CN101471420A - 一种双交换偏置场型自旋阀 - Google Patents

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张怀武
苏桦
钟智勇
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本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁记录技术，具体涉及一种交换偏置场型自旋阀。本发明提供的一种双交换偏置场型自旋阀，其中双交换偏置场型自旋阀结构由基片/缓冲层/反铁磁层AFM1/铁磁层F1/隔离层/铁磁层F2/反铁磁层AFM2/覆盖层构成；反铁磁AFM1/铁磁层F1之间产生一沿膜面的交换偏置场Hex1；反铁磁AFM2/铁磁层F2之间也产生一沿膜面的交换偏置场Hex2；但交换偏置场Hex1、Hex2的方向正好相反。本发明利用双交换偏置场，可在室温下扩展自旋阀的交换偏置场区域，拓宽自旋阀的高电阻区域，从而有利于提高交换偏置场型自旋阀在信息存储或其他应用中的稳定性。且本发明提供的双交换偏置场型自旋阀，可在室温下制备，无需高温退伙处理，具有良好的膜层稳定性和巨磁电阻性能。

Description

一种双交换偏置场型自旋阀
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁记录技术，具体涉及一种交换偏置场型自旋阀。
背景技术
巨磁电阻(GMR)效应是指在磁性多层膜材料中利用外加磁场导致的电阻变化。其在传感器、磁性随机存储器等方面都具有广泛的应用背景。自旋阀是目前实现巨磁电阻效应的最重要结构，由于该结构具有低的饱和场和高的灵敏度，使基于巨磁电阻效应的传感器、超高密度存储技术得到了飞跃的发展。
自旋阀的基本结构为：自由层(铁磁层F1)/隔离层(非磁性层)/钉扎层(铁磁层F2)/偏置层(反铁磁层)。根据钉扎层/偏置层在自旋阀中所处位置的不同，自旋阀结构还可细分为顶自旋阀及底自旋阀。顶自旋阀中钉扎层/偏置层双层膜位于顶层，而底自旋阀中钉扎层/偏置层双层膜位于底层，如图1(a)、(b)所示。利用自旋阀结构作为信息存储单元时，工作原理为：两铁磁层(F1、F2)被一相对较厚的非磁性层隔开，使铁磁层F1和F2层间去耦合。铁磁层F1的磁矩的磁化取向随外磁场的变化而改变，而铁磁层F2由于同反铁磁层的交换耦合作用，产生一沿膜面的交换偏置场，使铁磁层F2的磁矩在小于交换偏置场的外磁场作用下不会改变方向。因而在小于钉扎场的外磁场的作用下，由于铁磁层F1磁矩取向的改变，可使铁磁层F1和F2的磁矩相对取向在平行与反平行间发生变化，从而使自旋阀呈低电阻和高电阻态，实现信息“0”、“1”码的存储，如图2(a)、(b)所示。由此可见，目前常见的利用自旋阀结构产生巨磁电阻效应实现信息“0”、“1”码的存储，都是依靠钉扎层磁矩固定，外磁场来改变自由层(铁磁层F1)磁矩取向实现的。因而，使钉扎层/偏置层中产生大的交换偏置场固定钉扎层磁矩，是保证信息可靠存储的关键。
由上述介绍可见，钉扎层/偏置层双层膜形成大的交换偏置场是在自旋阀结构中实现巨磁电阻效应的关键。目前，在钉扎层/偏置层双层膜中实现交换偏置场可采取以下两种方法：一是采用在自旋阀多层膜制备过程中磁场下沉积获得，二则是在自旋阀多层膜制备好后采用磁场下退火处理获得。当采用磁场下沉积方法时，获得的交换偏置场较小；而当采用磁场下退火处理方法时，虽可获得较大的交换偏置场，但由于高温退火时温度的影响，会造成自旋阀多层膜层间互扩散严重，而劣化其巨磁电阻性能。因此，寻找室温下扩展交换偏置场区域(即在室温下制备具有较大交换偏置场的自旋阀结构)的结构或方法，将有助于磁信息存储等领域的发展。本发明着手解决这种需要。
发明内容
本发明的目的是对基本的自旋阀结构进行改进，提供一种双交换偏置场型自旋阀，可在室温下人为扩展自旋阀的交换偏置场区域，拓宽自旋阀的高电阻区域，从而有利于提高交换偏置场型自旋阀在信息存储或其他应用中的稳定性。且本发明提供的双交换偏置场型自旋阀，可在室温下制备，无需高温退火处理，具有良好的巨磁电阻性能。
本发明技术方案为：
一种双交换偏置场型自旋阀，包括双交换偏置场型自旋阀结构。所述双交换偏置场型自旋阀结构由基片/缓冲层/反铁磁层AFM1/铁磁层F1/隔离层/铁磁层F2/反铁磁层AFM2/覆盖层构成，如图3所示。其中，反铁磁AFM1/铁磁层F1之间由于铁磁层同反铁磁层的交换耦合作用，产生一沿膜面的交换偏置场Hex1；反铁磁AFM2/铁磁层F2之间由于铁磁层同反铁磁层的交换耦合作用，也产生一沿膜面的交换偏置场Hex2；但交换偏置场Hex1、Hex2的方向正好相反，如图4所示。
