CN100452471C - 一种基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件及其制备方法 - Google Patents

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CN100452471C CNB2005100865233A CN200510086523A CN100452471C CN 100452471 C CN100452471 C CN 100452471C CN B2005100865233 A CNB2005100865233 A CN B2005100865233A CN 200510086523 A CN200510086523 A CN 200510086523A CN 100452471 C CN100452471 C CN 100452471C
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Abstract

本发明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。

Description

一种基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件及其制备方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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，诱导磁场方向不变，采用常规磁控溅射方法在第一软磁层上沉积非磁金属导电层，或是采用等离子体氧化的方法、直接沉积或反应溅射在第一软磁层上沉积绝缘层；
对于绝缘层为Al2O3或AlN时：首先采用常规磁控溅射的方法在第一软磁层上形成一厚度为0.8～1.5nm的Al层，然后将样品在不破坏真空的条件下传入另一腔中，通入高纯O2/N2和高纯Ar气的混合气体，其中O2/N2与Ar的体积比为1∶3，选择Target低功率，如10W，然后采用等离子体氧化的方法使该Al层转变为Al2O3或AlN层；
对于绝缘层为MgO、Ta2O5或HfO2时：可以采用常规磁控溅射直接沉积或者在O2氛围中反应溅射得到相应的绝缘层；
6)保持室温，诱导磁场方向不变，在非磁金属导电层或绝缘层上沉积第二软磁层；
7)保持室温，撤去诱导磁场或保持诱导磁场方向不变，在第二软磁层上沉积覆盖层。
本发明提供的上述基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的制备方法，还包括在步骤4)之前，在硬磁层上沉积铁磁/反铁磁耦合层。
本发明提供的上述基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的制备方法，所述的步骤2)为按照常规方法，在衬底上依次生长第一硬磁层、第二铁磁/反铁磁耦合层和第二硬磁层，得到一复合硬磁层。
本发明提供的上述基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的制备方法，所述的步骤6)为按照常规方法，保持室温，诱导磁场方向不变，在非磁金属导电层或绝缘层上依次沉积第三软磁层，第三铁磁/反铁磁耦合层和第四软磁层，得到一复合软磁层。
本发明提供的上述基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件可用于巨磁电阻(GMR)器件和隧穿磁电阻(TMR)器件。
与传统的基于Mn系反铁磁体钉扎的自旋阀结构的磁电阻器件相比，本发明提供的上述具有自旋阀结构的磁电阻器件具有如下优点：
1、本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀结构的磁电阻器件通过引入高矫顽力，高方形比的硬磁材料，极大地提高了高自旋极化率软磁层的反转场，在较小的工作场范围内该层不发生磁化方向的转动，因而可以作为自旋阀结构的参考层。
2、本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀结构的磁电阻器件通过引入反铁磁耦合层，在提高了高自旋极化率软磁层的反转场的同时，硬磁层和高自旋极化率软磁层通过反铁磁耦合相互作用，使二者的磁化方向倾向于反平行排列。
3、本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀结构的磁电阻器件由于可以排除Mn的存在，使得该结构可以经受较高温度的退火处理，也就是说，该结构的热稳定性得到提高。
4、本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀结构的磁电阻器件由于不存在传统Mn系反铁磁体成相的最小厚度的限制(也就是，反铁磁体能产生稳定的钉扎效果的最小厚度，典型值为10nm)，该结构应用在CPP结构(Current perpendicular to plane)的自旋阀结构中将提供小的串联电阻从而大大提高磁电阻比值。
5、本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀结构的磁电阻器件通过选择适当的单晶衬底和缓冲层以及最优化的衬底生长温度，可以实现硬磁层以外延方式生长，形成在该硬磁层上的高自旋极化率软磁层，因此可以具有依赖于所选硬磁层晶体结构的晶体相，为单晶自旋阀结构的开发提供更广阔的空间。
