CN114497362A - 基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结及其制备方法，包括：半金属氧化物自由层；绝缘氧化物隧穿层，位于所述半金属氧化物参考层之上；半金属氧化物参考层，位于所述绝缘氧化物隧穿层之上；其中，所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层的半金属氧化物材料均为钴酸镍材料，且所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，以使所述磁隧道结的阻值在外部磁场的作用下发生改变。采用本发明的制备方法制备得到的磁隧道结材料具有更高的磁阻率和更快的响应速度，功耗更低，而且制备工艺简单，符合当今磁隧道结存储与传感器件小型化、高性能、高响应速率、低功耗的发展需求。
Description
技术领域
本申请涉及于磁性薄膜功能材料领域，特别是涉及一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结及其制备方法。
背景技术
具有垂直磁各向异性的磁性隧道结有望作为下一代固态高密度非易失性存储器件以及高灵敏磁传感器的关键部件，具有高灵敏，高速响应及低功耗的特点。在用于测量外部磁场时，磁阻率的大小决定着磁隧道结的灵敏度，而响应速度更影响着磁隧道结的工作频段。然而随着研究的不断深入，目前传统的金属基磁性隧道结存在磁阻率提升面临瓶颈（大多不超过200 %），响应速度有待提高（GHz频率）。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中的低磁阻率、低响应速度问题提供一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结及其制备方法。
为了实现上述目的，一方面，提供了一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结，包括：
半金属氧化物自由层；
绝缘氧化物隧穿层，位于所述半金属氧化物自由层之上；
半金属氧化物参考层，位于所述绝缘氧化物隧穿层之上；其中，所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层的半金属氧化物材料均为钴酸镍材料，且所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，以使所述磁隧道结的阻值在外部磁场的作用下发生改变。
在其中一个实施例中，当所述半金属氧化物自由层的厚度小于第一阈值且所述半金属氧化物参考层的厚度大于第二阈值时，所述半金属氧化物参考层对应的矫顽磁场为第一矫顽磁场；其中，当所述外部磁场的磁场强度绝对值小于所述第一矫顽磁场的磁场强度的一半时，所述磁隧道结的电阻与所述外部磁场的磁场强度线性相关。
在其中一个实施例中，当所述半金属氧化物自由层的厚度大于第三阈值且所述半金属氧化物参考层的厚度大于第四阈值时，所述半金属氧化物自由层对应的矫顽磁场为第二矫顽磁场，所述半金属氧化物参考层对应的矫顽磁场为第三矫顽磁场，所述第三矫顽磁场的磁场强度大于所述第二矫顽磁场的磁场强度；其中，所述半金属氧化物参考层在大于所述第三矫顽磁场的外部磁场作用下发生磁化，以使所述磁隧道结处于第一阻态，其中，所述第一阻态为低阻态和高阻态中的一种。
在其中一个实施例中，若所述磁隧道结处于所述第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向维持不变，则所述磁隧道结的阻态维持不变；若所述磁隧道结处于第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向反向且小于所述第二矫顽磁场的磁场强度，则所述磁隧道结的阻态维持不变；若所述磁隧道结处于第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向反向且大于所述第二矫顽磁场的磁场强度，所述磁隧道结的阻态为第二阻态，所述第二阻态为所述低阻态和所述高阻态中的另一种。
