CN104851975A - 一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种各向异性磁电阻材料，具体涉及以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，属于磁电阻材料技术领域。本发明所设计的材料在常规的Ta/NiFe/Ta结构基础上，在Ta和NiFe之间添加一定厚度的NiO作为钉扎稳定层。一方面，NiO为反铁磁材料，反铁磁材料与磁性层彼此接触时，会在界面上产生交换相互作用，此交换相互作用可以将磁性层磁矩稳定地钉扎在一个特定的方向上，从而不容易被干扰磁场破坏；另一方面，对于AMR薄膜材料而言，传导电子在界面处的镜面反射有利于提高AMR比率，而依次生长的氧化物/金属可以形成较为平整的界面，增强对传导电子的镜面反射。

Description

一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种各向异性磁电阻材料，具体涉及以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，属于磁电阻材料技术领域。

背景技术

各向异性磁电阻(Anisotropic magnetoresistance，简称AMR)效应是指在居里温度以下，电流与磁化强度相对取向改变而导致磁性金属电阻率发生变化的现象。基于AMR效应的传感器具有极高的磁场灵敏度，目前已成为弱磁传感与探测的关键器件。在众多具有AMR效应的材料中，NiFe合金薄膜(其中Ni，Fe的重量比为80+δ：20–δ，|δ|＜＜10)是目前应用最广泛的一种，主要是因为该材料具有最佳的综合性能：相对较大的AMR比率和优良的软磁性能(极低的矫顽力、磁致伸缩及磁晶各向异性)，非常适合制作高灵敏度的磁场传感器。在实际应用中一般是以Ta作为缓冲层和保护层，即形成Ta/NiFe/Ta结构。但是，该材料仍然存在明显不足：虽然NiFe优良的软磁性能使其具有极高的磁场灵敏度，但同时也带来了稳定性方面的问题。实际应用中都要求磁性层内部各处的磁化强度彼此平行且方向一致，但对于NiFe而言，一个几十高斯的干扰磁场就足以破坏这种磁结构，使内部磁化强度方向变得杂乱无规，只有重置后才能恢复感应功能；另外AMR比率还有待进一步提高(NiFe薄膜的AMR比率大约为3％)。从应用的角度看，一般希望NiFe层厚度尽可能小，但厚度减小将导致AMR比率衰减，不利于器件灵敏度的提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出以一种NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，该材料包括：

一个衬底；

在所述衬底上形成的缓冲层；

在所述缓冲层上形成的第一钉扎稳定层；

在所述第一钉扎稳定层上形成的磁性层；

在所述磁性层上形成的第二钉扎稳定层；

在所述第二钉扎稳定层上形成的保护层；

其中，所述第一钉扎稳定层、第二钉扎稳定层用于增强磁性层磁结构的稳定性，同时提高磁性层的各向异性磁电阻效应。

所述第一钉扎稳定层、第二钉扎稳定层的材料为NiO，其中Ni，O的原子比为1：1。

所述第一钉扎稳定层的厚度在5-50nm之间。

所述第二钉扎稳定层的厚度在5-50nm之间。

所述磁性层的材料为NiFe合金，其中Ni，Fe的重量比为80+δ：20-δ，|δ|＜＜10。

所述磁性层的厚度在5-25nm之间。

所述衬底材料选自热氧化的硅或玻璃的一种。

所述缓冲层的材料为Ta。

本发明的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料的制备方法，步骤为：

用磁控溅射法在热氧化的硅衬底上依次沉积缓冲层、第一NiO钉扎稳定层、磁性层、第二NiO钉扎稳定层和保护层，其中所述第一NiO钉扎稳定层、第二NiO钉扎稳定层的厚度在5-50nm之间。

有益效果

本发明所设计的材料在常规的Ta/NiFe/Ta结构基础上，在Ta和NiFe之间添加一定厚度的NiO作为钉扎稳定层。一方面，NiO为反铁磁材料，反铁磁材料与磁性层彼此接触时，会在界面上产生交换相互作用，此交换相互作用可以将磁性层磁矩稳定地钉扎在一个特定的方向上，本发明利用NiO/NiFe交换相互作用对NiFe的钉扎增强NiFe磁结构的稳定性，从而不容易被干扰磁场破坏；另一方面，对于AMR薄膜材料而言，传导电子在界面处的镜面反射有利于提高AMR比率，而依次生长的氧化物/金属可以形成较为平整的界面，增强对传导电子的镜面反射，本发明利用NiO/NiFe界面对传导电子的镜面反射提高AMR比率。需要指出的是，本发明还包含了以下考虑：反铁磁材料与磁性层交换相互作用虽可以加强磁性层磁结构的稳定性，但同时也提高了矫顽力，降低了磁场灵敏度，不过由此损失掉的灵敏度将通过AMR比率的提高得以补偿。本发明所设计的材料可用于磁场传感器系统。

