CN109166690B - 一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻 - Google Patents

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Abstract

一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，属于磁性材料与元器件技术领域。所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层薄膜和覆盖层薄膜，n≥2。本发明提供的各向异性磁电阻在控制磁性层总厚度的情况下，将每层铁磁层减薄到100nm以下，可在反铁磁层/铁磁层/反铁磁层中获得交换偏置场，进而提升整体薄膜的各向异性场，从而实现对基于各向异性磁电阻效应的传感器磁场探测区间的拓展。并且，由于交换偏置场的大小与铁磁层的厚度呈反比，因而可以在控制铁磁层总厚度的情况下，通过调整重复周期n，获得不同的交换偏置场和各向异性场，方便的实现不同磁场探测区间的获得。

Description

一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，具体涉及一种采用多层交换偏置结构实现各向异性磁电阻效应的薄膜及其制备方法。
背景技术
各向异性磁电阻效应(AMR,Anisotropic Magnetoresistance)是将磁性材料的导电特性与其磁化状态相关联，由磁化强度的方向相对于电流而改变引起的电阻变化。各向异性磁电阻的大小R满足：R＝R0+ΔRcos2θ(R0：零磁场下的电阻值；ΔR：各向异性磁阻最大变化值；θ：电流方向与磁性层磁化方向的夹角)，也就是当磁性材料的磁矩与电流的夹角变化时，材料的电阻也随之变化。因此，基于该各向异性磁电阻效应，已构造了多类磁传感器，是目前磁传感器家族中应用最广泛的一种效应。
在目前实现各向异性磁电阻效应的材料选择方面，一般选用Co、Ni、Fe等金属磁性材料及它们的合金，将它们镀制成几十～几百nm厚的薄膜获得各向异性磁电阻效应，作为传感层。在利用该效应进行线性磁传感及探测时，探测磁场加于磁性薄膜的难轴方向(难轴一般为传感薄膜的短轴方向)。由于当磁场大小沿难轴变化时，磁矩随外磁场大小的变化呈现线性响应，对应获得的磁阻变化也是线性的，因此可以实现对外磁场的线性探测。而利用该方法进行探测时，可探测的磁场范围由构成传感层的磁性薄膜的各向异性场决定，其大小小于各向异性场。而各向异性场大小Hk粗略的可由沿易轴(易轴一般为传感薄膜的长轴方向)及沿难轴(难轴一般为传感薄膜的短轴方向)测试的磁滞回线交点所确定，如图1所示，其所对应的各向异性磁电阻测试图如图2所示，由图可见可探测磁场的范围确实小于各向异性场。但是目前利用Co、Ni、Fe等金属磁性材料及它们的合金形成的磁性材料薄膜所获得的Hk受制于金属磁性材料本身的性能，Hk大小一般<20Gs，因此目前商业化的各向异性磁电阻效应所制备的磁传感器其对磁场的线性探测范围也局限于20Gs的磁场范围内。因此，如需探测更大的磁场(>20Gs)，目前暂时就不能选用各向异性磁电阻效应。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻结构，如图3所示。本发明磁电阻薄膜利用铁磁层/反铁磁层材料所形成的交换偏置效应，在保证各向异性磁电阻效应的基础上，提高了薄膜整体的Hk，实现了大于20Gs磁场范围的探测。
本发明的技术方案如下：
一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层薄膜和覆盖层薄膜，其中，n≥2。
进一步地，所述缓冲层薄膜为Ta、Cu等。
进一步地，所述第一反铁磁层和第二反铁磁层的材料为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn等，所述第一反铁磁层和第二反铁磁层的厚度为5～20nm(为能产生交换偏置效应的常规厚度)，所述第一反铁磁层和第二反铁磁层可选用相同或不同的反铁磁材料及厚度，但为了方便制备及性能控制，建议选用相同反铁磁材料及厚度。
进一步地，所述铁磁层的材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金等，单层铁磁层的厚度应<100nm，(铁磁层厚度过厚将无交换偏置效应)，n×单层铁磁层的总厚度控制在100～300nm(可获得AMR效应的最佳铁磁层厚度区域)。
进一步地，所述覆盖层薄膜为Ta、SiO2、Al2O3等。
进一步地，所述[铁磁层/第二反铁磁层]的重复周期n的具体数值可根据所需要的探测磁场范围进行调节。在n×单层铁磁层的总厚度不变的情况下，n越大，探测磁场的范围越大，但探测灵敏度会下降；n越小，探测磁场的范围会缩小，但探测灵敏度会提升。