在其中一个实施例中，所述绝缘氧化物隧穿层为铝酸镁层。
在其中一个实施例中，还包括衬底层，所述半金属氧化物自由层位于所述衬底层之上。
在其中一个实施例中，所述衬底层、所述半金属氧化物自由层、所述绝缘氧化物隧穿层以及所述半金属氧化物参考层均为晶面指数为（001）取向的单晶外延薄膜层。
在其中一个实施例中，所述半金属氧化物参考层的厚度与所述半金属氧化物自由层的厚度的差值大于或等于10nm。
另一方面，还提供了一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结的制备方法，包括如下步骤：
提供衬底层；
于所述衬底层上形成半金属氧化物自由层；
于所述半金属氧化物自由层上形成绝缘氧化物隧穿层；
于所述绝缘氧化物隧穿层上形成半金属氧化物参考层；其中，所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层的半金属氧化物材料均为钴酸镍材料，且所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，以使所述磁隧道结的阻值在外部磁场的作用下发生改变。
在其中一个实施例中，所述于所述衬底层上形成半金属氧化物自由层，包括：
采用固相烧结法获取所述半金属氧化物自由层的陶瓷靶材；
基于所述半金属氧化物自由层的陶瓷靶材以及磁控溅射法形成所述半金属氧化物自由层。
上述基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结及其制备方法，通过依次形成半金属氧化物自由层、绝缘氧化物隧穿层以及半金属氧化物参考层，其中，所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，可以使所述磁隧道结在垂直于所述隧道结表面的磁场作用下发生阻态的改变，达到了通过所述磁隧道结的阻态变化对垂直于所述隧道结表面的磁场的大小和方向进行测量的效果，且所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层采用相同的半金属亚铁磁氧化物材料，可以充分利用所述半金属氧化物材料的高自旋极化率特性和亚铁磁高频工作特性，有利于提高所述磁隧道结的磁阻率和对磁场变化的响应速度，提高磁场测量的灵敏性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中提供的一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结的结构图；
图2为另一实施例中提供的一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结的结构图；
图3为一实施例中提供的一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结用于测量磁场时的连接图；
图4为作为磁传感应用时磁隧道结的电阻-磁场关系特性图；
图5为作为磁存储应用时磁隧道结的电阻-磁场关系特性图；
图6为一实施例中提供的磁隧道结的制备方法流程图；
图7为NiCo2O4/ MgAl2O4/ NiCo2O4磁隧道结的X射线衍射θ~2θ扫描图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本发明的范围。
对于磁传感器而言，一方面，磁隧道结的磁阻率的大小决定着传感器的灵敏度，而磁阻率受限于磁性自由层材料的自旋极化率。传统的半金属氧化物薄膜材料具有理论上100 %的自旋极化率，在理想情况下基于半金属氧化物自由层的隧道结结构具有无穷大的隧穿磁阻率。然而在实际研究中，由于受到材料生长纯度、杂质、缺陷、以及半金属氧化物薄膜中热扰动的影响作用，目前几乎没有能够在室温稳定运行且具有200 %以上隧穿磁阻率的半金属氧化物隧穿磁阻异质结材料。其主要挑战在于如何生长高结晶高纯度的具有稳定磁性的半金属氧化物多层薄膜材料，一方面需要多层膜的每一层具有良好的外延匹配关系，以实现高结晶多层膜材料；另一方面需要通过对多层膜成分的控制，控制底层和顶层磁性薄膜材料的矫顽磁场、磁化强度等参数，以实现隧穿磁阻结构。因此，高结晶高质量多层膜的生长工艺和结构设计至关重要。另外，传统的铁磁自由层材料会在GHz频段发生铁磁共振现象，从而限制了器件的响应速度，而响应速度会进一步影响着传感器的工作频段。因此亟需研究具有高自旋极化率，高磁阻率，高响应速度的隧穿磁阻新材料结构来满足不断增长的磁隧道结元件研发需求。
