CN1601610A - 具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器 - Google Patents

具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器 Download PDF

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本发明公开了一种具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，包括：一个下部层(L1)，该下部层(L1)由铁磁性材料或半铁磁性材料制成；一个形成于所述下部层(L1)之上的第一隧道绝缘层(I1)；一个形成于所述第一隧道绝缘层(I1)之上的中间层(L2)，该层由铁磁性材料或半金属磁性材料或非磁性金属材料或半导体材料制成；一个形成于中间层(L2)之上的第二隧道绝缘层(I2)；和一个形成于第二隧道绝缘层(I2)之上的上部层(L3)，该层由铁磁性层或半金属磁性层构成。采用这种结构，由于电子在隧穿两个部隧道绝缘层过程中发生共振隧穿效应而具有较高的TMR值，因而用这种隧道结制作的磁传感器有更高的分辨率。

Description

具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器
技术领域
本发明涉及隧道结磁头，尤其涉及具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器。
背景技术
自1988年Fert在磁性多层膜中发现巨磁阻效应(GMR)以来，在物理和材料科学的研究和应用取得了很大进展。用GMR效应制作的高灵敏度传感器和硬盘磁头迅速占领市场，使用目前的GMR读出磁头后，硬盘的记录密度达30Gbits/in2，提高近了500倍。1995年Miyazaki等发现了室温大磁电阻效应(TMR)后，利用磁性隧道结材料开发更新一代计算机读出磁头和更高密度硬盘系统是目前国际上众多大公司追逐的目标之一，其中TDK公司更是在2000年5月在自家召开的技术展示会上现场展出TMR读出磁头。专家预言二、三年之后站立在100Gbits/in2或更高密度记录盘上的将是TMR读出磁头。另外，与磁性隧道结的有关物理基础研究也在迅速展开。1997年Zhang[X.D.Zhang，Phys.Rev.B56(1997)5484]从理论上预言了一种具有共振隧穿效应的双势垒隧道结的TMR值是单势垒隧道结的2倍，如果用这种双势垒磁性隧道结制成传感器，这种传感器将对微弱的磁场产生100％以上的磁阻变化。2002年S.Yuasa[S.Yuasa，Science 297(2002)234]在磁性隧道结中发现了自旋极化共振隧穿现象。由于双势垒隧道结存在丰富的物理现象及广泛的应用价值，引起世界广大科学技术工作者的重视。然而，在实验上，如何设计一种具有共振隧穿效应的双势垒隧道结，一直没有得到很好的解决。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器。
为实现上述目的，本发明提供的一种具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器包括：
一个下部层，该下部层由铁磁性材料或半铁磁性材料制成；
一个形成于所述下部层之上的第一隧道绝缘层；
一个形成于所述第一隧道绝缘层之上的中间层，该层由铁磁性材料或半金属磁性材料或非磁性金属材料或半导体材料制成；
一个形成于中间层之上的第二隧道绝缘层；和
一个形成于第二隧道绝缘层之上的上部层，该层由铁磁性层或半金属磁性层构成。
本发明的有益效果在于：采用这种结构，由于电子在隧穿两个部隧道绝缘层过程中发生共振隧穿效应而具有较高的TMR值，因而用这种隧道结制作的磁传感器有更高的分辨率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图中，FM代表铁磁性材料，NM代表非磁性金属材料，SM代表半导体材料，HM代表半金属磁性材料。
图1是本发明具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器的原理图。
图2是本发明中用于磁传感器的一个具有共振隧穿效应的双势垒隧道结立体结构示意图。
图3是本发明中用于传感器的一个具有共振隧穿效应的双势垒隧道结结构示意图。
图4是本发明第一实施例具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器的结构示意图。
图5是本发明第二实施例具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器的结构示意图。
