CN113075596B - 基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器及其制备方法，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器包括：衬底；平滑层，设置在衬底上；探测磁性层，设置在平滑层上，其中，探测磁性层为具有超顺磁性的薄膜；势垒层，设置在探测磁性层上；参考磁性层，设置在势垒层上，其中，参考磁性层为具有磁各向异性的薄膜；覆盖层，设置在参考磁性层上，形成磁性多层膜结构，其中，覆盖层用于保护磁性多层膜结构。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子学领域，尤其涉及一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器及其制备方法。
背景技术
高性能的磁敏传感器在诸多尖端领域有着广阔的应用前景，例如可应用于数据存储、汽车、数控机床、家用电器和金融安全等。根据探测原理的不同，可以将目前大规模商业化应用的磁敏传感器分为不同类别，包括霍尔传感器、各向异性磁电阻(AMR)效应传感器、巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻(TMR)效应传感器。半导体霍尔效应磁敏传感器和各向异性磁电阻(AMR)效应磁敏传感器是发展较早的两种磁电阻式磁敏传感器，目前已得到大规模应用。然而，这两种磁敏传感器的探测灵敏度较低，限制了其进一步发展。随着自旋电子学的蓬勃发展，巨磁电阻(GMR)效应以及隧穿磁电阻(TMR)效应先后被发现并应用于磁敏传感器领域。值得一提的是，TMR磁敏传感器兼具较低的低频噪声、小尺寸和高灵敏度等显著优势，在工业上具有广阔的应用前景，是新一代高性能磁传感器的重要发展方向。
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。目前主要通过以下几种方法来实现，主要包括加纵向偏置场、采用超顺磁性层和反铁磁磁性钉扎。其中，加纵向偏置场主要利用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。而反铁磁磁性钉扎则是利用反铁磁材料对磁性材料的磁性钉扎所用，并且需要引入两次退火过程。这两种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。
将探测磁性层材料选用超顺磁材料可以解决上述难题。由于超顺磁性薄膜的磁矩在零场附近正比于外部的磁场强度，因此可以使磁性隧道结器件的隧穿磁电阻信号对外磁场线性响应，具有结构简单、制备工艺成熟和成本低廉的优点。
发明内容
有鉴于此，为了实现对外磁场进行可逆线性响应，本发明提供了一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器包括：衬底；平滑层，设置在衬底上；探测磁性层，设置在平滑层上，其中，探测磁性层为具有超顺磁性的薄膜；势垒层，设置在探测磁性层上；参考磁性层，设置在势垒层上，其中，参考磁性层为具有磁各向异性的薄膜；覆盖层，设置在参考磁性层上，形成磁性多层膜结构，其中，覆盖层用于保护磁性多层膜结构。
可选地，衬底可以包括GaAs、Si、SiO2、MgO、蓝宝石或SiC中的一种。
可选地，平滑层可以包括GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种，厚度范围在5～200nm之间。
可选地，探测磁性层可以包括Mn(Ga)As：GaAs颗粒膜，厚度范围在10～100nm之间。
可选地，势垒层可以包括MgO、AlAs或Cu中的一种，厚度范围在0.5～5nm之间。
可选地，参考磁性层可以包括Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl中的一种，厚度范围在2～10nm之间。
可选地，覆盖层可以包括Pt、Ta、Al或Pd中的一种，厚度范围在1～3nm之间。
本发明提供一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备方法，包括：提供一衬底；在衬底上形成平滑层；在平滑层上形成探测磁性层；在探测磁性层上形成势垒层；在势垒层上形成参考磁性层；在参考磁性层上形成覆盖层，得到磁性多层膜结构；将磁性多层膜结构置于真空下磁场退火，得到基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器。
可选地，形成探测磁性层的工艺包括：磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发镀膜中的一种。
本发明制备了一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器。在本发明的隧穿磁电阻效应磁敏传感器中，探测磁性层具有超顺磁性，可以随外部磁场一致转动。在零场附近，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器可以实现对外磁场的可逆无磁滞线性响应。此外，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器具有极佳的半导体工艺兼容性。因此，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器不仅具备传统隧穿磁电阻传感器的低功耗、高灵敏度和小尺寸等特点，还具有高可靠性和低成本的显著优势。
