CN106129244A - L10‑MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种L10‑MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器，包括：一基片，为后续生长的多层膜提供外延基础；一平滑层，其制作在基片上，提供良好的界面平整度和晶格匹配；一参考磁性层，其制作在平滑层上，拥有高晶体质量；一中间层，其制作在参考磁性层上；一探测磁性层，其制作在中间层上，外延生长；一覆盖层，其制作在探测磁性层上，起到保护薄膜的作用。本发明提供一种工艺简单、低成本、宽线性响应范围和高灵敏度的磁敏传感器。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子学材料和磁敏传感器领域，具体涉及一种L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器及制备方法。
背景技术
随着现代科技的发展，高性能磁敏传感器在诸多尖端领域有着广阔的应用前景，如数据存储、汽车、数控机床、金融安全和家用电器等。早期的磁敏传感器主要是基于具有霍尔效应的半导体材料和具有磁各向异性磁电阻(AMR)效应的磁性材料来制备，然而这两类材料的磁场灵敏度都较低。随着自旋电子学的发展，基于巨磁电阻效应以及隧穿磁电阻效应的磁敏传感器得到了广泛的研究和应用。其主要原因是由于这两类磁敏传感器的磁场灵敏度较高、低功耗和抗环境干扰能力强，并且其生产工艺和常规的半导体工艺相兼容，因此在工业上具有非常大的市场和广泛的用途。
基于自旋阀和磁隧道结器件的磁敏传感器具有巨大的磁电阻效应，并且有着高灵敏度、低功耗和抗环境干扰能力等优异特性。其中，磁隧道结具有相对较高的TMR比值和灵敏度，当器件尺寸降至纳米量级时仍具有极高的空间分辨率，因此是研究新一代高性能磁传感器的理想选择。
磁传感器领域的核心问题是如何解决磁传感器器件对外磁场的线性和可逆响应。目前工业上大量应用的基于GMR和TMR两类磁电阻效应的磁敏传感器(比如：磁硬盘HDD中的磁读头)，基本上是采用埋入永磁薄膜的方法使得自旋阀结构中的自由层(即对外磁场敏感的层)与参考层(即被钉扎层)的磁矩实现90度垂直夹角，因而使自旋阀式的GMR纳米磁性多层膜或者磁性隧道结的磁电阻在外场下具有线性且无磁滞的响应。然而，在使用GMR自旋阀结构和磁性隧道结时需要埋入永磁薄膜的设计和制备方法大大增加了工艺难度和制造成本，而且很难将器件小型化。
目前，利用垂直磁各向异性材料来制备磁性多层膜宽线性响应磁敏传感器的报道较少，主要有垂直取向的[Co/Pt(Pd)]n多层膜、Pt/CoFe、FePt。与垂直取向的[Co/Pt(Pd)]n多层膜、Pt/CoFe相比，L10-MnGa(MnAl)具有更强的垂直磁各向异性Ku，更高的矫顽力Hc，因此可以实现更宽的磁场线性响应区间。此外，与L10-FePt相比，L10-MnGa(MnAl)不包含贵金属元素，在材料成本和保护环境方面更具有优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器及制备方法，在本发明中主要利用近十多年来发展起来的磁性隧道结材料和隧穿磁电阻效应(TMR)，其磁电阻比值显著地超过传统的利用霍尔效应和磁各向异性磁电阻(AMR)效应制备的磁敏传感器，并且与传统的半导体工艺相兼容，因此完全可以提供一种工艺简单、低成本、宽线性响应范围和高灵敏度的磁敏传感器。
本发明提供一种L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器，包括：
一基片，为后续生长的多层膜提供外延基础；
一平滑层，其制作在基片上，提供良好的界面平整度和晶格匹配；
一参考磁性层，其制作在平滑层上，拥有高晶体质量；
一中间层，其制作在参考磁性层上；
一探测磁性层，其制作在中间层上，外延生长；
一覆盖层，其制作在探测磁性层上，起到保护薄膜的作用。
本发明还提供一种L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一基片；
步骤2：在基片上依序制作平滑层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层，形成多层膜；
步骤3：将多层膜置于真空下磁场退火，完成制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
设计并制备了用于实现宽线性响应磁敏传感器的L10-MnGa(MnAl)基多层膜结构。参考磁性层L10-MnGa(MnAl)具有较强的垂直磁各向异性Ku、较高的矫顽力Hc、高自旋极化度P；探测磁性层为软磁材料Fe(Co、CoFe、Co2MnSi、Co2FeAl)，磁易轴在面内，而在面外方向上具有较高的饱和场。