6、本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀结构的磁电阻器件使用的硬磁材料具有可调的晶体结构，从而生长在其上的软磁层可以具有更丰富的晶体结构，软磁层晶体结构的灵活可调性为自旋阀磁电阻器件的优化提供了新的拓展空间。
具体实施方式
实施例1、
采用常规磁控溅射方法，在厚度为1mm的衬底Si上，真空度优于10-5Pa，衬底温度设定为室温，沉积厚度为45nm的缓冲层Ru，然后将衬底温度设定为500℃，诱导磁场大小500Oe，沉积厚度为8nm的硬磁层Co30Pt70。所述硬磁层的易轴方向是按照技术方案步骤3)中所述的方法确定，即将沉积了硬磁层的衬底从真空镀膜设备中取出，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；该硬磁层的易轴方向为沿着诱导磁场的方向。
保持诱导磁场大小和方向，将该沉积了硬磁层的衬底的温度设定为室温，待温度稳定后，在其上沉积厚度为4nm的第一软磁层Co50Fe50。
保持室温，诱导磁场大小和方向不变，在其上再沉积厚度为2.5nm的非磁金属导电层Cu、4nm的第二软磁层Co75Fe25、5nm的覆盖层Ta，得到本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件。值得指出，在沉积上述非磁金属导电层和覆盖层时也可以不采用诱导磁场。
该自旋阀磁电阻器件按如下方式工作：在真空镀膜制备得到的上述自旋阀磁电阻器件由于诱导磁场方向不变，第一软磁层和第二软磁层磁化方向相同，此时电流沿着膜面方向(或垂直膜面方向)传输对应低电阻态。当外加一较小的反平行于诱导磁场方向的磁场(典型值为100奥斯特)，使得软磁层的磁化方向反转到外场方向，此时第一软磁层和第二软磁层磁化方向相反，电流沿膜面(或垂直膜面方向)传输对应高电阻态。
实施例2～4、
按照实施例1的方法，在1nm的衬底上依次溅射生长缓冲层、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，其中硬磁材料选择Co成分0.3＜x＜0.8的CoxPt1-x合金，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表1。所述硬磁层的易轴方向按照实施例中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向。
表1、基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成
Figure C20051008652300111
实施例2～4制备的自旋阀磁电阻器件按实施例1的方式工作。
实施例5～8、
按照实施例1的方法，在1nm的衬底上，真空度优于10-5Pa，诱导磁场大小400Oe，依次溅射生长缓冲层、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，其中硬磁材料选择Fe成分0.3＜x＜0.8的FexPt1-x合金，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表2。所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向。
表2、基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成
实施例5～8制备的自旋阀磁电阻器件按实施例1的方式工作。
实施例9～12
按照实施例1的方法，在1nm的衬底上，真空度优于10-5pa，诱导磁场大小为100Oe，依次溅射生长缓冲层、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，其中硬磁材料选择[Co(t1nm)/Pt(t2nm)]N周期多层膜，其中0.3＜t1＜0.7，0.8＜t2＜1.5，重复周期数N为10～20，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表3。所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向。
表3、基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成
Figure C20051008652300121
实施例9～12制备的自旋阀磁电阻器件按实施例1的方式工作。
实施例13～16
采用常规磁控溅射方法，在厚度为1mm的衬底Si上，真空度优于10-5Pa，诱导磁场大小500Oe，于室温下，沉积厚度为5nm的缓冲层Ru，然后将衬底温度设定为500℃，沉积厚度为8nm的硬磁层Co30Pt70。所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向。
将衬底温度设定为室温，待温度稳定后，在其上依次沉积厚度为0.8nm的铁磁/反铁磁耦合层Ru和4nm的第一软磁层Co50Fe50。