在其中一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结，包括半金属氧化物自由层101、绝缘氧化物隧穿层102以及半金属氧化物参考层103。
其中，所述绝缘氧化物隧穿层102位于所述半金属氧化物自由层101之上。所述绝缘氧化物隧穿层102为非磁绝缘层。具体的，可以为厚度2~8nm且具有（001）取向的铝酸镁（MgAl2O4）的单晶薄膜层，所述绝缘氧化物隧穿层102位于所述半金属氧化物参考层103和所述半金属氧化物自由层101之间，以形成两种不同的界面效应。
半金属氧化物参考层103，位于所述绝缘氧化物隧穿层102之上。所述半金属氧化物参考层103和所述半金属氧化物自由层101采用相同的亚铁磁半金属氧化物材料钴酸镍制备而成。所述亚铁磁半金属氧化物材料具有较高的自旋极化率，可以提高磁隧道结的磁阻率和响应速度。
其中，所述半金属氧化物参考层103的厚度大于所述半金属氧化物自由层101的厚度，以使所述磁隧道结的阻值在外部磁场的作用下发生改变；其中，所述外部磁场为垂直于所述隧道结表面的磁场。具有不同厚度的所述半金属氧化物参考层103和所述半金属氧化物自由层101对相同的外部磁场具有不同程度的敏感性，利用所述不同的界面效应和不同程度的敏感性可以使所述磁隧道结的阻值在垂直于磁隧道结的外部磁场的作用下发生改变。进一步的，通过对所述磁隧道结的阻值进行测量，可以反映出外部磁场的大小和方向。
本实施例中，通过依次形成半金属氧化物自由层、绝缘氧化物隧穿层以及半金属氧化物参考层，其中，所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，可以使所述磁隧道结在垂直于所述隧道结表面的磁场作用下发生阻态的改变，达到了通过所述磁隧道结的阻态变化对垂直于所述隧道结表面的磁场的大小和方向进行测量的效果，且所述使所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层采用相同的亚铁磁氧化物材料，可以充分利用所述半金属氧化物材料的高自旋极化率和亚铁磁特性，有利于提高所述磁隧道结的磁阻率和对磁场变化的响应速度，提高磁场测量的灵敏性。
在其中一个实施例中，所述半金属氧化物参考层103和所述半金属氧化物自由层101均为钴酸镍层。
其中，所述半金属氧化物材料为钴酸镍（NiCo2O4）材料，NiCo2O4相对于传统的铁磁材料具有更高的自旋极化率，以NiCo2O4制备的薄膜材料为具有垂直各向异性的薄膜材料，具有高于面内易磁化轴体系的理论存储密度。理论上，其响应速度可达亚THz量级。
本发明中各层材料NiCo2O4、MgAl2O4中无贵金属元素，造价便宜。制备得到的NiCo2O4/ MgAl2O4/ NiCo2O4体系的磁阻率可达230 %以上，超过大多数传统磁隧道结材料体系，且此体系的电阻阻值在MΩ量级，与传统磁隧道结相比，在相同工作电压下具有较低的工作功耗，并且通过增加MgAl2O4层的厚度可进一步降低磁隧道结的功耗。
另外，与其他全氧化物磁隧道结材料体系相比，基于NiCo2O4薄膜的磁隧道结体系能够在室温以上正常稳定工作，而其他全氧化物磁隧道结体系并不能满足室温以上稳定工作的需求，且本发明所用的材料均具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能，能够支持多种复杂环境下的长时稳定工作。
在其中一个实施例中，如图2所示，还包括衬底层104，所述半金属氧化物自由层101位于所述衬底层104之上。优选的，所述衬底层104为（001）取向的单晶铝酸镁（MgAl2O4）基片，所述衬底层104的厚度在此不作限定。本申请采用的基片为商用常用的微波衬底材料，可以满足工业化生产需求。