图6是本发明第四实施例具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器的结构示意图。
图7是本发明改进型的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器的结构。
具体实施方式：
本发明的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结的结构采用一个通过该MR传感电流，就可检测到由于自由层的磁化方向的旋转而导致的MR传感器的电阻变化，将它作为所检测的磁场的一个函数。
图1是本发明一种双势垒隧道结传感器的原理图。
如图1a和1b，传感器包括一个下部层L1，由铁磁性材料或半金属磁性材料制成；一个中间层L2，由铁磁性材料或半金属磁性材料或非磁性金属材料或半导体材料制成；以及一个上部层L3，由铁磁性材料或半金属磁性材料制成；在下部层L1和中间层L2以及中间层L2和上部层L3之间分别夹有厚度为几个纳米的成分为氧化物或氮化物或其它材料的第一隧道绝缘层I1和第二隧道绝缘层I2。自旋方向向上和自旋方向向下的电子通过第一隧道绝缘层I1和第一隧道绝缘层I2以共振隧道电流的形式流动，该隧道电流通常垂直于隧道绝缘层表面。
在图1a中，中间层L2为非磁性金属或半导体时，下部层L1的磁化方向是固定的，上部层L3的磁化方向是自由的。在图1b中，中间层L2为磁性材料或半金属磁性材料时，下部层L1和中间层L2的磁化方向是固定的，而且是平行的，上部层L3的磁化方向是自由的。当存在外部磁场H的情况下，上部层L3的磁化方向可随外部磁场发生变化。在这种双势垒隧道结传感器中，电子共振隧穿几率与下部层L1、中间层L2和上部层L3的磁场强度而变化，并且，其隧穿电阻R随外部磁场H而变化，变化关系如下：
R＝Rs+(1/2)·ΔR(1-cosθ)                                    (1)其中，Rs代表在一基准态下的隧道电阻，即该基准态下，下部层L1、(中间层L2)和上部层L3的磁化方向平行，θ代表下部层L1与上部层L3(中间层L2为非磁性金属或半导体)、或中间层L2与上部层L3(中间层L2为磁性层或半金属磁性层)中的磁化方向所形成的角度，ΔR则代表隧道电阻R在磁化方向平行和反平行两种状态之间的变化，由之可以确定一个隧道电阻变化比(TMR)即ΔR/R。
在磁性隧道结中，其隧道磁电阻比ΔR/R与势垒两边的磁性层的自旋极化率有关。在单势垒磁性隧道结中，它们满足如下关系：
TMRSTJ＝2P1P2/(1-P1P2)                                        (2)而在双势垒磁性隧道结中，则满足如下关系：
TMRDMTJ＝2(P1P2+P2P3)/(1-P1P2-P2P3+P3P1)                      (3)公式(2)和(3)中，Pi代表每一层磁性材料的自旋极化率。从上述两个公式可知，双势垒磁性隧道结有2倍于单势垒磁性隧道结的TMR值。另一方面，当中间层L2为非磁性金属或半导体时，由于非磁性金属和半导体中电子有较长的平均自由程，当电子从下部层L1隧穿到上部层L3时以共振隧穿方式通过，从而有较高的TMR值。用这种隧道结制作的传感器将具有更高的分辨率。
如图3所示，本发明的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结包括第一隧道阻挡层I1和第二隧道阻挡层I2，一个由铁磁性材料或半金属磁性材料组成的下部层L1，一个由铁磁性材料、或半金属磁性材料、或非磁性金属材料、或半导体材料组成的中间层L2，一个由铁磁性材料或半金属磁性材料组成的上部层L3；第一隧道阻挡层I1位于下部层L1和中间层L2之间，第二隧道阻挡层I2位于中间层L2和上部层L3之间。
如图2所示，下部层L1、中间层L2和上部层L3分别形成在图2中相互交叉的三个导电带，其中，在每两个导电带的交汇处各形成一个隧道绝缘层I1和I2。电流在下部层L1、中间层L2和上部层L3之间穿过第一隧道绝缘层I1和第二隧道绝缘层I2而流动，通过检测下部层L1和上部层L3之间出现的电压差，可以确定第一隧道绝缘层I1和第二隧道绝缘层I2的隧道电阻。应当注意到，当中间层L2为非磁性层时，如图1a，下部层L1的磁化方向是固定的，即在下部层L1中的下部有一层的反铁磁性层；当中间层L2为磁性层或半金属磁性层时，如图1b，下部层L1和中间层L2的磁化方向都是固定的，而且是平行的，即在下部层L1和中间层L2的下部各有一层的反铁磁性层。上部层L3的磁化方向可随外部磁场而自由变化。随着上部层L3的磁化方向的改变，双势垒隧道结的电阻也发生相应的变化。
第一实施例：
图4示出了本发明的第一实施例的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结的结构。
