CN102447055A - 一种磁性金属薄膜型霍尔器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁性金属薄膜型霍尔器件及其制备方法。该霍尔器件包括基片和该基片上的磁性合金层，还包括位于所述磁性合金层上的保护层，所述磁性合金层为Pt基磁性合金层，其厚度小于或等于3nm，所述保护层由氧化物绝缘材料制成。该霍尔器件还可以包括位于所述基片和磁性合金层之间的由氧化物绝缘材料制成的缓冲层。本发明霍尔器件饱和霍尔电阻率保持了Pt基合金的较大值，关键是引入氧化物保护层，使之与磁性合金层之间产生较强的界面各向异性，导致垂直膜面方向的饱和磁场大大降低，从而获得极高的霍尔斜率和灵敏度。上述体系可通过改变Pt基合金层的成分、厚度以及退火温度和时间得到不同饱和磁场和不同应用磁场范围，易于调控。
Description
技术领域
本发明属于磁电子学领域，具体地说，本发明涉及一种磁性金属薄膜型霍尔器件及其制备方法。
背景技术
基于正常霍尔效应的半导体霍尔器件早已市场化且被广泛应用于传感器中，用来对电流、位移、磁场等进行检测。但是半导体霍尔器件的高电阻率、低工作频率和复杂的制备工艺等不足都将阻碍其进一步发展。金属霍尔器件能很好的克服上述半导体霍尔器件的种种不足，只是由于其霍尔效应小，灵敏度低，一直没有得到重视。基于反常霍尔效应的铁磁性金属及其合金的霍尔系数比非铁磁性金属至少大一个数量级，但是和半导体霍尔系数相比，仍小一、两个数量级。为了增强反常霍尔效应，人们采用了很多方法。
在上世纪70年代，人们利用稀土元素的强自旋-轨道相互作用在稀土-过渡族金属非晶材料中得到了较大的霍尔效应和较大的霍尔斜率，如Gd-Fe体系，饱和霍尔电阻率约为11μΩcm，霍尔斜率可达100μΩcm/T(文献J.Appl.Phys.48，2965(1977))，但是由于稀土的磁转变温度低，易腐蚀，这种方法逐渐不被关注。90年代时，人们采用颗粒膜结构，将铁磁颗粒埋于氧化物绝缘体中也获得了较大的霍尔效应，如Ni-SiO2颗粒膜，饱和霍尔电阻率达到200μΩcm，霍尔斜率达到500μΩcm/T(文献Appl.Phys.Lett.67，3497(1995))，但是颗粒膜电阻率过大(约10-1Ωcm到1Ωcm)，霍尔角很小(小于1％)，阻碍了进一步发展。
近些年来，人们研究发现，由于Pt的强自旋轨道相互作用，Pt基合金及其多层膜也大都具有较大的反常霍尔效应(室温最大值5μΩcm左右)。如3nm的Fe35Pt65薄膜，110K时，霍尔斜率为76.8μΩcm/T，对应的灵敏度为250V/AT；5nm的Fe35Pt65薄膜，室温时，霍尔斜率为22.6μΩcm/T，对应的灵敏度为45V/AT(文献Appl.Phys.Lett.85，73(2004))，这是以往作为霍尔线性器件的Pt基合金膜获得的最佳霍尔斜率和灵敏度值。不过，和大多数铁磁薄膜一样，形状各向异性占主导，在垂直方向的饱和磁场较大，灵敏度还是太小，难以实际应用。另一方面，当Fe(或Co)和Pt原子比约为50∶50时，无序的FePt(或CoPt)合金膜经过高温退火处理可得到有序的L10相合金，通过对取向的控制，可以获得极强的垂直各向异性，但由此方法获得的强垂直各向异性使FePt(或CoPt)合金膜在垂直膜面方向矫顽力大、磁滞大，难以作为霍尔线性器件应用。另外，Co/Pt多层膜具有较大的界面各向异性，通过各层厚度的调节可获得较大的垂直各向异性(文献J.Appl.Phys.65，4971(1989))，但是Co/Pt垂直多层膜同样表现出矫顽力大，不适合用作霍尔线性器件；相反，Fe/Pt多层膜的界面各向异性较弱(文献Appl.Phys.Lett.90，012104(2007))，所以在这一体系中很难获得非常高的霍尔灵敏度。采用CoFe/Pt金属多层膜结构，利用该多层膜易于调控的界面各向异性可大大降低饱和磁场，同时磁滞小，可获得非常高的霍尔灵敏度。如[CoFe(2.8
