性金属化合物材料如Fe78Sm22，这类材料的特点是具有较大的纵向电阻率（超过100μΩcm），但是其矫顽力太大，难以符合器件的小型化。而包含Pt的合金材料，如CoPt合金（参见G.X.MiaoandG.Xiao，Appl.Phys.Lett.85(2004)73）及CoFe/Pt磁性金属多层膜（参见中国专利技术专利200610144053.6）的纵向电阻率只有几十μΩcm。此外，中国专利申请CN200980130700.X和文献[B.Rodmacq,S.Auffret,B.Dieny,S.Monso,P.Boyer，J.Appl.Phys.93(2003)7513]中基于AlO/Co/Pt的材料体系的研究也取得了一定的进展，尽管有些薄膜磁性材料的纵向电阻率相比于其他Pt基合金增大了很多，但存在的问题是一方面纵向电阻率还是不够大（尚未达到100μΩcm），另一方面这些材料的矫顽力太大（高于100Oe）。因此，使得基于Pt合金材料的霍尔元件不能在具有较高灵敏度的同时还能够节约能耗以及实现器件小型化的设计。类似地，基于与Pt性质类似的Pd、Au的磁性合金或磁性多层膜的霍尔元件也存在上述缺陷。综上所述，目前尚未有理想的薄膜磁性材料满足同时具有较大的霍尔电阻率、较大的纵向电阻率以及较小的矫顽力的要求[参见J.Moritz,BRodmacq,S.Auffret,andB.Dieny,J.Phys.D:Appl.Phys.41(2008)135001]。因此，目前难以获得同时具有较高的灵敏度、较低的功耗以及便于实现小型化的霍尔元件。如能研发出一种新的材料，同时具有大霍尔电阻率，大纵向电阻率，但小矫顽力的特性，并能够采用最常见的磁性薄膜制备方法，如磁控溅射法，进行制造，将直接影响到磁性多层膜霍尔元件的进一步开发和应用。
技术实现思路
为了克服现有技术中的上述缺陷之一，申请人进行了大量的研究工作。在研究的过程中，申请人惊奇的发现，对于具有磁性多层膜结构的霍尔元件，选取不同材料作为磁性多层膜中的非磁性金属材料对霍尔元件的性能有显著影响。通过精心挑选合适的材料，能够明显改善霍尔元件的性能。例如，以Ta或与其性质类似的材料作为磁性多层膜中的非磁性金属材料层，能够获得同时具备较大的霍尔电阻率、较大的纵向电阻率以及较小的矫顽力的霍尔元件。本专利技术的一个目的是提供一种同时具有大霍尔电阻率，大纵向电阻率，小矫顽力的特性的磁性多层膜霍尔元件。本专利技术的另一个目的是提供一种制备上述磁性多层膜霍尔元件的方法。按照本专利技术的一个目的，本专利技术提供了一种磁性多层膜霍尔元件，包括复合多层结构的磁性多层膜，所述磁性多层膜包括至少一个基本单元，每一所述基本单元包括非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM，其中，在所述基本单元中，所述非磁性金属化合物层MO和所述非磁性金属材料层NM分别设置在所述磁性金属材料层FM的两侧；所述非磁性金属材料层NM由选自Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中之一的金属形成，或由包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中至少一种元素的合金形成。优选地，所述基本单元可以由顺序邻接的所述非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM构成。在一种实施方式中，所述磁性多层膜霍尔元件可以包括层叠设置的多个所述基本单元，其中，对于任意相邻两个所述基本单元，其中的非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM的层叠顺序相同或者相反。优选地，所述多个所述基本单元可以为N个所述基本单元，其中，N在2-99之间。在一种实施方式中，所述相邻两个基本单元可以共用同一个非磁性金属化合物层MO或非磁性金属材料层NM。优选地，所述磁性金属材料层FM可以由含有B元素的磁性合金形成。在一种实施方式中，所述磁性合金为CoXTMYFe100-X-YBZ，其中，0≤X≤100，0≤Y≤100，0<Z≤40，TM选自Ni、Zr、Nb、Mg中至少一种元素。优选地，所述非磁性金属化合物层MO可以由选自至少包含Mg、Al、Hf、Ti、Zr、Si、Mo、Nb和Ta其中之一元素的氧化物或氮化物形成。在一种实施方式中，所述磁性多层膜霍尔元件还可以包括设置于所述磁性多层膜一侧的基片。在一种实施方式中，在所述磁性多层膜的与设置所述基片一侧相反的一侧，所述磁性多层膜的最外层可以为所述非磁性金属化合物层MO。在一种实施方式中，在所述磁性多层膜的与设置所述基片一侧相反的一侧，当所述磁性多层膜的最外层为所述非磁性金属材料层NM时，还可以包括在所述磁性多层膜上设置的保护层，所述保护层为选自至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性多层膜霍尔元件，包括复合多层结构的磁性多层膜，所述磁性多层膜包括至少一个基本单元，每一所述基本单元包括非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM，其中，在所述基本单元中，所述非磁性金属化合物层MO和所述非磁性金属材料层NM分别设置在所述磁性金属材料层FM的两侧；所述非磁性金属材料层NM由选自Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中之一的金属形成，或由包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中至少一种元素的合金形成。

【技术特征摘要】
1.一种磁性多层膜霍尔元件，包括复合多层结构的磁性多层膜，所述磁性多层膜包括至少一个基本单元，每一所述基本单元包括非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM，其中，在所述基本单元中，所述非磁性金属化合物层MO和所述非磁性金属材料层NM分别设置在所述磁性金属材料层FM的两侧；所述非磁性金属材料层NM由选自Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中之一的金属形成，或由包含Ta、Hf、Zr、Mo、Nb和W其中至少一种元素的合金形成；所述磁性金属材料层FM由含有B元素的磁性合金形成。2.根据权利要求1所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述基本单元由顺序邻接的所述非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM构成。3.根据权利要求1或2所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，包括层叠设置的多个所述基本单元，其中，对于任意相邻两个所述基本单元，其中的非磁性金属化合物层MO、磁性金属材料层FM和非磁性金属材料层NM的层叠顺序相同或者相反。4.根据权利要求3所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述多个所述基本单元为N个所述基本单元，其中，N在2-99之间。5.根据权利要求3所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述相邻两个基本单元共用同一个非磁性金属化合物层MO或非磁性金属材料层NM。6.根据权利要求1所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述磁性合金为CoXTMYFe100-X-YBZ，其中，0≤X≤100，0≤Y≤100，0<Z≤40，TM选自Ni、Zr、Nb、Mg中至少一种元素。7.根据权利要求1所述的磁性多层膜霍尔元件，其特征在于，所述非磁性金属化...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱涛，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：