附图说明

图1是本发明的各向异性磁电阻材料结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示的各向异性磁电阻材料依次包括热氧化的硅或者玻璃衬底1、Ta缓冲层2、第一NiO钉扎稳定层3、NiFe磁性层4、第二NiO钉扎稳定层5和Ta保护层6。

各向异性磁电阻材料制备方法为：用磁控溅射技术在热氧化的单晶硅或者玻璃衬底上依次沉积Ta、NiO、NiFe、NiO和Ta，以上各层分别对应于前述的Ta缓冲层2、第一NiO钉扎稳定层3、NiFe磁性层4、第二NiO钉扎稳定层5和Ta保护层6。

步骤S1，用电子清洗液和去离子水超声清洗热氧化的单晶硅或者玻璃衬底，然后烘干备用。

步骤S2，将洗好的单晶硅或玻璃衬底装在磁控溅射仪腔室内的衬底座上，衬底座用循环水冷却，平行于衬底平面方向加有300Gs的磁场。将磁控溅射仪腔室的本底气压抽至8×10^-5Pa以下。

步骤S3，向溅射仪腔室内通入纯度高于99.999％的的氩(Ar)气作为工作气体，将腔室内气压保持在0.5Pa。以纯度高于99.95％的Ta靶作为溅射源，以直流磁控溅射方式在衬底1上沉积Ta缓冲层2，厚度为4nm，沉积速率控制在0.1nm/s。

步骤S4，将腔室内气压继续保持在0.5Pa，以纯度高于99.9％的NiO靶作为溅射源，以射频磁控溅射方式在Ta缓冲层2上沉积第一NiO钉扎稳定层3，厚度为30nm，沉积速率控制在0.2nm/s。

步骤S5，将腔室内气压继续保持在0.5Pa，以纯度高于99.95％的Ni₈₁Fe₁₉作为溅射源，以直流磁控溅射方式在第一NiO钉扎稳定层3上沉积磁性层4，厚度为10nm，沉积速率控制在0.1nm/s。

步骤S6，将腔室内气压继续保持在0.5Pa，以纯度高于99.9％的NiO靶作为溅射源，以射频磁控溅射方式在磁性层4上沉积第二NiO钉扎稳定层5，厚度为30nm，沉积速率控制在0.2nm/s。

步骤S7，将腔室内气压继续保持在0.5Pa，以纯度高于99.95％的Ta靶作为溅射源，以直流磁控溅射方式在衬底上沉积Ta保护层6，厚度为3nm，沉积速率控制在0.1nm/s。

效果如下：

1，由于NiO对NiFe磁性层的钉扎作用，在遭遇干扰磁场以后，NiFe内部各处的磁化强度将自发恢复到平行排列的状态。如果将该材料用于传感器，可以避免经常性的重置操作。

2，相对常规的Ta/NiFe/Ta而言，该材料的AMR比率将有显著提高。

3，相对常规的Ta/NiFe/Ta而言，该材料的矫顽力会有所增大，但由于AMR比率提高，可保证灵敏度至少不会降低。

Claims (9)

1.一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，其特征在于：该材料包括：一个衬底；在所述衬底上形成的缓冲层；在所述缓冲层上形成的第一钉扎稳定层；在所述第一钉扎稳定层上形成的磁性层；在所述磁性层上形成的第二钉扎稳定层；在所述第二钉扎稳定层上形成的保护层。

2.根据权利要求1所述的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，其特征在于：衬底材料为热氧化的硅或玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，其特征在于：缓冲层的材料为Ta。

4.根据权利要求1所述的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，其特征在于：第一钉扎稳定层的材料为NiO，其中Ni，O的原子比为1：1。

5.根据权利要求1所述的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，其特征在于：磁性层的材料为NiFe合金。

6.根据权利要求1所述的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，其特征在于：第二钉扎稳定层的材料为NiO，其中Ni，O的原子比为1：1。

7.根据权利要求1所述的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，其特征在于：保护层的材料为Ta。

8.根据权利要求1所述的一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料，其特征在于：第一钉扎稳定层的厚度为5-50nm，第二钉扎稳定层的厚度为5-50nm，磁性层的厚度为5-25nm。

9.一种以NiFe合金为磁性层的各向异性磁电阻材料的制备方法，其特征在于步骤为：

用磁控溅射法在衬底上依次沉积缓冲层、第一钉扎稳定层、磁性层、第一钉扎稳定层和保护层。