)/Pt(12
)]3多层膜，霍尔斜率达545μΩcm/T，对应霍尔器件的灵敏度为1200V/AT(文献Appl.Phys.Lett.90，012104(2007)，中国发明专利号：ZL200610144053.6)，超过了目前半导体霍尔器件约1000V/AT的灵敏度(文献IEEE Trans.Electron Devices 43，1665(1996))。但是，此高灵敏度金属多层膜霍尔器件要求铁磁层厚度必须控制精准，厚度偏差范围小于0.2另外，多层膜中主要利用界面处原子的自旋轨道电子散射增强霍尔效应，所以相比Pt基合金膜霍尔器件，该多层膜霍尔器件的饱和霍尔电阻率大大减少。目前，人们仍在努力寻求增大饱和霍尔电阻率，降低垂直膜面方向饱和磁场的办法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有较高饱和霍尔电阻率、低饱和磁场因而表现高霍尔灵敏度的磁性金属薄膜型霍尔器件及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，提供一种磁性金属薄膜型霍尔器件，包括基片和该基片上的磁性合金层，其中还包括位于所述磁性合金层上的保护层，所述磁性合金层为Pt基磁性合金层，其厚度小于或等于3nm，所述保护层由氧化物绝缘材料制成；该氧化物保护层除了保护磁性合金层不被氧化外，同时在磁性合金层与氧化物层间产生较强的界面各向异性，是调控磁性合金层垂直薄膜方向饱和磁场及相关的霍尔灵敏度的核心与关键。
在上述霍尔器件中，还包括：位于所述基片和磁性合金层之间的缓冲层，所述缓冲层由氧化物绝缘材料制成；该氧化物缓冲层除了给磁性合金层提供一个干净、平整的界面外，同时也在磁性合金层与氧化物层间产生较强的界面各向异性，也可调控磁性合金层垂直薄膜方向饱和磁场及相关的霍尔灵敏度。
在上述霍尔器件中，所述Pt基磁性合金层为A1-δPtδ合金，其中A选自Fe、Co、Ni中的至少一种，且0.45≤δ≤0.75。
在上述霍尔器件中，所述Pt基磁性合金层优选由Fe1-δPtδ合金制成。在上述霍尔器件中，所述Fe1-δPtδ合金层的厚度优选12
至30
之间。
根据本发明的另一个方面，提供一种制备磁性金属薄膜型霍尔器件的方法，包括如下步骤：
1)选取基片，在该基片上利用掩模或微纳米加工工艺并结合真空薄膜沉积法依次沉积Pt基磁性合金层和保护层，制成具有一定霍尔测量图形的样品，其中Pt基磁性合金层的厚度小于或等于3nm，所述保护层由氧化物绝缘材料制成；
2)将步骤1)所得样品置于真空下或在惰性气氛(如N2、Ar等)保护下进行退火处理。
在上述方法中，所述步骤1)还包括在沉积Pt基磁性合金层之前，先在基片上沉积缓冲层，以使所述缓冲层位于基片和Pt基磁性合金层之间，所述缓冲层由氧化物绝缘材料制成。
在上述方法中，所述Pt基磁性合金层为A1-δPtδ合金，其中A选自Fe、Co、Ni中的至少一种，且0.45≤δ≤0.75。
在上述方法中，所述Pt基磁性合金层优选由Fe1-δPtδ合金制成。
在上述方法中，所述退火温度在240℃至440℃。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、引入“未被氧化的超薄Pt基磁性合金膜与氧化物”的界面，进行适当退火处理，“铁磁性合金/氧化物”界面各向异性得到进一步增强，增强的界面各向异性大小可与形状各向异性相比拟，使超薄Pt基磁性合金在垂直膜面方向的饱和磁场大大降低，霍尔灵敏度和霍尔斜率大大提高；
2、以氧化物绝缘体作为保护层，或者同时引入氧化物作为缓冲层，不仅形成“铁磁性合金/氧化物”界面，还避免以金属作为保护层或缓冲层时所造成分流效应；
3、使霍尔器件在高灵敏度下的应用磁场范围大大拓宽并可以按需调节，其中磁性层为Fe0.425Pt0.575的霍尔器件可以在高灵敏度(约1200～5700V/AT)下拥有更宽的应用磁场范围(约±50～250Oe)；