在其中一个实施例中，所述衬底层104、所述半金属氧化物自由层101、所述绝缘氧化物隧穿层102以及所述半金属氧化物参考层103均为晶面指数为（001）取向的单晶外延薄膜层。
将所述衬底层104、所述半金属氧化物自由层101、所述绝缘氧化物隧穿层102以及所述半金属氧化物参考层103的材料均采用晶面指数为（001）取向的单晶外延薄膜材料，可以使所述磁隧道结的磁敏感方向与所述晶面（001）的取向一致，即磁敏感方向为Z轴方向。其中，所述磁隧道结的垂直堆叠方向为所述Z轴方向。由此，所述磁隧道结可以用于对垂直于所述磁隧道结表面的磁场进行测量。本申请仅以各层的晶面指数为（001）、测量的磁场方向为Z轴方向为例进行说明，在需要的情况下，可以选取具有不同晶面取向的各层材料来实现对不同方向的磁场的测量。
在其中一个实施例中，所述半金属氧化物自由层101的厚度小于第一阈值，且所述半金属氧化物参考层103的厚度大于第二阈值时，所述半金属氧化物参考层对应的矫顽磁场为第一矫顽磁场；其中，当所述外部磁场的磁场强度的绝对值小于所述半金属氧化物参考层103的所述第一矫顽磁场的磁场强度的一半时，所述磁隧道结的电阻与所述外部磁场的磁场强度线性相关。
可选地，所述半金属氧化物自由层101的厚度为10~40 nm，所述半金属氧化物参考层103的厚度为30~60 nm。其中，第一阈值可以为14nm、15nm等，第二阈值可以为30nm、31nm等。为了便于说明，在本申请实施例中以第一阈值为15nm，第二阈值为30nm为例进行说明。
用于磁传感应用的所述磁隧道结设计要求靠近所述衬底层104一侧的所述半金属氧化物自由层101的厚度小于15nm，所述半金属氧化物参考层103的厚度大于30nm，此时所述半金属氧化物自由层101的矫顽磁场接近0 Gs，而所述半金属氧化物参考层103的第一矫顽磁场高于50 Gs，且可通过设计更大的厚度进一步增强矫顽磁场的大小。
磁隧道结可以对垂直于所述隧道结表面的外部磁场进行测量，如图3所示，将所述半金属氧化物自由层101和所述半金属氧化物参考层103连接，可以测得电路的电流，从而得知所述磁隧道结的电阻大小，进一步反映出外部磁场的大小。
请参考图4，当所述外部磁场的磁场强度与所述半金属氧化物参考层103的第一矫顽磁场的磁场强度符合预设条件时，所述磁隧道结的电阻与外部磁场呈现近似线性相关变化。具体的，所述预设条件为当所述外部磁场的磁场强度低于1/2的所述半金属氧化物参考层103的第一矫顽磁场的磁场强度。
本实施例中，通过使所述半金属氧化物自由层的厚度小于第一阈值且所述半金属氧化物参考层的厚度大于第二阈值，在预设条件下，可以使所述磁隧道结的电阻与所述外部磁场线性相关，通过测量所述磁隧道结的电阻，可以得知外部磁场的大小，提高测量的灵敏度，进一步满足磁隧道结作为磁传感应用的需求。
在其中一个实施例中，所述半金属氧化物自由层101的厚度大于第三阈值，且所述半金属氧化物参考层103的厚度大于第四阈值时，所述半金属氧化物自由层101对应的矫顽磁场为第二矫顽磁场，所述半金属氧化物参考层103对应的矫顽磁场为第三矫顽磁场，所述第三矫顽磁场的磁场强度大于所述第二矫顽磁场的磁场强度；其中，所述半金属氧化物参考层103和所述半金属氧化物自由层101在大于所述第三矫顽磁场的外部磁场作用下发生磁化，以使所述磁隧道结处于第一阻态，其中，所述第一阻态为低阻态和高阻态中的一种。
可选地，第三阈值可以为20nm、21nm等，第四阈值可以为40nm、41nm等。为了便于说明，在本申请实施例中以第三阈值为20nm，第四阈值为40nm为例进行说明。
具体的，用于磁存储应用的磁隧道结设计要求靠近所述衬底层104一侧的半金属氧化物自由层101的厚度大于20nm，所述半金属氧化物参考层103的厚度大于40nm。此时所述半金属氧化物参考层103的第二矫顽磁场高于60 Gs，且可通过设计更大的厚度进一步增强矫顽磁场的大小。所述半金属氧化物自由层101的第三矫顽磁场不为0 Gs，且会随着其厚度的增加而增加。
在进行测量之前，当外部磁场的磁场强度大于所述第三矫顽磁场的磁场强度时，所述半金属氧化物参考层103和所述半金属氧化物自由层101会首先在所述外部磁场的作用下沿着相同的方向发生磁化，使得所述隧道结处于初始的第一阻态，所述第一阻态可以为低阻态或者高阻态中的其中一种状态。
