CN2556792Y - 隧道效应磁电阻器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种隧道效应磁电阻器件。它包括一衬底，其上有一底电极层、势垒层和一顶电极层，势垒层位于底电极层之上和顶电极层之下；一位于衬底之上底电极层之下的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层；底电极层呈条状，两端是引线引出端；底电极层之上是呈方块状的势垒层和顶电极层，顶电极层的顶部是引线引出端；在势垒层和顶电极层的周围是SiO2隔离层；从底电极层和顶电极层的引线引出端各引出一根或各引出两根导线。借助于隧道效应，电流穿过绝缘的势垒层，从一电极层流向另一电极层，并表现出磁电阻效应，在600 Oe的磁场范围内隧道结的电阻变化率达到28％。由于钉扎层的引入，器件对外磁场的响应特性和稳定性得以明显改善。
Description
技术领域
本实用新型属于磁传感器和存储器，特别是涉及一种隧道效应磁电阻器件。
背景技术
磁电阻效应在磁记录和存储等方面有着十分重要的应用前景，近年来人们对此领域的研究产生了浓厚的兴趣。从产生机制上划分，磁电阻效可分为很多种，但在应用上引起人们注意的主要包括金属多层膜中的巨磁电阻(以下简称为GMR)，基于金属的自旋阀和金属一绝缘体一金属结中的隧道磁电阻(以下简称为TMR)。在作为磁性传感器和存储器的应用中，研究的主要目的是提高器件的磁场灵敏度，即对于一定大小的磁信号，磁电阻器件应表现出尽可能大的电阻值变化。
在隧道结中，当在垂直于薄膜表面的方向上加以电压时，电子将借助于隧道效应穿过绝缘的势垒层，从一个结电极流入另一侧的结电极，形成隧道电流。如果结电极由具有自旋极化的磁性金属构成，则隧道电流的大小受到两侧结电极相互之间的自旋取向的影响，表现出与自旋态相关的隧道磁电阻效应。在外磁磁场作用下，当两个结电极的自旋都取向外磁场方向时，就形成二者平行取向的自旋态，结电阻处于低阻态；从上述的饱和状态出发，逐渐减小外磁场至外磁场为0，然后加以反向磁场并逐渐增大其数值，在上述的反磁化过程中，如果一个电极的矫顽力小于另一个结电极，则前者的自旋将在较小的外磁场下翻转，形成两个电极间自旋反平行取向的态，从而使结电阻处于高阻态。因此，磁性隧道结的隧道磁电阻效应要求两个主要条件：在内禀特性上，要求两个结电极都由具有自旋极化的材料构成；在外禀特性上，要求两个结电极矫顽力大小不同。
对于基于TMR的磁性器件而言，磁场灵敏度的极限值取决于隧道结中上下电极层的自旋极化率。已知的具有自旋极化特性的材料包括Fe、Co、Ni、坡莫合金、CrO2、半哈斯勒合金(如NiMnSb)、铁磁金属性的钙钛矿型锰氧化合物。由于钙钛矿型锰氧化合物的自旋极化率可能达到最大值100％，从而可能在磁信号作用下产生最大值的结电阻变化，因而是隧道效应磁电阻首选的电极层材料。
在美国专利US5792569(公开日为1998年8月11日)和发表的文献(X.W.Li，Y.Lu，G.Q.Gong，G.Xiao，A.Gupta，P.Lecoeur，and J.Z.Sun，J.Appl.Phys.81，5509(1997).)中公开了一种三层结构的隧道效应磁电阻，其中以铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物为两个电极层、以STO为势垒层。由于两个电极层采用了相同的磁性材料，因此两个电极层之间由内禀磁性导致的矫顽力差异很小。在上述技术中将两个电极层设计成不同的形状和尺寸，利用形状各向异性来调节两个电极层的矫顽力，但在隧道结中要获得理想的自旋态仍存在着困难。该器件的主要缺点是在磁场下结电阻表现出复杂的变化，从而不能预测在一定的磁信号作用下，结电阻是处于高阻态还是低阻态。并且该器件的稳定性差，磁信号作用之后，结电阻不能回到初始值。由于该器件难以工作在稳定的、可重复的状态，因此限制了其实用性。
发明内容
本实用新型的目的是针对上述已有技术在控制电极层的矫顽力方面的缺点，为了改善器件的磁场响应特性和稳定性，使器件能够被预置工作状态，并能够被重复使用，从而提供一种隧道效应磁电阻器件。
本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型提供的隧道效应磁电阻器件，包括一衬底，其上有一底电极层、势垒层和一个顶电极层，势垒层位于底电极层之上和顶电极层之下；其特征在于：还包括一个位于衬底上的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层，该钉扎层位于底电极层之下；底电极层呈条状，两端是引线引出端；底电极层之上是呈方块状的势垒层和顶电极层，顶电极层的顶部是引线引出端；在势垒层和顶电极层的周围是SiO2隔离层；从底电极层和顶电极层的引线引出端各引出一根导电引线或各引出两根导电引线。