4、相比金属多层膜霍尔器件结构，本发明提供的霍尔器件结构，可在更宽的铁磁层厚度范围实现高灵敏度，可操作性强，其饱和霍尔电阻率更高。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为本发明实施例的霍尔测量图形示意图；
图2(a)为本发明实施例1至3的霍尔器件结构示意图；
图2(b)为本发明实施例4的霍尔器件结构示意图；
图3(a)至3(d)分别为本发明实施例1退火前后室温下饱和磁场、饱和霍尔电阻率、霍尔斜率、霍尔灵敏度对Fe0.425Pt0.575磁性合金层厚度的依赖关系；
图4(a)和4(b)分别为本发明实施例1中样品Si/SiO2(50)/Fe0.425Pt0.575(18
)/SiO2(100
)退火前后其室温霍尔电阻对磁场的依赖关系；
图5为本发明实施例1退火前后室温电阻率对Fe0.425Pt0.575磁性合金层厚度的依赖关系；
图6(a)至6(i)为本发明实施例2中样品在不同温度时霍尔电阻对磁场的依赖关系；
图7(a)和7(b)分别为本发明实施例3中样品Si/SiO2(50
)/Fe0.518Pt0. 482(18
)/SiO2(100
)退火前后其室温霍尔电阻对磁场的依赖关系；
图8为本发明实施例4中样品Si/Fe0.27Pt0.73(20
)/SiO2(300)退火前后室温霍尔电阻对磁场的依赖关系。
具体实施方式
本发明选用超薄Pt基磁性合金薄膜作为磁性合金层，并在该磁性层上引入氧化物绝缘体薄膜作为保护层，从而形成具有“超薄Pt基合金/氧化物”双层膜体系的霍尔器件；或者在磁性层和基片之间引入氧化物绝缘体薄膜作为缓冲层并在该磁性层上引入氧化物绝缘体薄膜作为保护层，从而形成具有“氧化物/超薄Pt基合金/氧化物”三层膜体系的霍尔器件。为便于分析和比较本发明的霍尔器件性能，定义薄膜的霍尔电阻率为：
ρxy＝(Vxy/I)t＝RoH+Rs4πM
其中，Ro是正常霍尔系数，Rs是反常霍尔系数，Vxy是霍尔电压，t是薄膜厚度，Vxy/I为霍尔电阻，H为磁场强度，M为磁化强度。作为霍尔器件的一个重要特性，霍尔斜率RH＝dρxy/dH≈4πχRs，而霍尔灵敏度KH＝RH/t＝d(Vxy/I)/dH。在本发明中的实施例，样品的霍尔测量图形采用Hallbar 1331，如图1所示，图中方块表示连接电极的地方，I表示在两个电极间通恒定电流，V表示在两个电极测量霍尔电压。磁场B垂直于电流I和电压V的平面(即膜面)，其余电极可以用于测量其它参量。应当理解，本发明的霍尔器件也可以通过采用其他霍尔测量图形实现性能测试。另外，以下实施例仅作为实现本发明的优选方案，而非对本发明的限制。
[实施例1]：本实施例的霍尔器件结构为：氧化物/Pt基磁性合金/氧化物
制备本发明实施例1的利用“铁磁性合金/氧化物”界面效应的磁性金属薄膜型霍尔器件，该制备方法包括以下步骤：
1)在Si片上涂布光刻胶，并用紫外曝光机按上述霍尔测量图形曝光、显影和定影，此时霍尔测量图形部分的光刻胶已除去，测量图形以外的基片仍被光刻胶覆盖；
2)采用磁控溅射仪依次在Si片上镀膜，由此形成的多层膜结构为Si/SiO2(50
)/Fe0.425Pt0.575(1000)/SiO2(100
)，如图2(a)所示，其中11为基底，12为缓冲层，13为Pt基磁性合金层，14为保护层；其中沉积前真空沉积设备中的本底真空气压优于10-5Pa，沉积时在惰性气氛Ar气下的工作气压为0.45Pa；
3)对镀完膜后的样品采用去除(lift-off)工艺去掉光刻胶，形成霍尔测量图形；
4)将上述步骤3)所得的半成品置于真空退火炉中进行真空退火，退火处理时的真空度大于10-4Pa，在320℃下退火1小时，退火后即获得霍尔器件。