在其中一个实施例中，若所述磁隧道结处于所述第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向维持不变，则所述磁隧道结的阻态维持不变；若所述磁隧道结处于第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向反向且小于所述第二矫顽磁场的磁场强度，则所述磁隧道结的阻态维持不变；若所述磁隧道结处于第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向反向且大于所述第二矫顽磁场的磁场强度，则所述磁隧道结的阻态为第二阻态，所述第二阻态为所述低阻态和所述高阻态中的另一种。
其中，在测量过程中，外部磁场的磁场强度不得超过所述半金属氧化物参考层103的所述第三矫顽磁场的磁场强度。请参考图3和图5，在所述磁隧道结经过外部磁场磁化而处于第一阻态的情况下，当所述外部磁场的方向维持不变时，磁隧道结仍表现为所述第一阻态；当所述外部磁场减小乃至反向，并且磁场大小低于所述第二矫顽磁场时，所述磁隧道结的阻值基本不变，维持为所述第一阻态；当所述外部磁场反向，且磁场大小大于所述第二矫顽磁场的磁场强度时，所述磁隧道结转变为低阻态或所述高阻态中的另一种阻态，即所述第二阻态。例如，所述第一阻态为低阻态时，所述第二阻态为高阻态；所述第一阻态为高阻态时，所述第二阻态为低阻态。通过对阻态的变化进行分析，可以得知外部磁场的方向变化情况。
本实施例中，通过使所述半金属氧化物自由层的厚度高于第三阈值，所述半金属氧化物参考层的厚度高于第四阈值，并使所述半金属氧化物参考层在大于所述第一矫顽磁场的第一磁场作用下发生磁化，以使所述磁隧道结处于初始的第一阻态，可以基于初始的第一阻态以及后续的阻态变化判断外部磁场的方向，适应磁存储应用的需求。
另一方面，如图6所示，还提供了一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结的制备方法，包括步骤602-步骤608：
步骤602，提供衬底层。
本发明采用的衬底层为商用微波器件常用的MgAl2O4基片，所述MgAl2O4基片为（001）取向的单晶MgAl2O4基片。选取基片后，将MgAl2O4基片浸入酒精中，用超声清洗设备进行震荡清洗3~5 min，将清洗后的MgAl2O4基片用氮气吹干后立即放入磁控溅射系统的沉积腔的基台上。
步骤604，于所述衬底层上形成半金属氧化物自由层。
具体可通过磁控溅射法制备所述半金属氧化物自由层NiCo2O4。优选的，所述半金属氧化物自由层的厚度为10~40 nm。
步骤606，于所述半金属氧化物自由层上形成绝缘氧化物隧穿层。
具体可通过磁控溅射法制备所述绝缘氧化物隧穿层MgAl2O4。优选的，所述绝缘氧化物隧穿层的厚度为2~8 nm。
步骤608，于所述绝缘氧化物隧穿层上形成半金属氧化物参考层；其中，所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层的氧化物亚铁磁材料相同，且所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，以使所述磁隧道结在外部磁场的作用下发生阻态的改变；其中，所述外部磁场为垂直于所述隧道结表面的磁场。
优选的，所述半金属氧化物参考层的厚度为30~60 nm，所述半金属氧化物自由层要比所述半金属氧化物参考层薄10 nm以上，且所述半金属氧化物自由层、所述隧穿层和所述半金属氧化物参考层的总厚度为40～100 nm。
本实施例中，通过依次形成半金属氧化物自由层、绝缘氧化物隧穿层以及半金属氧化物参考层，其中，所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，可以使所述磁隧道结在垂直于所述隧道结表面的磁场作用下发生阻态的改变，达到了通过所述磁隧道结的阻态变化对垂直于所述隧道结表面的磁场的大小和方向进行测量的效果，且所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层采用相同的亚铁磁半金属氧化物材料，可以充分利用所述半金属氧化物材料的高自旋极化率和亚铁磁特性，有利于提高所述磁隧道结的磁阻率和对磁场变化的响应速度，提高磁场测量的灵敏性。