保持室温，诱导磁场方向不变，在其上再沉积厚度为2.5nm的非磁金属导电层Cu、厚度为4nm的第二软磁层Co75Fe25、厚度为5nm的覆盖层Ta，得到本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件。
该自旋阀磁电阻器件按如下方式工作：按照上述方法制备的自旋阀磁电阻器件，由于硬磁层和第一软磁层反铁磁耦合，二者磁化方向相反，由于诱导磁场方向不变，第一软磁层和第二软磁层的磁化方向相反，此时电流沿膜面(或垂直膜面)传输对应高电阻态。当加一反平行于诱导磁场方向的较小磁场时(典型值为100奥斯特)，第二软磁层磁化方向反转到外磁场方向，此时电流沿膜面(或垂直膜面)传输对应低电阻态。
实施例14～16
按照实施例13的方法，在1nm的衬底上，真空度优于10-5Pa，诱导磁场大小为500Oe，依次溅射生长缓冲层、硬磁层、铁磁/反铁磁耦合层、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，其中硬磁材料选择Co成分0.3＜x＜0.8的CoxPt1-x合金，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表4。所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向。
表4、基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成
Figure C20051008652300131
实施例14～16制备的自旋阀磁电阻器件按实施例13的方式工作。
实施例17～20
按照实施例13的方法，在1nm的衬底上，真空度优于10-5Pa，诱导磁场大小为400Oe，依次溅射生长缓冲层、硬磁层、铁磁/反铁磁耦合层、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，其中硬磁材料选择Fe成分0.3＜x＜0.8的FexPt1-x合金，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表5。所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向。
表5、基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成
Figure C20051008652300141
实施例17～20制备的自旋阀磁电阻器件按下述方式工作：按照上述方法制备的自旋阀磁电阻器件，由于硬磁层和第一软磁层铁磁耦合，二者磁化方向相同，由于诱导磁场方向不变，第一软磁层和第二软磁层的磁化方向相同，此时电流沿膜面(或垂直膜面)传输对应低电阻态。当加一反平行于诱导磁场方向的较小磁场时(典型值为100奥斯特)，第二软磁层磁化方向反转到外磁场方向，此时电流沿膜面(或垂直膜面)传输对应高电阻态。
实施例21～24
按照实施例13的方法，在1nm的衬底上，真空度优于10-5Pa，诱导磁场大小为100Oe，依次溅射生长缓冲层、硬磁层、铁磁/反铁磁耦合层、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，其中硬磁材料选择[Co(t1nm)/Pt(t2nm)]N周期多层膜，其中0.3＜t1＜0.7，0.8＜t2＜1.5，重复周期数N为10～20，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表6。所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向。
表6、基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成
Figure C20051008652300151
实施例21～24制备的自旋阀磁电阻器件按实施例13的方式工作。
实施例25、
采用常规磁控溅射方法，在Si(100)衬底，真空度优于10-5Pa，将衬底加热到600℃，沉积厚度为20nm的缓冲层Cr，通过这种方法所得到的Cr层具有(100)取向；不改变衬底温度，在所述Cr缓冲层上沉积厚度为10nm的硬磁层Sm2Co7；然后将衬底温度设定为室温，沉积厚度为0.8nm的反铁磁耦合层Ru；将大小为100Oe的诱导磁场方向设定到Si[001]轴向，一次沉积厚度为4nm的第一软磁层Co75Fe25、厚度为2.5nm的非磁金属导电层Cu、厚度为4nm的第二软磁层Co75Fe25、以及厚度为5nm的覆盖层Ta。
其中，诱导磁场的方向是通过如下步骤确定的：
1)在Si(100)衬底，真空度优于10-5Pa，将衬底加热到600℃，沉积厚度为20nm的缓冲层Cr，通过这种方法所得到的Cr层具有(100)取向；将衬底温度恢复到室温，在所述Cr缓冲层上沉积厚度为10nm的硬磁层Sm2Co7在所述硬磁层上沉积厚度为5nm的覆盖层Ta。
2)将样品从真空中取出，在VSM(振动样品磁强计)上测量其磁化曲线，设Si(100)衬底[100]轴方向β相对于VSM磁场方向为零度，在0～90度内选取β＝0、15、30、45、60、75、90，观察比较对应的磁化曲线，找出方形度好(dM/dH(Hc)大)的曲线，对应的β角可以确定硬磁层。
通过上述方法得到的Sm2Co7呈现很好的晶体结构和单轴各向异性，具体为Si[001]‖Cr[011]‖Sm2Co7[1100]，特别地，所述Sm2Co7[1100]方向是其易轴方向。