为了比较与分析不同厚度的Fe0.425Pt0.575磁性合金层对霍尔器件性能的影响，按照上述实施例1的方法还制备出在Fe0.425Pt0.575的厚度分别为500、200、120、80、60、40、30、28、26、24、22、20、18、16、15、14、12(单位为
)时的霍尔器件，并测试了该系列样品在退火前后的室温下饱和磁场、饱和霍尔电阻率、霍尔斜率及霍尔灵敏度对Fe0.425Pt0.575磁性合金层厚度的依赖关系，分别如图3(a)至3(d)所示。
可以发现，在退火之前，制备态样品(即退火前的样品)在垂直膜面方向上的饱和磁场随Fe0.425Pt0.575磁性合金层厚度的减少而逐渐降低(如图3(a)中所示)，其原因在于，较厚的Pt基磁性合金层(＞6nm)样品形状各向异性占主导，界面各向异性的作用微乎其微；而超薄的Pt基磁性合金层(≤6nm)样品虽然形状各向异性仍占主导，但界面各向异性对它的作用已相当可观，所以超薄Pt基磁性层(≤6nm)样品饱和磁场相比较厚磁性层样品有所减少，但饱和磁场仍在1000Oe以上。尽管该系列制备态样品的饱和霍尔电阻率基本保持铁铂磁性合金约4～6μΩcm的较大数值(如图3(b)所示)，但是其霍尔斜率和霍尔灵敏度仍然较小(如图3(c)和图3(d)中深色圆点所示)。当经适当退火处理后，样品的性能发生显著变化。仍参照图3(a)至3(d)，从图中可以看出Pt基磁性层厚度≤3nm的样品退火后饱和磁场大幅减少，霍尔灵敏度显著提高。优选地，当Pt基磁性层厚度在12
至30
之间时，其室温霍尔灵敏度已相当或超越于当前广泛市场化的半导体霍尔传感器灵敏度(约～102V/AT)。更优选地，当Pt基磁性层厚度在14至22
之间时，其室温霍尔灵敏度均超过1500V/AT(如图3(d)白色圆点所示)，大于半导体霍尔器件和金属多层膜霍尔器件的室温最大值(分别为1000V/AT和1200V/AT)。特别是磁性层厚度为18的样品，其垂直膜面方向的饱和磁场从约3000Oe降为约50Oe，而饱和霍尔电阻率为5.22μΩcm，霍尔斜率为1026μΩcm/T，室温电阻率仅为190.5μΩcm，其矫顽力低于1Oe，该器件室温灵敏度(5700V/AT)相比以往超薄Pt基合金霍尔器件室温最高值(45V/AT)提高了上千倍，相比金属多层膜霍尔器件室温最高值(1200V/AT)提高了约五倍，表现出良好的性能。由此可以分析，对超薄Pt基磁性合金层样品进行适当退火处理，能够使已经可观的“铁磁性合金/氧化物”界面各向异性进一步加强，使界面各向异性大到足够与形状各向异性相比拟，所以相比制备态样品，退火后样品的饱和磁场大幅减少，霍尔斜率和霍尔灵敏度大大提高。对该最优化厚度(18
)的样品(即结构为Si/SiO2(50)/Fe0.425Pt0.575(18
)/SiO2(100
))，示出了该样品退火前后的室温霍尔电阻对磁场的依赖关系(参见图4(a)和图4(b))。从图中可以看出，退火后的室温饱和磁场为±50Oe，此值已近似等于实际应用磁场范围，这说明其完全可以在实际应用中得到广泛使用。若调节该霍尔器件灵敏度为1200V/AT，应用磁场范围可拓宽为约±250Oe，因此在本发明中，可以通过退火条件的改变实现增强界面各向异性的微调，进而实现高灵敏度下应用磁场的改变。
图5为实施例1的厚度系列样品的Fe0.425Pt0.575合金膜霍尔器件在室温下的电阻率。如图所示，所测得的电阻率基本上比半导体霍尔器件的电阻率小两个量级。由于霍尔器件是电流驱动器件，电阻率小则产生焦耳热少，利于散热，因此本发明也解决了半导体霍尔器件往小型化发展遇到的电阻过大的问题。
对于本领域普通技术人员应该理解，除本实施例所使用的硅片外，基片的材料还可以使用本领域其他常规基底材料，如玻璃、GaAs、热氧化硅片等。所述缓冲层和保护层可以由其他氧化物绝缘材料制成，如Al2O3、MgO等。
[实施例2]：本实施例的霍尔器件结构为：氧化物/超薄Pt基磁性合金/氧化物
按照实施例1的方法制备实施例2的磁性金属薄膜型霍尔器件，不同之处在于，其Fe0.425Pt0.575层的厚度选定为18