参考磁性层为L10-MnGa(MnAl)或L10-MnGa(MnAl)/Fe(Co、CoFe、Co2MnSi、Co2FeAl)，中间层为非磁绝缘层(Al2O3、MgO)或非磁金属Cu、Al，探测磁性层为Fe(Co、CoFe、Co2MnSi、Co2FeAl)，覆盖层可以为Pd、Pt、Ta、Al。由于L10-MnGa与MgO存在7％的晶格失配，为了减小晶格失配对后续MgO晶体质量的影响，还可以选择在参考磁性层L10-MnGa上面生长1-15原子层的Fe(Co、CoFe、Co2MnSi、Co2FeAl)插层。L10-MnGa/Fe(Co、CoFe、Co2MnSi、Co2FeAl)双层膜具有较强的面外磁交换相互作用，可以保证插层中自旋极化沿面外方向。所述参考磁性层用于将所述探测磁性层的磁矩转动的信息转化成电信号，所述探测磁性层用于感应被探测磁场，覆盖层Pd可以对薄膜起到保护的作用，同时不会影响磁性多层膜的性能。
利用垂直易磁化的参考磁性层L10-MnGa(MnAl)和面内易磁化的探测磁性层Fe(Co、CoFe、Co2MnSi、Co2FeAl)，研究L10-MnGa(MnAl)基多层膜的MR的磁场响应关系。在室温下，观察到了超过25％的TMR信号，同时磁场线性动态范围超过2.5T。与现有磁敏传感器技术相比，本发明具有宽磁场线性响应范围、灵敏度高、加工工艺简单和成本低廉等优点。
附图说明：
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明中磁敏传感器结构示意图；
图2为本发明中磁敏传感器制备流程图；
图3为本发明实例中生长的磁敏传感器磁性多层膜的磁滞回线(M-H)。
图4为本发明实例中生长的磁敏传感器器件隧穿磁电阻(TMR)对外磁场的线性响应曲线图；
具体实施方式
为了更清楚地阐述体现本发明的原理和实施特点，将结合L10-MnGa基多层膜宽线性响应磁敏传感器实例对本发明作进一步说明。请参阅图1所示，本发明提供一种L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器，其样品结构包括：一基片1，该基片1的材料为CaAs(001)衬底；一平滑层2，其制作在基片1上，所述平滑层2的材料为GaAsbuffer，厚度为150nm；一参考磁性层3，其制作在平滑层2上，L10-MnGa(MnAl)或L10-MnGa(MnAl)/FM双层膜，厚度为40nm。在零场下，参考磁性层3的磁化方向垂直于传感器多层膜的膜面，并与后续的探测磁性层5磁矩相互垂直；中间层4，其制作在参考磁性层3上，通常为非磁金属或绝缘体，在本实例中中间层4的材料为MgO，厚度为2.3nm；探测磁性层5，其制作在中间层4上，该探测磁性层5的材料为Fe，厚度为10nm；覆盖层6，其制作在探测磁性层5上，所述覆盖层6的材料为Pd，厚度为2nm。
请参阅图2并结合参阅图1所示，本发明提供一种L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器的制备方法，包括如下步骤：
1、将本征半绝缘的GaAs(001)衬底放入MBE制备腔室，腔室真空度高于5×10-7Pa。除气脱氧后，将衬底温度升至560℃，沉积GaAs平滑层，生长速率为10nm/min，厚度为150-200nm；
2、将衬底的温度降至150-250℃，生长具有垂直磁各向异性的铁磁二元合金L10-MnGa，生长速率约1nm/min，厚度为40nm，升至300℃保持20min；
3、将衬底温度降至0-100℃，打开电子束蒸发电源，将加速电压为5KV，发射电流为10-15mA，生长MgO中间层，使用膜厚仪原位监测，薄膜沉积厚度为2.3nm，将衬底温度升至300℃保持20min；
4、将衬底温度降至0-100℃，生长一层Fe，厚度为10nm，然后将衬底温度升至300℃，保持20min；
5、在磁性多层膜上面生长一层Pd覆盖层，厚度为2nm；由于Pd不容易与空气反应，可以对器件起到保护作用；最终得到结构为GaAs/GaAsbuffer/L10-MnGa/MgO/Fe/Pd的L10-MnGa基磁性多层膜；
6、对步骤5制备的磁敏传感器多层膜进行真空下磁场退火；
本具体实施在L10-MnGa基多层膜宽线性响应磁敏传感器的制备过程中，在GaAs(001)衬底上生长了150nm厚的GaAs buffer，目的在于获得更加平整的GaAs界面。参考磁性层L10-MnGa晶格的(100)沿着GaAs(110)方向，L10-MnGa具有较强的垂直磁各向异性Ku，较高的矫顽力Hc，高自旋极化度P。参考磁性层为软磁材料Fe(Co、CoFe)，具有面内磁各向异性，而在面外具有较大的饱和场，通常超过2T，高于L10-MnGa的矫顽力。由于探测磁性层Fe(Co、CoFe)在空气中易氧化，生长2nm的Pd作为覆盖层，起到保护防氧化的作用。