一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用薄膜溅射工艺在基片上沉积缓冲层薄膜；
步骤2、采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n形成的多层薄膜、覆盖层薄膜，其中，n≥2。
进一步地，步骤2所述外磁场H方向沿磁电阻薄膜膜面长轴方向，大小为50Gs～300Gs。
本发明采用第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层交换偏置薄膜作为磁阻薄膜，铁磁层/反铁磁层薄膜间由于交换偏置效应，会沿沉积外磁场H方向诱导出沿长轴方向的交换偏置场，交换偏置场的出现会增大磁阻薄膜的各向异性场，且交换偏置场越大各向异性场越大。但是该交换偏置场的大小与铁磁层的厚度呈反比，当铁磁层厚度过厚时(大于100nm)，交换偏置效应将完全消失。目前商用的各向异性磁电阻薄膜材料选用的铁磁层材料的厚度一般在上百nm左右，对于该厚度下的铁磁层薄膜如在上直接镀制反铁磁层是不会出现交换偏置场或获得的交换偏置场非常小，因此我们提出在控制铁磁层材料总厚度的情况下，将每层铁磁层减薄到100nm以下，构建第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，可在保证磁阻效应的基础上提升该类薄膜的磁场探测范围。
本发明的有益效果为：本发明采用第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层交换偏置体系来实现各向异性磁电阻。在控制磁性层总厚度的情况下，将每层铁磁层减薄到100nm以下，这样可在反铁磁层/铁磁层/反铁磁层中获得交换偏置场，进而提升整体薄膜的各向异性场，从而实现对基于各向异性磁电阻效应的传感器磁场探测区间的拓展。并且，由于交换偏置场的大小与铁磁层的厚度呈反比，因而可以在控制铁磁层总厚度的情况下，通过调整重复周期n，获得不同的交换偏置场和各向异性场，方便的实现不同磁场探测区间的获得。
附图说明
图1为背景技术提到的典型磁性材料各向异性磁电阻薄膜易轴及难轴方向磁滞回线示意图；
图2为图1所述薄膜对应的各向异性磁电阻测试图；
图3为本发明所提出的基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻示意图；其中，1为基片，2为缓冲层薄膜，3为第一反铁磁层薄膜，4为铁磁层薄膜，5为第二反铁磁层薄膜，6为铁磁层薄膜，7为第二反铁磁层薄膜，8为覆盖层薄膜；
图4为本发明实施例1所制备的基于多层交换偏置结构的薄膜各向异性磁电阻磁阻曲线图；
图5为本发明实施例2所制备的基于多层交换偏置结构的薄膜各向异性磁电阻磁阻曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层薄膜和覆盖层薄膜，其中，n≥2。
一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用薄膜溅射工艺在基片上沉积缓冲层薄膜；
步骤2、采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n形成的多层薄膜、覆盖层薄膜，其中，n≥2。
进一步地，步骤2所述外磁场H方向沿磁电阻薄膜膜面长轴方向，大小为50Gs～300Gs。
其中，所述缓冲层薄膜为Ta、Cu等；所述第一反铁磁层和第二反铁磁层的材料为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn等；所述铁磁层材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金等；所述覆盖层薄膜为Ta、SiO2、Al2O3等。
其中，所述第一反铁磁层和第二反铁磁层的厚度为5-20nm(为能产生交换偏置效应的常规厚度)，单层铁磁层厚度应<100nm，(铁磁层厚度过厚将无交换偏置效应)，n×单层铁磁层的总厚度控制在100-300nm(可获得AMR效应的最佳铁磁层厚度区域)，重复周期n的具体数值可根据所需要的探测磁场范围进行调节。一般在固定n×单层铁磁层的总厚度的情况下，n越大，探测磁场的范围越大，但探测灵敏度会下降；n越小，探测磁场的范围会缩小，但探测灵敏度会提升。
实施例1
一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻的制备方法，具体过程如下：
步骤1、选用Si/SiO2为基片，采用磁控溅射法在其上沉积5nm的Ta作为缓冲层薄膜；其中，溅射气压为8.5×10-2Pa，溅射功率为30W，溅射速率为
Figure BDA0001777972900000042
步骤2、在大小为100Gs、方向沿磁电阻薄膜膜面长轴方向的外磁场H的作用下，采用磁控溅射法在步骤1处理后的基片上沉积FeMn/[NiFe/FeMn]2的多层薄膜，其中FeMn为反铁磁层薄膜，厚度为15nm，其溅射气压为8.5×10-2Pa，溅射功率为30W，溅射速率为