且退火条件为240℃下退火4小时。实施例2的具体结构为：基片Si/SiO2(150
)/Fe0.425Pt0.575(18
)/SiO2(80
)。
图6(a)至6(i)分别为在不同温度(125K至325K之间)下测得的该霍尔器件退火后的霍尔电阻对磁场的依赖关系。不难发现，此霍尔器件温度系数小，在宽的温度范围内(约200K-300K)均维持了基本恒定的灵敏度(约1300V/AT)。我们还发现，此制备态样品在不同退火工艺条件下(240℃下退火4小时和在280℃下退火1小时)所获得的室温饱和磁场是相等的(没有示出)，又因为两者磁性层形状各向异性相同，这说明不同的退火条件导致了相等的界面各向异性，这佐证了本发明霍尔器件的“铁磁性合金/氧化物”界面各向异性大小既可通过改变退火温度来调节，也可通过改变退火持续时间来调节的特点。
[实施例3]：本实施例的霍尔器件结构为：氧化物/超薄Pt基磁性合金/氧化物
按照实施例2的方法制备本发明实施例3的磁性金属薄膜型霍尔器件，不同之处在于，Pt基磁性合金层为Fe0.518Pt0.482，且退火条件为440℃退火1小时。实施例3的具体结构为：基片Si/SiO2(50
)/Fe0.518Pt0.482(18
)/SiO2(100
)。
图7(a)和7(b)为退火前后该霍尔器件的室温霍尔电阻对磁场的依赖关系。如图所示，退火处理后样品的饱和磁场大幅减少，霍尔灵敏度大大提高。退火后饱和磁场约为225Oe(如图7(b)所示)，饱和霍尔电阻约为24Ω，经计算得到饱和霍尔电阻率为4.32μΩcm，电阻率为199.54μΩcm，霍尔斜率约为192.6μΩcm/T，灵敏度约可达1070V/AT。该结果同样说明，退火工艺对界面各向异性的重要影响，如果工艺条件选择适当，能够显著提高霍尔器件的灵敏度。
需要注意的是，在选择退火条件时，Fe1-δPtδ合金中的Fe的含量也是一个重要的考虑因素。相比实施例1系列样品中的Si/SiO2(50)/Fe0.425Pt0.575(18
)/SiO2(100
)样品，本实施例与其结构相同、磁性层厚度相同，而只有磁性层成分不同。将实施例1的图4(a)和图7(a)进行比较可以看出，磁性层为超薄Fe1-δPtδ合金的制备态样品，随着磁性层中Fe含量的增多，垂直膜面方向饱和磁场增大，这是由制备态样品随Fe含量的增多导致的饱和磁化强度M增大和形状各向异性增大引起的。因此，对结构相同、磁性层厚度相同但磁性层成分不同的超薄Fe1-δPtδ合金制备态样品来说，Fe含量越多(磁性层形状各向异性越大)，退火温度应越高，以使“铁磁性合金/氧化物”界面各向异性达到与磁性层形状各向异性相比拟的大小。
[实施例4]：本实施例的霍尔器件结构为：超薄Pt基磁性合金/氧化物
按照实施例1的方法制备本发明实施例4的利用“铁磁性合金/氧化物”界面效应的磁性金属薄膜型霍尔器件，不同之处在于，该霍尔器件的具体结构如图2(b)所示，为：基片Si/Fe0.27Pt0.73(20
)/SiO2(300
)，其中21为基片，22为铁铂合金层，23为保护层。
退火前后室温下的霍尔电阻对磁场的依赖关系如图8所示。从图中可以看出，尽管此样品没有氧化物层作为缓冲层，但仍具有氧化物保护层，因此“铁磁性合金/氧化物”界面仍存在，且超薄磁性层仍未被氧化，进行退火处理同样可以使样品垂直膜面方向饱和磁场大大降低，霍尔灵敏度和霍尔斜率大大提高。从而表明本发明采用图2(b)所示结构的霍尔器件同样可以获得高霍尔灵敏度。
通过以上实施例1至4可以看出，根据本发明的磁性金属薄膜型霍尔器件包括Pt基磁性合金层、缓冲层和/或保护层，其中缓冲层位于基片之上，用于控制后续制备的薄膜的平整度，形成“铁磁性合金/氧化物”界面；Pt基磁性合金层采用未被氧化的超薄A1-δPtδ磁性合金材料制成，设置于缓冲层之上；保护层设于磁性层之上，用于防止超薄磁性层被氧化，形成“铁磁性合金/氧化物”界面。正是由于在本发明中引入了“铁磁性合金/氧化物”的界面，该界面具有较强的界面垂直各向异性，当此“铁磁性合金/氧化物”界面经退火工艺处理后，该界面垂直各向异性进一步增强，所以能够大大降低霍尔器件在垂直膜面方向上的饱和磁场，使霍尔灵敏度和霍尔斜率大大提高。不难看出，本发明首次通过引入“铁磁性Pt基合金/氧化物”间的界面各向异性，调控磁性层垂直膜面方向饱和磁场及相关的霍尔灵敏度和霍尔斜率，这是本发明的核心与关键。