在其中一个实施例中，本申请采用射频磁控溅射法依次制备所述半金属氧化物自由层、绝缘氧化物隧穿层以及所述半金属氧化物参考层。
在溅射各层薄膜之前，先采用固相烧结法制备各层所需的陶瓷靶材。其中，用于射频磁控溅射方法生长所述半金属氧化物自由层和所述半金属氧化物参考层NiCo2O4薄膜的陶瓷靶材采用纯度级别为4N的NiO粉、Co2O3粉制备而成；用于生长所述绝缘氧化物隧穿层MgAl2O4薄膜的陶瓷靶材是采用纯度级别为4N的MgO粉、Al2O3粉制备而成；所述陶瓷靶材的制备步骤为：根据化学比例混合粉料，加入粘结剂，在磨具中塑形，利用压机压制成片状，最后烧结成陶瓷靶材。烧结所述陶瓷靶材时，烧结温度均低于各体系成相温度100～200 ℃。
将所制备的所述陶瓷靶材打磨抛光后安装到磁控溅射系统中，使陶瓷靶材与基片间距调整为40mm，通入1:1的氩气/氧气（Ar/ O2）混合气体，气压调至100 mTorr的室温环境下预溅射10~12 h，除去靶材表面杂质。
在其中一个实施例中，以所述半金属氧化物自由层的形成过程为例，所述于所述衬底层上形成半金属氧化物自由层，包括：采用固相烧结法获取所述半金属氧化物自由层的陶瓷靶材、以及基于所述半金属氧化物自由层的陶瓷靶材以及磁控溅射法形成所述半金属氧化物自由层。具体的，选取纯度为4N的NiO粉、Co2O3粉烧结形成所述半金属氧化物自由层的陶瓷靶材NiCo2O4，将所制备的所述陶瓷靶材NiCo2O4打磨抛光后置入磁控溅射系统中，采用磁控溅射法在所述衬底层上溅射形成所述半金属氧化物自由层NiCo2O4。
利用机械泵与分子泵组合构成的多级抽气系统将磁控溅射系统的沉积腔抽至高真空状态，使得腔内真空度不小于10-6 mTorr以保证生长环境清洁；再将沉积腔基底温度升高至350 ℃，以使所述衬底层在温度为350 ℃条件下进行保温10 min；最后缓慢向沉积腔通入体积比为1:1的氩气与氧气的混合气体，并调节质量流量计，使沉积腔内所需生长气压为100 mTorr。
待沉积腔中的气压稳定后，调节生长时间，依次在所述衬底上实现所述半金属氧化物自由层、所述绝缘氧化物隧穿层的生长；再调节沉积腔内生长气压达到200 mTorr，生长所述半金属氧化物参考层。
本实施例中，在溅射时，各层薄膜的生长厚度不超过100nm，每次生长对溅射靶材的消耗很小，纳米级的薄膜符合小型化集成化的需要。制备方法射频磁控溅射为工业大批量生产方法，生长温度350 ℃具有良好的工艺兼容性，符合当今工业批量生产的要求。
在生长结束后，在该温度及气压下对制备得到的样品进行退火15 min，退火结束后待温度自然冷却降至室温，向真空腔内通入氮气至大气压开腔，得到本发明的NiCo2O4/MgAl2O4/ NiCo2O4三明治结构的磁隧道结。
对本发明所制备的MgAl2O4/NiCo2O4/ MgAl2O4/ NiCo2O4磁隧道结进行X射线衍射扫描，如图7所示，自上而下是每一层薄膜生长后的X射线衍射图。在X射线衍射图中仅能观察到NiCo2O4和MgAl2O4 (004)晶面的衍射峰，无其他杂质，证明了该体系具有良好的结晶效果，保证了所述磁隧道结的制备质量。
另外，请继续参考图3，为了便于测量，制备得到本发明的全氧化物异质结MgAl2O4/NiCo2O4/ MgAl2O4/ NiCo2O4三明治结构的磁隧道结后，可以通过光刻、等离子体刻蚀等方式将所述半金属氧化物自由层NiCo2O4的表面暴露，以引出电极，获得需求的器件形状；也可以在生长所述半金属氧化物自由层NiCo2O4后即在薄膜上方附着掩膜版，遮挡住部分区域，从而将所述半金属氧化物自由层NiCo2O4的部分区域暴露在表面，方便引出电极。单一磁隧道结工作时需要在所述半金属氧化物自由层和所述半金属氧化物参考层的表面施加电压，测量其电流值，从而计算磁隧道结的电阻；而多个磁隧道结可通过组成惠斯通电桥结构实现高精度信号输出。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结，其特征在于，包括：