上述方案中，基片可选用Si基片或玻璃基片，缓冲层材料为Ta，反铁磁层AFM1和反铁磁层AFM2材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO，铁磁层F1和铁磁层F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，隔离层材料为Cu，覆盖层材料为Ta。
制备如上述技术方案的双交换偏置场型自旋阀时，采用薄膜沉积工艺在基片上依次制备缓冲层/反铁磁层AFM1/铁磁层F1/隔离层/铁磁层F2/反铁磁层AFM2/覆盖层。只需特别指出的是，制备反铁磁AFM1/铁磁层F1双层膜时采用沿膜面的外磁场条件下沉积，外磁场大小可选择在50Oe-300Oe之间；制备反铁磁层AFM2/铁磁层F2双层膜时也采用沿膜面的外磁场条件下沉积，外磁场大小与制备反铁磁AFM1/铁磁层F1双层膜时采用的外磁场相同，但方向相反。即在制备反铁磁AFM1/铁磁层F1双层膜和反铁磁层AFM2/铁磁层F2双层膜时，均采用外磁场条件下的薄膜沉积工艺，但两种外磁场为沿膜面大小相同、方向相反(二者方向旱反平行)
利用木发明所述的双交换偏置场型自旋阀作为信息存储单元时，其工作原理如图5所示：由于Hex1、Hex2方向相反，因而在零场作用下，两铁磁层F1、F2磁矩反向平行，此时自旋阀呈高阻态，对应着信息存储为“1”；当沿交换偏置场Hex1方向施加一大于Hex2与铁磁层F2的矫顽力Hc2之和的外磁场时，铁磁层F2的磁矩方向发生翻转，此时自旋阀为低阻态，对应存储信息为“0”；当沿交换偏置场Hex2方向施加一大于Hex1与铁磁层F1的矫顽力Hc1之和的外磁场时，铁磁层F1的磁矩方向发生翻转，此时自旋阀也为低阻态，对应存储信息为“0”。
本发明的有益效果是：利用双交换偏置场，可在室温下人为扩展自旋阀的交换偏置场区域，拓宽自旋阀的高电阻区域，从而有利于提高交换偏置场型自旋阀在信息存储或其他应用中的稳定性。另外，通过对双交换偏置场自旋阀两交换偏置场大小的调制，使本发明的自旋阀可工作在需要的磁场区域。且本发明提供的双交换偏置场型自旋阀，可在室温下制备，无需高温退火处理，避免了高温退火带来的自旋阀多层膜层间互扩散的负面影响，从而具有良好的膜层稳定性和巨磁电阻性能。
附图说明
图1是现有的自旋阀基本结构示意图。其中(a)为现有的顶自旋阀结构示意图，(b)为现有的底自旋阀结构示意图。
图2是现有的自旋阀巨磁电阻状态示意图。其中(a)为现有自旋阀低阻状态示意图，(b)为现有自旋阀高阻状态示意图。
图3是本发明提出的双交换偏置场自旋阀的结构示意图。
图4是本发明提出的双交换偏置场自旋阀的交换偏置场方向示意图。
图5是本发明提出的双交换偏置场自旋阀做信息存储时巨磁电阻效应示意图。
图6是一种现有的顶自旋阀和本发明提供的双交换偏置场自旋阀巨磁电阻效应测试曲线。其中A是顶自旋阀实例Ta(10nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)/NiFe(12nm)/FeMn(15nm)/Ta(5nm)巨磁电阻效应测试曲线。B是实施本发明的双交换偏置场白旋阀实例Ta(10nm)/FeMn(15nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)/NiFe(12nm)/FeMn(15nm)/Ta(5nm)巨磁电阻效应测试曲线。
具体实施方式
用计算机控制的四靶磁控溅射设备在Si基片上制备Ta(10nm)/FeMn(15nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)/NiFe(12nm)/FeMn(15nm)/Ta(5nm)双交换偏置场自旋阀。沉积时采用一对永磁铁提供沿膜面的300Oe沉积磁场，当Ta(10nm)/FeMn(15nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)多层膜沉积完成后，将永磁体沿垂直于膜面的轴旋转180度，使磁场的方向反平行于最初沉积时磁场方向，继续溅射NiFe(12nm)/FeMn(15nm)/Ta(5nm)多层膜，最终完成双交换偏置场自旋阀的制备。为了比较，采用相同的溅射条件，制备了Ta(10nm)/NiFe(6nm)/Cu(4nm)/NiFe(12nm)/FeMn(15nm)/Ta(5nm)顶自旋阀，用四探针法测试了样品的巨磁电阻效应，如图6所示。从测试曲线对比可见，采用本发明所提出的双交换偏置场自旋阀其高电阻区域(对应信息存储为“1”)为-75Oe—125Oe，且巨磁电阻变化率有一定的上升；而采用常规的顶自旋阀其高电阻区域仅为5Oe—65Oe。由于本发明所提出的双交换偏置场型自旋阀通过对交换偏置场的扩展，使其高电阻区域增长为现有顶自旋阀的两倍以上，有利于提高交换偏置场型自旋阀在信息存储或其他应用中的稳定性。