在上述实施例中，作为磁性合金层的铁铂磁性合金仅为示意性的，在本发明的其他实施例中，可以选用A1-δPtδ，其中A为Fe、Co和Ni中的至少一种，且0.45≤δ≤0.75。需要说明的是，虽然本发明未对除以上实施例外的其他情况进行讨论，但本领域普通技术人员可以从现有研究的Pt基合金膜霍尔器件中了解到以铁铂合金薄膜的霍尔效应较大(文献Appl.Phys.Lett.85，73(2004))，且铁铂合金薄膜在原子比Fe∶Pt≈40∶60有285K下最大的饱和霍尔电阻率(文献J.Appl.Phys.79，8(1996))，所以在本发明实施例中重点介绍了磁性层为Fe0.425Pt0.575合金的霍尔器件及其性质。另外，由于Fe、Co和Ni属于同族元素，其性质也相似，由此也可以推断出采用本发明方法制备的其它Pt基磁性合金也能实现本发明的效果。在本发明中Pt基磁性合金层的厚度一般在3nm以下，以便充分发挥界面各向异性对磁性薄膜垂直方向饱和磁场的调节作用，优选厚度在12
至30
之间，更优选在14
至22之间，最优选在18
尽管如此，对磁性层为超薄Fe1-δPtδ合金的霍尔器件来说，其Fe含量具有一优化范围，当Fe组分在约25至55atoms％(原子浓度)的范围时为较佳值。如果Fe含量过大，需要更高的退火温度才能获得合适的界面各向异性，实现高灵敏度，但此时退火温度的提高同时会给器件的制备带来困难性和复杂性；如果Fe含量过小，磁性散射的减少导致的饱和霍尔电阻率减少和趋于超顺磁态同样会减小霍尔斜率和灵敏度。
在上述实施例中，在进行退火处理前所采用的霍尔测量图形制备方法为本领域常见的微纳米加工工艺与真空薄膜沉积相结合的方法之一，其仅为举例说明。其它微纳米加工工艺和掩模法，以及诸如热蒸发、离子束沉积等其它真空薄膜沉积法，也可以用在本发明方法中，并且两者可以结合用于霍尔测量图形的制备。例如：
1.掩模与磁控溅射法结合。该方法包括以下步骤：
(1)在基片上盖上霍尔测量图形的掩模板，采用磁控溅射法，按照本发明霍尔器件结构在基片上镀膜；
(2)去掉掩模板，获得霍尔测量图形。
2.另一种微纳米加工工艺与磁控溅射法相结合的方法。该方法包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射法，按照本发明的霍尔器件结构在基片上镀膜；
(2)在步骤(1)镀完膜后的样品上涂布光刻胶，并用紫外曝光机曝光，显影定影后，霍尔测量图形部分仍被光刻胶覆盖，而测量图形以外的光刻胶已经除去；
(3)将步骤(2)处理后的样品放入离子束刻蚀机中刻蚀，然后放入无水乙醇或者丙酮中超声去掉光刻胶，最终获得霍尔测量图形。
由此可以看出，在本发明的制备霍尔器件的方法中，需要首先利用以上方法形成霍尔测量图形，然后再将该形成霍尔测量图形的样品置于真空下或惰性气氛(如N2、Ar等)保护下进行退火，经退火处理后，器件中“铁磁性合金/氧化物”界面各向异性进一步增强，因此，退火温度和时间依器件所需不同应用磁场范围而设定。当退火时间一定时，界面各向异性主要受退火温度的影响，如果退火温度过低，则形成“铁磁性合金/氧化物”界面各向异性小，所形成的霍尔器件的灵敏度也小；如果退火温度过高又会造成“铁磁性合金/氧化物”界面各向异性过大，器件会出现较大磁滞，线性度变差。所以，在本发明中退火温度的范围优选为240℃至440℃。