附图说明
图1为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备流程图；
图3为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的结构图；
图4为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的磁滞回线；
图5为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的隧穿磁电阻曲线。
【附图符号说明】
1-衬底；2-平滑层；3-探测磁性层；4-势垒层；5-参考磁性层；6-覆盖层
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器包括：衬底1；平滑层2，设置在衬底1上；探测磁性层3，设置在平滑层2上，其中，探测磁性层3为具有超顺磁性的薄膜；势垒层4，设置在探测磁性层3上；参考磁性层5，设置在势垒层4上，其中，参考磁性层5为具有磁各向异性的薄膜；覆盖层6，设置在参考磁性层5上，形成磁性多层膜结构，其中，覆盖层6用于保护磁性多层膜结构。
根据本发明的实施例，衬底用于为后续生长的磁性多膜材料提供外延基础。衬底可以包括GaAs、Si、SiO2、MgO、蓝宝石或SiC中的一种。
根据本发明的实施例，平滑层可以提供良好的界面平整度和晶格匹配，平滑层可以包括GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种，厚度范围在5～200nm之间，厚度可以为5nm、50nm、100nm、150nm、200nm。
根据本发明的实施例，衬底可以为GaAs(001)，平滑层可以为GaAs，在GaAs(001)衬底上生长了200nm厚的GaAs过渡层，可以获得更加平整的GaAs界面，有利于与后续生长的薄膜材料实现晶格匹配。
根据本发明的实施例，探测磁性层可以包括Mn(Ga)As：GaAs颗粒膜，厚度范围在10～100nm之间，厚度可以为10nm、20nm、50nm、70nm、100nm。
根据本发明的实施例，势垒层可以包括MgO、AlAs或Cu中的一种，厚度范围在0.5～5nm之间，厚度可以为0.5nm、1nm、2nm、4nm、5nm。
根据本发明的实施例，参考磁性层为具有相对较强的磁各向异性的薄膜，参考磁性层可以包括Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl中的一种，厚度范围在2～10nm之间，厚度可以为2nm、4nm、6nm、8nm、10nm。
根据本发明的实施例，覆盖层可以包括Pt、Ta、Al或Pd中的一种，厚度范围在1～3nm之间，厚度可以为1nm、2nm、3nm。
根据本发明的实施例，覆盖层可以是Al，Al在空气中发生氧化反应形成致密的Al2O3，可以防止制备得到的磁性多层膜被氧化，可以对器件起到保护作用。
图2为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备流程图。
如图2所示，本发明提供一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备方法，该制备方法包括：提供一衬底1；在衬底1上形成平滑层2；在平滑层2上形成探测磁性层3；在探测磁性层3上形成势垒层4；在势垒层4上形成参考磁性层5；在参考磁性层5上形成覆盖层6，得到磁性多层膜结构。将磁性多层膜结构置于真空下磁场退火，得到基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器。
根据本发明的实施例，形成探测磁性层的工艺包括：磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发镀膜中的一种。
为了更清楚地阐述本发明的原理和实施特点，将结合一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器实例对本发明作进一步说明。
提供一本征半绝缘的GaAs(001)作为衬底；将本征半绝缘的GaAs(001)衬底放入分子束外延(MBE)制备腔室，腔室真空度高于2×10-7Pa。除气脱氧后，将衬底温度升至560℃，在衬底GaAs(001)上沉积GaAs平滑层，生长速率为10nm/min，厚度为200nm；在沉积了GaAs平滑层后，将衬底温度降至280℃，在GaAs平滑层上生长GaMnAs薄膜，其中，生长速率约10nm/min，厚度为50nm，将稀磁半导体GaMnAs薄膜进行高温退火处理，形成具有超顺磁性的Mn(Ga)As：GaAs颗粒膜，其中退火温度为680℃，退火时间为10min；在680℃继续在Mn(Ga)As：GaAs探测磁性层上生长AlAs势垒层，AlAs势垒层厚度为2nm，其中，可以使用膜厚仪原位监测AlAs势垒层的厚度；将衬底温度降至100℃，在AlAs势垒层上生长参考磁性层Fe，厚度为5nm，然后将衬底温度升至200℃，保持10min；将衬底温度降至100℃，在参考磁性层Fe上生长一层Al覆盖层，厚度为3nm，最终得到结构为GaAs/GaAs buffer/Mn(Ga)As：GaAs/AlAs/Fe/Al的磁性多层膜；将制备得到的磁性多层膜进行真空下磁场退火，得到基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器。