图4中，由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个隧道绝缘层21形成在一个硅基片20上，在隧道绝缘层21上面形成一个下部层层L1，该层由铁磁性层22A、一个形成于该铁磁性层22A之上的反铁磁性层22B以及一个形成于反铁磁性22B之上的铁磁性层22C构成，下部层L1的磁化方向在位置上是固定的；一个形成于铁磁性层22C之上的第一隧道绝缘层I1，并在第一隧道绝缘层I1之上形成一层中间层L2，该层由非磁性金属或半导体制成；一个形成于中间层L2之上的第二隧道绝缘层I2；一个形成于第二隧道绝缘层I2之上的上部层L3，该上部层L3由一层铁磁性层24A以及另一个铁磁性层24C构成。下部层L1与上部层L3的磁化方向在没有磁场作用下大约成90度角，下部层L1的磁化方向的改变是对一个作用的磁场作出反应以及旋转形成的。
应当注意到，前述第一隧道绝缘层I1和第二隧道绝缘层I2由金属氧化物绝缘膜、或金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、或类金刚石薄膜、或EuS、或Ga2O3制成；铁磁性层可选自于3d过渡族磁性金属或4f稀土金属及其合金；反铁磁性层22B由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn或Rh-Mn反铁磁合金构成；中间层L2可由Au、Cu和Cr等非磁性金属和Si、Ga、InGaAs或InAs等半导体材料构成。
另外，应注意的是，中间层L2厚度应当与该层材料的电子平均自由程可比，这样能保证电子在中间层L2中所受散射较弱而保持电子的相位记忆，从而提高电子共振隧穿的几率。
按上述说明所形成的双势垒隧道结传感器的TMR值在刚形成时超过15％，通过在200～330℃下于真空环境中对其进行热退火处理，TMR可以超过30％或更高。
第二实施例
在上述实施例中，上部层L3的磁化方向是可随外部磁场发生变化的，而下部层L1的磁化方向是固定的，为此，在铁磁性层22C下部长一层较厚的反铁磁性层22B，然而，这样会增加22C层的表面粗糙度，再在22C上形成第一隧道绝缘层I1时，这种表面粗糙度会影响它们的界面特性，进而影响传感器的性能。针对上述问题，本实施例提出一种上部层L3的磁化方向固定、而下部层L1的磁化方向是自由的双势垒隧道结传感器。
图5示出了根据本发明第二实施例的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器的结构。
如图5所示，由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个隧道绝缘层31形成在一个硅基片30上，在隧道绝缘层31上面形成一个下部层L1，该层是由铁磁性层32A以及一个形成于该铁磁性层32A之上的另一铁磁性层32C构成，下部层L1的磁化方向在位置上是自由的，即可随外部磁场而发生改变；一个形成于铁磁性层32C之上的第一隧道绝缘层I1，并在第一隧道绝缘层I1之上形成一层中间层L2，该层由非磁性金属材料或半导体材料制成；一个形成于中间层L2之上的第二隧道绝缘层I2以及一个上部层L3，该层是由铁磁性层33A、一个形成于铁磁性层33A之上的反铁磁性层33B以及一个铁磁性层33C构成。上部层L1和上部层L3的磁化方向在没有磁场作用下大约成90度角，上部层L1的磁化方向的改变是对一个作用的磁场作出反应以及旋转形成的。
同第一实施例一样，前述第一隧道绝缘层I1和第二隧道绝缘层I2包括金属氧化物绝缘膜、或金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、或类金刚石薄膜、或EuS、或Ga2O3；铁磁性层可选自于3d过渡族磁性金属或4f稀土金属及其合金；反铁磁性层32B由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn或Rh-Mn反铁磁合金构成；中间层L2可由Au、Cu和Cr等非磁性金属和Si、Ga、InGaAs或InAs等半导体材料构成，而且中间层L2厚度应当与该层材料的电子平均自由程可比，这样能保证电子在中间层L2中所受散射较弱而保持电子的相位记忆，从而提高电子共振隧穿的几率。
在本实施例的双势垒隧道结传感器中，由于较厚的反铁磁性层33B形成在第一隧道绝缘层I1和第二隧道绝缘层I2之上，降低了反铁磁性层33B以下各层表面的粗糙度，从而改善了各层之间的界面性能。而磁性隧道结的TMR值大小与隧道绝缘层两边的界面性能有很大关系。所以，按上述说明所形成的双势垒隧道结传感器的TMR值比第一实施例的高。
第三实施例