Claims (7)

1、一种双交换偏置场型自旋阀，包括双交换偏置场型自旋阀结构，其特征在于，所述双交换偏置场型自旋阀结构由基片/缓冲层/反铁磁层AFM1/铁磁层F1/隔离层/铁磁层F2/反铁磁层AFM2/覆盖层构成；其中，反铁磁AFM1/铁磁层F1之间由于铁磁层同反铁磁层的交换耦合作用，产生一沿膜面的交换偏置场Hex1；反铁磁AFM2/铁磁层F2之间由于铁磁层同反铁磁层的交换耦合作用，也产生一沿膜面的交换偏置场Hex2；但交换偏置场Hex1、Hex2的方向正好相反。
2、根据权利要求1所述的双交换偏置场型自旋阀，其特征在于，所述双交换偏置场型自旋阀结构的基片为Si基片或玻璃基片。
3、根据权利要求1所述的双交换偏置场型自旋阀，其特征在于，所述双交换偏置场型自旋阀结构的缓冲层材料为Ta。
4、根据权利要求1所述的双交换偏置场型自旋阀，其特征在于，所述双交换偏置场型自旋阀结构的反铁磁层AFM1和反铁磁层AFM2材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO。
5、根据权利要求1所述的双交换偏置场型自旋阀，其特征在于，所述双交换偏置场型自旋阀结构的铁磁层F1和铁磁层F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金。
6、根据权利要求1所述的双交换偏置场型自旋阀，其特征在于，所述双交换偏置场型自旋阀结构的隔离层材料为Cu。
7、根据权利要求1所述的双交换偏置场型自旋阀，其特征在于，所述双交换偏置场型自旋阀结构的覆盖层材料为Ta。
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