该实施例制备的自旋阀磁电阻器件按实施例13的方式工作。
实施例26、
采用常规磁控溅射方法，在MgO(100)衬底，真空度优于10-5Pa，将衬底加热到600℃，沉积厚度为40nm的缓冲层Cr，通过这种方法所得到的Cr层具有(100)取向；将衬底温度设定到420℃，在所述Cr缓冲层上沉积厚度为10nm的硬磁层SmCo5；所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着MgO[110]轴方向。将衬底温度设定到室温，在所述硬磁层上沉积厚度为0.8nm的反铁磁耦合层Ru；将大小为100Oe的诱导磁场设定到MgO[110]轴向，沉积厚度为10nm的第一软磁层Co2MnSi；厚度为2.5nm的非磁金属导电层Au；厚度为5nm的第二软磁层Co60Fe20B20；以及厚度为5nm的覆盖层Ta。
该实施例制备的自旋阀磁电阻器件按实施例13的方式工作。
实施例27、
采用常规磁控溅射的方法，真空度优于10-5Pa，衬底温度设定在室温，诱导磁场大小500Oe，在厚度为1mm的Si衬底上依次沉积：厚度为10nm的缓冲层Mo；厚度为16nm的硬磁层Nd14Fe78B8；将衬底以升温速率30℃/min升至650℃，使样品原位退火1小时；所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向；将衬底以降温速率30℃/min设定到室温，依次沉积：厚度为4nm的第一软磁层Fe25Co75；厚度为2.5nm的非磁金属导电层Cu；厚度为4nm的二软磁层Co90Fe10；以及厚度为4nm的覆盖层Ta。
该实施例制备的自旋阀磁电阻器件按实施例1的方式工作。
实施例28～31
按照实施例27的方法，在1nm的衬底上，真空度优于10-5Pa，诱导磁场大小为500Oe，依次溅射生长缓冲层、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，其中硬磁材料选择NdFeB，其中Nd的原子百分比在14～30at％，B原子百分比在6～8at％，其余为Fe，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表7。所述硬磁层的易轴方向按照实施例1中的方法确定，具体为沿着诱导磁场的方向。
表7、基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成
Figure C20051008652300171
实施例28～31按实施例1所述的方式工作。
实施例32
采用常规磁控溅射方法，在厚度为1mm的衬底Si上，真空度优于10-5Pa，衬底温度设定为室温，沉积厚度为45nm的缓冲层Ru，然后将衬底温度设定为500℃，诱导磁场大小500Oe，沉积厚度为8nm的第一硬磁层Co50Pt50。所述硬磁层的易轴方向是按照技术方案步骤3)中所述的方法确定，即将沉积了硬磁层的衬底从真空镀膜设备中取出，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；该硬磁层的易轴方向为沿着诱导磁场的方向。
保持衬底温度，在所述硬磁层上沉积厚度为0.8nm的第二铁磁/反铁磁耦合层Ru，然后将诱导磁场转180度，沉积厚度为6nm的第二硬磁层Co50pt50。
保持诱导磁场大小和方向，将该沉积了硬磁层的衬底的温度设定为室温，待温度稳定后，在其上沉积厚度为4nm的第一软磁层Co75Fe25。
保持室温，诱导磁场大小和方向不变，在其上再沉积厚度为2.5nm的非磁金属导电层Cu、4nm的第二软磁层Co50Fe50、5nm的覆盖层Ta，得到本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件。值得指出，在沉积上述非磁金属导电层和覆盖层时也可以不采用诱导磁场。
该实施例按实施例1所述的方式工作。
实施例33～35
按照实施例32的方法，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表8。
实施例36
采用常规磁控溅射方法，在厚度为1mm的衬底Si上，真空度优于10-5Pa，衬底温度设定为室温，沉积厚度为45nm的缓冲层Ru，然后将衬底温度设定为500℃，诱导磁场大小500Oe，沉积厚度为8nm的第一硬磁层Co40Pt60。所述硬磁层的易轴方向是按照技术方案步骤3)中所述的方法确定，即将沉积了硬磁层的衬底从真空镀膜设备中取出，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；该硬磁层的易轴方向为沿着诱导磁场的方向。
保持衬底温度，在所述硬磁层上沉积厚度为0.8nm的第二铁磁/反铁磁耦合层Ru，然后将诱导磁场转180度，沉积厚度为6nm的第二硬磁层2Co40Pt60。
保持诱导磁场大小和方向，将该沉积了硬磁层的衬底的温度设定为室温，待温度稳定后，在其上依次沉积厚度为8埃的铁磁/反铁磁耦合层Ru和厚度为4nm的第一软磁层Co75Fe25。
保持室温，诱导磁场大小和方向不变，在其上再沉积厚度为2.5nm的非磁金属导电层Cu。
保持室温，诱导磁场大小和方向不变，在其上沉积厚度为6nm的第三软磁FM3层Co50Fe50、厚度为0.8nm的第三铁磁/反铁磁耦合层AP3层Ru、厚度为4nm的第四软磁FM4层Co50Fe50；上述三层FM3/AP3/FM4构成复合软磁层，其为一复合自由层。FM3层和FM4层通过AP3层反铁磁耦合。