图3为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的结构图。如图3所示，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器包括：衬底1，衬底1的材料为GaAs(001)；平滑层2，其形成在衬底1上，平滑层2的材料为GaAs，厚度为200nm；探测磁性层3，其形成在平滑层2上，探测磁性层3的材料为Mn(Ga)As：GaAs颗粒膜，厚度为50nm；势垒层4，其形成在探测磁性层3上，势垒层4的材料为AlAs，厚度为2nm；参考磁性层5，其形成在势垒层4上，参考磁性层的材料为Fe，厚度为5nm；覆盖层6，其形成在参考磁性层5上，覆盖层6的材料为Al，厚度为3nm。
图4为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的磁滞回线。如图4所示，GaAs/GaAs buffer/Mn(Ga)As：GaAs/AlAs/Fe/Al磁性多层膜在面内[110]方向上的磁滞回线表明Mn(Ga)As：GaAs探测磁性层3拥有良好的超顺磁性，选用Mn(Ga)As：GaAs作为探测磁性层可以实现对外磁场的线性响应。
图5为本发明实施例示出的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的隧穿磁电阻曲线。如图5所示，基于GaAs/GaAs buffer/Mn(Ga)As：GaAs/AlAs/Fe/Al磁性隧道结的隧穿磁电阻曲线表明：在零场附近，R-H曲线几乎是线性重合的，即可以对外磁场进行可逆线性响应。
本发明制备了一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器。在本发明的隧穿磁电阻效应磁敏传感器中，探测磁性层具有超顺磁性，可以随外部磁场一致转动。在零场附近，该隧穿磁电阻效应磁敏传感器可以实现对外磁场的可逆无磁滞线性响应。
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 (9)
1.一种基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，包括：
衬底；
平滑层，设置在所述衬底上；
探测磁性层，设置在所述平滑层上，其中，所述探测磁性层为具有超顺磁性的薄膜；所述探测磁性层包括Mn(Ga)As:GaAs颗粒膜，厚度范围在10～100nm之间；
势垒层，设置在所述探测磁性层上；
参考磁性层，设置在所述势垒层上，其中，所述参考磁性层为具有磁各向异性的薄膜，所述参考磁性层包括Fe、Co、CoFe、Co2MnSi或Co2FeAl中的一种；
覆盖层，设置在所述参考磁性层上，形成磁性多层膜结构，其中，所述覆盖层用于保护所述磁性多层膜结构。
2.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述衬底包括GaAs、Si、SiO2、MgO、蓝宝石或SiC中的一种。
3.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述平滑层包括GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一种，厚度范围在5～200nm之间。
4.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述势垒层包括MgO、AlAs或Cu中的一种，厚度范围在0.5～5nm之间。
5.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述参考磁性层的厚度范围在2～10nm之间。
6.根据权利要求1所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器，其特征在于，所述覆盖层包括Pt、Ta、Al或Pd中的一种，厚度范围在1～3nm之间。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成平滑层；
在所述平滑层上形成探测磁性层；
在所述探测磁性层上形成势垒层；
在所述势垒层上形成参考磁性层；
在所述参考磁性层上形成覆盖层，得到磁性多层膜结构。
8.根据权利要求7所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于，还包括：将所述磁性多层膜结构置于真空下磁场退火，得到基于超顺磁性薄膜的隧穿磁电阻效应磁敏传感器。
9.根据权利要求7所述的隧穿磁电阻效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于，所述形成探测磁性层的工艺包括：磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发镀膜中的一种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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