另外，虽然以上实施例描述了退火工艺的本底真空以及磁控溅射镀膜时的本底真空和惰性气氛下的沉积工作气压，但对于本领域技术人员应该理解，这些工艺是非必要的，只要镀膜时采用真空薄膜沉积方法，且退火在真空下或在惰性气氛(如N2、Ar等)保护下完成即可实现本发明目的。应该理解，为了便于在制备完成后直接对样品实施性能测试，本发明制成了可测量的霍尔图形，但这并不能作为对本发明制备方法的产品的限制。
综上所述，本发明提供的利用“铁磁性Pt基合金/氧化物”界面效应的磁性金属薄膜型霍尔器件霍尔斜率和霍尔灵敏度大大提高，室温霍尔斜率最高可达1026μΩcm/T，室温霍尔灵敏度最高可达5700V/AT，具有灵敏度高、电阻率低、应用磁场宽、线性度好、磁滞小、温度系数小的优点，是一种理想的金属霍尔器件。与现有技术中灵敏度为1200V/AT的[CoFe(2.8
)/Pt(12
)]3金属多层膜霍尔器件(中国发明专利号：ZL200610144053.6)要求铁磁层厚度必须精准控制在小于0.2的范围相比，本发明提供的磁性层为Fe0.425Pt0.575的霍尔器件，铁磁层厚度在14～22
之间均可实现超过1500V/AT的霍尔灵敏度，制备工艺简单、易行。另外，金属多层膜霍尔器件只能利用界面处原子的自旋轨道电子散射增强霍尔效应，而本发明提供的霍尔器件能充分利用磁性层内原子和界面处原子的自旋轨道电子散射增强霍尔效应，所以本发明霍尔器件饱和霍尔电阻率要比金属多层膜霍尔器件大，如对[CoFe(2.8
)/Pt(12)]3，饱和霍尔电阻率仅为0.6μΩcm，而本发明霍尔器件的饱和霍尔电阻率为4～6μΩcm。
尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
Claims (10)
1.一种磁性金属薄膜型霍尔器件，包括基片和该基片上的磁性合金层，其特征在于，还包括位于所述磁性合金层上的保护层，其中，所述磁性合金层为Pt基磁性合金，其厚度小于或等于3nm，所述保护层由氧化物绝缘材料制成。
2.根据权利要求1所述的霍尔器件，其特征在于，还包括：位于所述基片和磁性合金层之间的缓冲层，所述缓冲层由氧化物绝缘材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的霍尔器件，其特征在于，所述Pt基磁性合金层为A1-δPtδ合金，其中A选自Fe、Co、Ni中的至少一种，且0.45≤δ≤0.75。
4.根据权利要求3所述的霍尔器件，其特征在于，所述Pt基磁性合金层由Fe1-δPtδ合金制成。
5.根据权利要求4所述的霍尔器件，其特征在于，所述Fe1-δPtδ合金层的厚度在12
至30
之间。
6.一种制备磁性金属薄膜型霍尔器件的方法，包括如下步骤：
1)选取基片，在该基片上利用掩模或微纳米加工工艺并结合真空薄膜沉积法依次沉积Pt基磁性合金层和保护层，制成具有一定霍尔测量图形的样品，其中Pt基磁性合金层的厚度小于或等于3nm，所述保护层由氧化物绝缘材料制成；
2)将步骤1)所得样品置于真空下或在惰性气氛保护下进行退火处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1)还包括在沉积Pt基磁性合金层之前，先在基片上沉积缓冲层，以使所述缓冲层位于基片和Pt基磁性合金层之间，所述缓冲层由氧化物绝缘材料制成。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述Pt基磁性合金层为A1-δPtδ合金，其中A选自Fe、Co、Ni中的至少一种，且0.45≤δ≤0.75。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述Pt基磁性合金层由Fe1-δPtδ合金制成。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述退火温度在240℃至440℃。
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