CN102024904B - 一种高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料及制备方法，涉及磁性薄膜材料。发明设计的薄膜材料结构为：绝缘层/Pt1/[Co/Pt2]n/绝缘层。此结构材料具有很强的霍尔信号，通过优化各层厚度并将其加工成磁场传感器元件后具有很高的磁场灵敏度。该发明的主要优点是设计的材料制备工艺简单，磁场感应范围大，磁场灵敏度提高明显，优化的磁场灵敏度高于现今报道的最高的金属霍尔传感器的灵敏度；并且电阻率低，响应频率宽；同时克服了以往材料体系中霍尔信号低，各向异性不易调整的缺点。因此，该材料可以用于制作高灵敏度霍尔传感器。

Description

一种高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及磁性薄膜材料，特别是涉及具有反常霍尔效应的金属磁场传感器薄膜材料及其制备方法。
背景技术
具有反常霍尔效应(EHE)的磁性金属材料可以用于磁性测量、制作磁记录介质和磁场传感器等应用器件。由于金属霍尔传感器电阻率低、响应频率宽、温度系数低且制备工艺简单，具备EHE的磁性金属霍尔传感器逐渐呈现出替代半导体霍尔传感器的趋势。然而对于优秀的磁传感器而言，高的磁场灵敏度(dVxy/dH)是最重要的指标。欲得到高的灵敏度需要材料具有较大的霍尔信号或者较低的难轴饱和场。但是，具有很大霍尔信号的材料往往饱和场都很大。例如在文献Y.H.Cheng，R.K.Zheng，H.Liu，Y.Tian，and Z.Q.Li，Phys.Rev.B80，174412(2009)中报道的ε-Fe3N薄膜的霍尔电阻率高达20μΩ·cm，但是由于饱和场很大(＞10kOe)，其灵敏度很低。这是由于该体系的各向异性不易调整。在文献Y.Zhu and J.W.Cai，Appl.Phys.Lett.90，012104(2007)中报道的CoFe/Pt多层膜体系的磁场灵敏度高达1200V/AT，超过了现今半导体霍尔传感器的灵敏度水平(1000V/AT)。这是由于CoFe/Pt多层膜中有界面，通过调节界面可以改变界面各向异性，从而调整体系的各向异性。通过优化的CoFe/Pt多层膜的难轴饱和场仅有约10Oe。但是，该体系的霍尔信号并不强，其霍尔电阻率仅仅只有0.6μΩ·cm。如果能够在保持各向异性可调的前提下提高霍尔信号，那么金属霍尔传感器的灵敏度将有更大的飞跃。因此，在各向异性可调的体系里提升霍尔信号的大小是当前金属霍尔传感器取得突破的主要技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于发明和设计一种能够突破此瓶颈的具有高灵敏度霍尔传感器的薄膜材料以及制备方法。
为了实现这一目的，本发明选择了Co/Pt多层膜体系。因为在Co/Pt多层膜中电子的自旋-轨道耦合较强，而且具有可调的各向异性。那么就需要寻找一种增强此体系霍尔信号的方法。
本发明提出了一种提高霍尔效应的方法并设计了一种高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料，其结构为：绝缘层/Pt1/[Co/Pt2]n/绝缘层。
所述绝缘层为能够增强电子散射的绝缘氧化层，可以是MgO或Al2O3。
所述Co，Pt结构[Co/Pt2]n为多层膜周期结构，周期数n可以是2～10。
所述多层膜材料各层的厚度具体为：绝缘层
Figure BSA00000295060700021
Figure BSA00000295060700022
本发明还提出一种制备上述高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料的制备方法，具体制备步骤为：
所述金属霍尔传感器薄膜材料是在磁控溅射仪中制备，在清洗干净的单晶硅基片上依次沉积所述绝缘层/Pt1/[Co/Pt2]n/绝缘层；溅射时本底真空度为6×10-6～1×10-5Pa，溅射时氩气压为0.2～0.4Pa，基片用循环水冷却。
进一步的，上述制备方法中，所述溅射时氩气的纯度为99.99％。
进一步的，上述制备方法可以是：在单晶硅基片上依次沉积MgO
Figure BSA00000295060700031
Figure BSA00000295060700032
溅射时本底真空1×10-5Pa，在溅射时氩气压为0.2Pa。
进一步的，上述制备方法可以是：，在单晶Si基片上依次沉积
Figure BSA00000295060700034
溅射时本底真空1×10-5Pa，在溅射时氩气压为0.2Pa。
本发明的优点在于：由于在材料结构设计中具有氧化物绝缘层，绝缘体-金属(MgO-Pt、Al2O3-Pt)界面的引入大大增强了电子散射，从而大幅度提高了霍尔信号；最高的霍尔电阻率比单纯的Co/Pt多层膜高约13倍。不仅如此，体系的各向异性对多层膜中绝缘层的厚度很敏感，不但可以通过调节绝缘层的厚度来优化出较小的难轴饱和场，而且可以调整出感应不同范围的磁场的传感器材料。其磁场灵敏度提升明显，最高的灵敏度达到2445V/AT，比文献Y.Zhu and J.W.Cai，Appl.Phys.Lett.90，012104(2007)中报道的现今最高的EHE传感器灵敏度1200V/AT高约2倍。另外，其制备工艺简单，电阻率仍然保持较低，提供了一种很有应用前景的金属霍尔传感器材料。