保持室温，诱导磁场大小和方向不变，在其上沉积厚度为4nm的覆盖层Ta，得到本发明提供的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件。值得指出，在沉积上述非磁金属导电层和覆盖层时也可以不采用诱导磁场。
实施例37～40
按照实施例36的方法，制得的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的组成列于表9。
该自旋阀磁电阻器件按如下方式工作：在真空镀膜制备得到的上述自旋阀磁电阻器件，若规定制备所述HM1层的诱导磁场方向为向右，由于HM1层和HM2层反铁磁耦合，HM2层和第一软磁层反铁磁耦合，HM1的磁化方向为向左，第一软磁层磁化方向为向右，由于所述复合软磁层中FM3层厚度大于FM4层的厚度，而且FM3层和FM4层反铁磁耦合，所以FM3层磁化方向向右，FM4层磁化方向向左。由于电阻值取决于靠近所述隔离层的第一软磁层和FM3层的相对磁化方向。不加外磁场时第一软磁层和FM3层的磁化方向相同，电流沿着膜面方向(或垂直膜面方向)传输对应低电阻态。当外加一较小的反平行于诱导磁场方向的磁场(典型值为100奥斯特)，使得所述复合自由层中FM3层的磁化方向反转到外磁场方向，FM4层由于和FM3层反铁磁耦合而保持和FM3反平行的磁化方向。此时第一软磁层和FM3层磁化方向相反，电流沿膜面(或垂直膜面方向)传输对应高电阻态。
Figure C20051008652300201

Claims (9)

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；
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；
所述的第一软磁层和第二软磁层均为：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；所述的第一软磁层和第二软磁层的厚度均为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。
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：还包括在硬磁层和第一软磁层之间的铁磁/反铁磁耦合层。
3、如权利要求2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。
4、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第一硬磁材料层和第二硬磁材料层均为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4～20nm；
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。
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：所述的第二软磁层是由第三软磁层，第三铁磁/反铁磁耦合层和第四软磁层构成的复合软磁层；
所述的复合软磁层中的第三软磁层和第四软磁层均为：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；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。
6、一种权利要求1所述的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100～5000e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；
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，诱导磁场方向不变，采用常规磁控溅射方法在第一软磁层上沉积非磁金属导电层，或是采用等离子体氧化的方法、直接沉积或反应溅射在第一软磁层上沉积绝缘层；
6)保持室温，诱导磁场方向不变，在非磁金属导电层或绝缘层上沉积第二软磁层；
7)保持室温，撤去诱导磁场或保持诱导磁场方向不变，在第二软磁层上沉积覆盖层。
7、如权利要求6所述的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的制备方法，其特征在于：还包括在步骤4)之前，在硬磁层上沉积铁磁/反铁磁耦合层。
8、如权利要求6所述的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤2)为按照常规方法，在衬底上依次生长第一硬磁层、第二铁磁/反铁磁耦合层和第二硬磁层，得到一复合硬磁层。
9、如权利要求6所述的基于硬磁材料的自旋阀磁电阻器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤6)为按照常规方法，保持室温，诱导磁场方向不变，在非磁金属导电层或绝缘层上依次沉积第三软磁层，第三铁磁/反铁磁耦合层和第四软磁层，得到一复合软磁层。
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