从早期理论可知，隧道结的TMR值与势垒两边材料的自旋极化率有关，而理论和实验证明，半金属磁性材料几乎100％的自旋极化率，用这种材料制成的双势垒隧道结有更高的TMR值。鉴于此，本实施例提供一种以半金属磁性材料为基础的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器。
本实施例的双势垒隧道结传感器的结构与第二实施例相似。如图5，由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个隧道绝缘层31形成在一个硅基片30上，在隧道绝缘层31上面形成一个下部层L1，该层是由铁磁性层32A以及一个形成于该铁磁性层32A之上的半金属磁性层32C构成，该层的磁化方向在位置上是自由的，即可随外部磁场而发生改变；一个形成于半金属磁性层32C之上的第一隧道绝缘层I1，并在第一隧道绝缘层I1之上形成一层中间层L2，该层由非磁性金属材料或半导体材料制成；一个形成于中间层L2之上的第二隧道绝缘层I2以及一个上部层L3，该层是由半金属磁性层33A、一个形成于半金属磁性层33A之上的反铁磁性层33B以及一个铁磁性层33C构成。半金属磁性层32C与半金属磁性层33A的磁化方向在没有磁场作用下大约成90度角，半金属磁性层32C的磁化方向的改变是对一个作用的磁场作出反应以及旋转形成的。
同样，前述第一隧道绝缘层I1和第一隧道绝缘层I2包括金属氧化物绝缘膜、或金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、或类金刚石薄膜、或EuS、或Ga2O3；铁磁性层可选自于3d过渡族磁性金属或4f稀土金属及其合金；反铁磁性层由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn或Rh-Mn反铁磁合金构成；半金属磁性层由半金属磁性材料制成，包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Heuseler合金构成；中间层L2可由Au、Cu和Cr等非磁性金属和Si、Ga、InGaAs或InAs等半导体材料构成，而且中间层L2的厚度应当与该层材料的电子平均自由程可比，这样能保证电子在中间层L2中所受散射较弱而保持电子的相位记忆，从而提高电子共振隧穿的几率。
第四实施例
在上述实施例中，中间层L2的材料都使用非磁性金属或半导体材料，如果用铁磁性材料或半金属磁性材料替代它，根据公式(2)，这种双势垒隧道结的TMR值在理论上是其对应的单势垒隧道结TMR值的2倍。鉴于此，在本实施例中，提出一种三层(下部层L1，中间层L2，上部层L3)都是铁磁性材料或半金属磁性材料的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器。
图6示出了根据本发明的第四实施例的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器的结构。
如图6所示，由二氧化硅(SiO2)或类似材料制成的一个隧道绝缘层41形成在一个硅基片40上，在隧道绝缘层41上面形成一个下部层L1，该层是由铁磁性层42A、一个形成于该铁磁性层42A之上的反铁磁性层42B以及一个形成于反铁磁性42B之上的铁磁性层或半金属磁性层42C构成，下部层L1的磁化方向在位置上是固定的；一个形成于铁磁性层42C之上的第一隧道绝缘层I1，并在第一隧道绝缘层I1之上形成一层中间层L2，该层由铁磁性层或半金属磁性层43A、一个形成于该层之上的反铁磁性层43B以及一个形成于反铁磁性43B之上的铁磁性层或半金属磁性层43C；一个形成于铁磁性层或半金属磁性层43C之上的第二隧道绝缘层I2；一个形成于第二隧道绝缘层I2之上的上部层L3，上部层L3由铁磁性层或半金属磁性层44A以及另一个铁磁性层44B构成，且该层的磁化方向是可随外部磁场发生改变的。下部层L1与中间层L2的磁化方向在没有磁场作用下是平行的，而上部层L3与中间层L2或下部层L1的磁化方向在没有磁场作用下大约成90度角。上部层L3的磁化方向的改变是对一个作用的磁场作出反应以及旋转形成的。
本实施例中所用材料与前述实施例相似，故省略其描述。
虽然已基于上述实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于此。例如，下述修改是可行的。
在第四实施例中，可以使上部层L1的磁化方向随外部磁场发生改变，而使中间层L2和上部层L3的磁化方向是固定的，即与上部层L1的磁化方向在没有磁场作用下大约成90度角，其结构如图7所示。与第四实施例相同的省略其描述。与第四实施例不同的是：在下部层L1中去掉了反铁磁性层42B，而在上部层L3中插入一层反铁磁性层44C。同第二实施例所说明的那样，这种结构有助于提高隧道结的TMR值，进而提高传感器的分辨率。