附图说明
图1为霍尔电阻条元件的结构示意图；
图2为结构是
Figure BSA00000295060700041
的薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的霍尔信号输出曲线；
图3为结构是
Figure BSA00000295060700042
(t分别取
Figure BSA00000295060700043
)的薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的霍尔信号输出曲线；
图4为结构是
Figure BSA00000295060700044
(n取2-10)和结构是
Figure BSA00000295060700045
)/
Figure BSA00000295060700046
(n取2-10)的薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的灵敏度与周期数n的关系曲线
图5为结构是(n取2-10)，
Figure BSA00000295060700048
(n取2-10)的薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的灵敏度与周期数n的关系曲线；以及结构是
Figure BSA00000295060700049
(t分别取5，10，40，90，
Figure BSA000002950607000410
)的薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的灵敏度与Al2O3厚度t的关系曲线
具体实施方式
实施例1
在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学溶剂和去离子水超声清洗干净，然后装入真空溅射室样品基座上。基片用循环水冷却。溅射时本底真空1×10-5Pa，在氩气(纯度为99.99％)压为0.2Pa的条件下依次沉积
Figure BSA00000295060700051
Figure BSA00000295060700052
以及
Figure BSA00000295060700053
Figure BSA00000295060700054
制得薄膜。再通过一般的半导体加工工艺将薄膜材料加工成线宽为30微米的霍尔电阻条元件；一般的半导体加工工艺是指：甩胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀等。
图1是霍尔电阻条的结构示意图。图2是用标准四探针法测得的该薄膜材料的霍尔信号输出曲线，样品的磁场灵敏度为2445V/AT，比文献Y.Zhu and J.W.Cai，Appl.Phys.Lett.90，012104(2007)中报道的现今最高的EHE传感器灵敏度1200V/AT(Sample 2)高约2倍。
实施例2
在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学溶剂和去离子水超声清洗干净，然后装入真空溅射室样品基座上。基片用循环水冷却。溅射时本底真空1×10-5Pa，在氩气(纯度为99.99％)压为0.2Pa的条件下沉积结构为
Figure BSA00000295060700055
(t分别取5，
Figure BSA00000295060700056
)的系列薄膜。再通过一般的半导体加工工艺将薄膜材料加工成线宽为30微米的霍尔电阻条元件；一般的半导体加工工艺是指：甩胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀等。
图3是以上结构的系列薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的霍尔信号输出曲线；可以看出，通过优化绝缘层的厚度可以得到不同灵敏度，不同相应磁场范围的霍尔传感器材料。
实施例3
在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学溶剂和去离子水超声清洗干净，然后装入真空溅射室样品基座上。基片用循环水冷却。溅射时本底真空1×10-5Pa，在氩气(纯度为99.99％)压为0.2Pa的条件下沉积结构为
Figure BSA00000295060700061
Figure BSA00000295060700062
(n取2-10)和结构是
Figure BSA00000295060700063
Figure BSA00000295060700064