参阅图3给出了GaAs/L10-MnGa/MgO/Fe磁性多层膜的磁滞回线(M-H)，表明L10-MnGa磁性参考层3拥有垂直磁各向异性，而Fe磁性探测层5的磁易轴位于面内；图4给出了GaAs/L10-MnGa/MgO/Fe磁性多层膜磁敏传感器的隧穿磁电阻(TMR)随外磁场的线性响应曲线图，在-0.6T到2T磁场范围内，该磁敏传感器拥有高达25.4％的室温TMR值，重复测试5次，曲线完全重合，表明该磁敏传感器拥有良好的线性度和优异的可重复性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器，包括：
一基片，为后续生长的多层膜提供外延基础；
一平滑层，其制作在基片上，提供良好的界面平整度和晶格匹配；
一参考磁性层，其制作在平滑层上，拥有高晶体质量；
一中间层，其制作在参考磁性层上；
一探测磁性层，其制作在中间层上，外延生长；
一覆盖层，其制作在探测磁性层上，起到保护薄膜的作用。
2.根据权利要求1所述的L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器，其中基片的材料为GaAs、Si、玻璃、MgO、蓝宝石或SiC；所述平滑层的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta或Pd。
3.根据权利要求1所述的L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器，其中所述参考磁性层的材料为L10-MnGa(MnAl)或L10-MnGa(MnAl)/Fe(Co、CoFe、Co2MnSi、Co2FeAl)双层膜，且在零场下，参考磁性层的磁矩垂直于传感器多层膜的膜面，并与探测磁性层磁矩相互垂直，中间层为非磁绝缘层，材料为Al2O3或MgO或非磁金属材料Cu或Al，厚度为1-3nm。
4.根据权利要求1所述的L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器，其中探测磁性层的材料为Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl，厚度为4-12nm。
5.根据权利要求1所述的L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器，其中所述覆盖层的材料为Pd、Pt、Ta或Al，厚度为1.5-2.5nm。
6.一种L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一基片；
步骤2：在基片上依序制作平滑层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层，形成多层膜；
步骤3：将多层膜置于真空下磁场退火，完成制备。
7.如权利要求6所述的L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器的制备方法，其中基片的材料为GaAs、Si、玻璃、MgO、蓝宝石或SiC；所述平滑层的材料为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta或Pd。
8.根据权利要求6所述的L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器的制备方法，其中所述参考磁性层的材料为L10-MnGa(MnAl)或L10-MnGa(MnAl)/FM双层膜，且在零场下，参考磁性层的磁矩垂直于传感器多层膜的膜面，并与探测磁性层磁矩相互垂直，中间层为非磁金属或绝缘体，所述中间层的材料为非磁绝缘层，材料为Al2O3或MgO，或非磁金属Cu或Al，厚度为1.5-3nm。
9.根据权利要求6所述的L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器的制备方法，其中探测磁性层的材料为Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl，厚度为3-15nm。
10.根据权利要求6所述的L10-MnGa或MnAl基宽线性响应磁敏传感器的制备方法，其中所述覆盖层的材料为Pd、Pt、Ta或Al，厚度为1.5-2.5nm。
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- 2016-06-29 CN CN201610496714.5A patent/CN106129244B/zh active Active
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