虽然已结合附图对本发明进行了充分的描述，但需要注意，对于本领域的普通技术人员来说，各种改变和修改都是可能的。因此，除了这种改变和修改背离本发明的范畴之外，它们都应被包括在本发明之中。

Claims (12)

1、一种具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，它包括：
一个下部层(L1)，该下部层(L1)由铁磁性材料或半铁磁性材料制成；
一个形成于所述下部层(L1)之上的第一隧道绝缘层(I1)；
一个形成于所述第一隧道绝缘层(I1)之上的中间层(L2)，该层由铁磁性材料或半金属磁性材料或非磁性金属材料或半导体材料制成；
一个形成于中间层(L2)之上的第二隧道绝缘层(I2)；和
一个形成于第二隧道绝缘层(I2)之上的上部层(L3)，该层由铁磁性层或半金属磁性层构成。
2、如权利要求1所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述下部层(L1)由铁磁性层(22A)、一个形成于该铁磁性层(22A)之上的反铁磁性层(22B)以及一个形成于反铁磁性(22B)之上的铁磁性层(22C)构成，所述上部层(L3)由一层铁磁性层(24A)以及另一个铁磁性层(24C)构成。
3、如权利要求1所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述下部层(L1)由铁磁性层(32A)以及另一个铁磁性层(32C)构成，所述上部层(L3)由由铁磁性层(34A)、一个形成于该铁磁性层(34A)之上的反铁磁性层(34B)以及一个形成于反铁磁性(34B)之上的铁磁性层(34C)构成。
4、如权利要求1所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述下部层(L1)由铁磁性层(42A)、一个形成于该铁磁性层(42A)之上的反铁磁性层(42B)以及一个形成于反铁磁性(42B)之上的铁磁性层(42C)构成，所述中间层(L2)由铁磁性层或半金属磁性层(43A)、一个形成于该层之上的反铁磁性层(43B)以及一个形成于反铁磁性(43B)之上的铁磁性层或半金属磁性层(43C)构成，所述上部层(L3)由铁磁性层或半金属磁性层(44A)以及另一个铁磁性层(44B)构成。
5、如权利要求1所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述下部层(L1)由铁磁性层(52A)以及另一个铁磁性层(52C)构成，所述中间层(L2)由铁磁性层(52A)、一个形成于该铁磁性层(52A)之上的反铁磁性层(52B)以及一个形成于反铁磁性(42B)之上的铁磁性层或半金属磁性层(42C)构成，所述上部层(L3)由铁磁性层(53A)、一个形成于该铁磁性层(53A)之上的反铁磁性层(53B)以及一个形成于反铁磁性(53B)之上的铁磁性层或半金属磁性层(53C)构成。
6、如权利要求1至5任一所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述的第一隧道绝缘层(I1)和第二隧道绝缘层(I2)由绝缘材料制成，包括金属氧化物绝缘膜、或金属氮化物绝缘膜、有机或无机材料绝缘膜、或类金刚石薄膜、或EuS、或Ga2O3。
7、如权利要求6所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述金属元素从能够形成绝缘层的Al、Ta、Zr、Zn、Sn、Nb和Mg的金属元素中选取。
8、如权利要求6所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述铁磁性材料包括3d过渡族磁性金属或4f稀土金属及其合金。
9、如权利要求6所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述半金属磁性材料包括Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Heuseler合金。
10、如权利要求6所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述非磁性金属材料包括Au、Cu、或Cr及其合金。
11、如权利要求6所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述半导体材料包括Si、Ga、InGaAs、或InAs。
12、如权利要求6所述的具有共振隧穿效应的双势垒隧道结传感器，其特征在于，所述反铁磁性层(22B)由Pt-Mn、Pd-Mn、Fe-Mn、Ir-Mn或Rh-Mn反铁磁合金制成。
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