(n取2-10)的系列薄膜。再通过一般的半导体加工工艺将薄膜材料加工成线宽为30微米的霍尔电阻条元件；一般的半导体加工工艺是指：甩胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀等。
图4是以上结构的系列薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的磁场灵敏度随周期数n变化曲线。可以看出，通过改变结构中Co层厚度和周期数可以得到不同的灵敏度范围的霍尔传感器材料。
实施例4
在磁控溅射仪中制备磁性薄膜。首先将单晶硅基片用有机化学溶剂和去离子水超声清洗干净，然后装入真空溅射室样品基座上。基片用循环水冷却。溅射时本底真空1×10-5Pa，在氩气(纯度为99.99％)压为0.2Pa的条件下沉积结构为
Figure BSA00000295060700065
(n取2-10)，
Figure BSA00000295060700067
Figure BSA00000295060700068
(n取2-10)，以及结构是Al2O3(t)/]3/Al2O3(t)(t分别取5，10，40，90，
Figure BSA00000295060700072
)的系列薄膜材料。再通过一般的半导体加工工艺将薄膜材料加工成线宽为30微米的霍尔电阻条元件；一般的半导体加工工艺是指：甩胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀等。
图5是以上结构的系列薄膜材料设计加工成霍尔电阻条元件的磁场灵敏度分别随周期数n以及厚度t的变化曲线。可以看出，通过改变结构中各个参数可以得到不同的灵敏度，不同相应磁场范围的霍尔传感器材料。绝缘层为MgO时材料的性能略优于绝缘层为Al2O3的材料。

Claims (8)

1.一种高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料，其特征在于：所述霍尔传感器薄膜材料结构为：绝缘层/Pt1/[Co/Pt2]n/绝缘层的多层膜结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于：所述绝缘层为MgO或A12O3。
3.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于：所述[Co/Pt2]n为多层膜周期结构，周期数n为2～10。
4.根据权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于：所述多层膜材料各层的厚度为绝缘层
Figure FSB00000863104700013
5.制备如权利要求1～4所述高灵敏度霍尔传感器薄膜材料的制备方法，其特征在于：
所述金属霍尔传感器薄膜材料是在磁控溅射仪中制备，在清洗干净的单晶硅基片上依次沉积所述绝缘层/Pt1/[Co/Pt2]n/绝缘层；溅射时本底真空度为6×10-6～1×10-5Pa，溅射时氩气压为0.2～0.4Pa，基片用循环水冷却。
6.根据权利要求5所述的金属霍尔传感器薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述溅射时氩气的纯度为99.99％。
7.根据权利要求6所述的磁电阻薄膜材料的制备方法，其特征在于，在单晶硅基片上依次沉积MgO
Figure FSB00000863104700015
Figure FSB00000863104700016
Figure FSB00000863104700017
Figure FSB00000863104700018
Figure FSB00000863104700019
Figure FSB000008631047000110
Figure FSB000008631047000111
Figure FSB000008631047000112
Figure FSB000008631047000113
Figure FSB000008631047000114
溅射时本底真空1×10-5Pa，在溅射时氩气压为0.2Pa。
8.根据权利要求6所述的磁电阻薄膜材料的制备方法，其特征在于，在单晶硅基片上依次沉积
Figure FSB00000863104700021
Figure FSB00000863104700022
Figure FSB00000863104700023
Figure FSB00000863104700024
Figure FSB00000863104700025
Figure FSB00000863104700027
Figure FSB00000863104700029
Figure FSB000008631047000210
溅射时本底真空1×10-5Pa，在溅射时氩气压为0.2Pa。
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