半金属氧化物自由层；
绝缘氧化物隧穿层，位于所述半金属氧化物自由层之上；
半金属氧化物参考层，位于所述绝缘氧化物隧穿层之上；其中，所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层的半金属氧化物材料均为钴酸镍材料，且所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，以使所述磁隧道结的阻值在外部磁场的作用下发生改变。
2.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，当所述半金属氧化物自由层的厚度小于第一阈值且所述半金属氧化物参考层的厚度大于第二阈值时，所述半金属氧化物参考层对应的矫顽磁场为第一矫顽磁场；其中，
当所述外部磁场的磁场强度的绝对值小于所述第一矫顽磁场的磁场强度的一半时，所述磁隧道结的电阻与所述外部磁场线性相关。
3.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，当所述半金属氧化物自由层的厚度大于第三阈值且所述半金属氧化物参考层的厚度大于第四阈值时，所述半金属氧化物自由层对应的矫顽磁场为第二矫顽磁场，所述半金属氧化物参考层对应的矫顽磁场为第三矫顽磁场，所述第三矫顽磁场的磁场强度大于所述第二矫顽磁场的磁场强度；其中，
所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层在大于所述第三矫顽磁场的磁场作用下发生磁化，以使所述磁隧道结处于第一阻态，其中，所述第一阻态为低阻态和高阻态中的一种。
4.根据权利要求3所述的磁隧道结，其特征在于，若所述磁隧道结处于所述第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向维持不变，则所述磁隧道结的阻态维持不变；
若所述磁隧道结处于第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向反向且小于所述第二矫顽磁场的磁场强度，则所述磁隧道结的阻态维持不变；
若所述磁隧道结处于第一阻态，且所述外部磁场的磁场方向反向且大于所述第二矫顽磁场的磁场强度，所述磁隧道结的阻态为第二阻态，所述第二阻态为所述低阻态和所述高阻态中的另一种。
5.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述绝缘氧化物隧穿层为铝酸镁层。
6.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，还包括衬底层，所述半金属氧化物自由层位于所述衬底层之上。
7.根据权利要求6所述的磁隧道结，其特征在于，所述衬底层、所述半金属氧化物自由层、所述绝缘氧化物隧穿层以及所述半金属氧化物参考层均为晶面指数为（001）取向的单晶外延薄膜层。
8.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述半金属氧化物参考层的厚度与所述半金属氧化物自由层的厚度的差值大于或等于10nm。
9.一种基于全氧化物单晶薄膜材料的磁隧道结的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底层；
于所述衬底层上形成半金属氧化物自由层；
于所述半金属氧化物自由层上形成绝缘氧化物隧穿层；
于所述绝缘氧化物隧穿层上形成半金属氧化物参考层；其中，所述半金属氧化物参考层和所述半金属氧化物自由层的半金属氧化物材料均为钴酸镍材料，且所述半金属氧化物参考层的厚度大于所述半金属氧化物自由层的厚度，以使所述磁隧道结的阻值在外部磁场的作用下发生改变。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述于所述衬底层上形成半金属氧化物自由层，包括：
采用固相烧结法获取所述半金属氧化物自由层的陶瓷靶材；
基于所述半金属氧化物自由层的陶瓷靶材以及磁控溅射法形成所述半金属氧化物自由层。
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