Figure BDA0001777972900000041
NiFe为铁磁层薄膜，厚度为90nm，其溅射气压为8.5×10-2Pa，溅射功率为30W，溅射速率为
Figure BDA0001777972900000053
步骤3、采用磁控溅射法在步骤2处理后的基片上沉积5nm的Ta薄膜作为覆盖层，即可得到所述各向异性磁电阻。
将实施例1得到的具有多层交换偏置结构的各向异性磁电阻薄膜置于外磁场中进行各向异性磁电阻测试，其各向异性磁电阻测试曲线如图4所示，该各向异性磁电阻的磁场探测区域为-59Gs-48Gs(其中，探测磁场范围定义为磁电阻值下降到最大值与最小值差值90％所确定的区间)，远远大于目前商业化的20Gs的磁场探测范围。
实施例2
一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻的制备方法，具体过程如下：
步骤1、选用Si/SiO2为基片，采用磁控溅射法在其上沉积5nm的Ta作为缓冲层薄膜，其溅射气压为8.5×10-2Pa，溅射功率为30W，溅射速率为
Figure BDA0001777972900000051
步骤2、在大小为100Gs、方向沿磁电阻薄膜膜面长轴方向的外磁场H的作用下，采用磁控溅射法在步骤1处理后的基片上沉积FeMn/[NiFe/FeMn]4的多层薄膜，其中FeMn为反铁磁层薄膜，厚度为15nm，其溅射气压为8.5×10-2Pa，溅射功率为30W，溅射速率为
Figure BDA0001777972900000052
NiFe为铁磁层薄膜，厚度为45nm，其溅射气压为8.5×10-2Pa,溅射功率为30W，溅射速率为
Figure BDA0001777972900000054
步骤3、采用磁控溅射法在步骤2处理后的基片上沉积5nm的Ta薄膜作为覆盖层，即可得到所述各向异性磁电阻。
将实施例2得到的具有多层交换偏置结构的磁电阻薄膜置于外磁场中进行各向异性磁电阻测试，其各向异性磁电阻测试曲线如图5所示，该各向异性磁电阻的磁场探测区域为-68Gs-66Gs，大于目前商业化的20Gs的磁场探测范围。
综上，本发明所提供的基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，通过交换偏置效应所带来的薄膜中更大的Hk，实现了比目前商业化各向异性磁阻薄膜更大的磁场探测范围，并且可在固定总铁磁层厚度的情况下，通过[铁磁层/第二反铁磁层]n周期数的调整，实现不同磁场探测区域的获得。

Claims (7)

1.一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层薄膜和覆盖层薄膜；单层铁磁层的厚度<100nm，n×单层铁磁层的总厚度为100～300nm；其中，n≥2，n的具体数值根据所需要的探测磁场范围进行调节，在n×单层铁磁层的总厚度不变的情况下，n越大，探测磁场的范围越大，n越小，探测磁场范围越小；所述各向异性磁电阻实现了大于20Gs磁场范围的探测。
2.根据权利要求1所述的基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述缓冲层薄膜为Ta或Cu。
3.根据权利要求1所述的基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述第一反铁磁层和第二反铁磁层的材料为FeMn、NiMn、IrMn或PtMn，厚度为5～20nm。
4.根据权利要求1所述的基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述铁磁层的材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金。
5.根据权利要求1所述的基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述覆盖层薄膜为Ta、SiO2或Al2O3。
6.一种如权利要求1所述基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用薄膜溅射工艺在基片上沉积缓冲层薄膜；
步骤2、采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n形成的多层薄膜、覆盖层薄膜，其中，n≥2。
7.根据权利要求6所述的基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻的制备方法，其特征在于，步骤2所述外磁场H方向沿磁电阻薄膜膜面长轴方向，大小为50Gs～300Gs。
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