所述的隧道效应磁电阻器件，还包括：导电引线分别直接固定在顶电极层和底电极层的导电引出端之上。
所述的隧道效应磁电阻器件，还包括：在底电极层的导线引出端上有贵金属材料的接触电极，在顶电极层的导线引出端上有一贵金属材料的条形接触电极，导电引线分别直接固定在接触电极之上。
所述的衬底包括：SrTiO3(以下简称为STO)，MgO，Al2O3和Si片。
所述的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层厚度为30～80nm。
所述的底电极层为铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物，该层厚度为20～100nm。
所述的顶电极层为铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物，该层厚度为20～100nm。
所述的势垒层是一个厚度为1～8nm的钙钛矿型氧化物层。
按照本实用新型的隧道效应磁电阻器件，两个电极层之间的电阻值，也即隧道结的结电阻在磁场作用下产生规律性的变化。从而使结电阻的大小反映磁信号的大小。依据检测结电阻的方法，可以将本实用新型的隧道效应磁电阻器件制成四端器件或两端器件。在底电极层和顶电极层上各引出两条导电引线，即形成四端器件。已知大小的电流(例如由恒流源供给的电流)流经底电极和顶电极的一组引线时，检测另一组引线上的电压信号，就得到结电阻的值。在底电极层和顶电极层上各引出一条导电引线，即形成两端器件。已知大小的电压(例如由恒压源供给的电压)施加在两个电极层的引线上，测量流经引线的电流信号，也可以得到结电阻的值。)
隧道效应磁电阻器件采用以下步骤制备的；
1)首先取一SrTiO3、MgO、Al2O3或Si片，在其上采用常规的溅射方法顺序生长反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层、铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的底电极层、钙钛矿型氧化物的势垒层和铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的顶电极层制成多层膜片；
2)采用甩胶机在多层膜上覆盖一层光刻胶薄膜，然后以一块玻璃基底的掩膜进行遮挡，在曝光机下进行曝光。经NaOH溶液进行显影后，即制成图形与用作遮挡的玻璃基掩膜相同的光刻胶掩膜；
3)将表面上覆盖有光刻胶掩膜的多层膜置于离子刻蚀设备的真空腔体中，进行离子刻蚀，对刻蚀深度的控制以刻透钉扎层之上的三层膜作为标准，经刻蚀后，得到与用作遮挡的玻璃基掩膜反相的器件图形。
4)将刻蚀后的多层膜置于磁控溅射真空镀膜设备中，采用纯石英靶材，在射频溅射条件下沉积SiO2层。然后在浸泡在丙酮中，去除光刻胶和光刻胶之上的SiO2层，并进行超声清洗；
5)采用另一块玻璃基掩膜，重复上述制备光刻胶掩膜、离子刻蚀、沉积SiO2层和超声清洗各个步骤。其中对离子刻蚀深度的控制以刻透底电极层之上的两层膜作为标准；
6)上述两次光刻工艺采用的玻璃基掩膜图形不同并且相互交错，因此两次离子刻蚀的交叉区域成为隧道结区。离子刻蚀露出顶电极层之下的底电极层，并被刻蚀成引线焊接区的形状。
7)为了使引线与电极层之间形成良好的电接触，可以在引出导线之前在电极层上沉积一层贵金属。一种方法是：在多层膜上沉积一层贵金属，采用一块玻璃基掩膜，在其上制备光刻胶掩，然后浸于碘的碘化钾溶液中进行湿刻，贵金属层被部分刻蚀去除，从而制成接触电极。另一种方法是：采用一块玻璃基掩膜，在多层膜上制备一层光刻胶掩膜，在其上沉积一层贵金属，然后浸于丙酮中，在去除光刻胶的同时，也去除了光刻胶之上的贵金属层，剩下的部分贵金属层形成接触电极。在接触电极上引出导电引线。
本实用新型的优点：本实用新型制备的隧道效应磁电阻器件，一个电极层与相邻的钉扎层之间存在着交换耦合作用，其磁矩的转动为钉扎层的磁矩所钉扎，而另一个电极层的磁矩转动未受约束，成为自由层。因此提高了钉扎电极层的矫顽力，使钉扎电极层的矫顽力大于自由电极层，从而改善的隧道结器件的自旋态，达到改善器件的磁场响应特性和稳定性，使器件能够被预置工作状态，并能够被重复使用。
附图说明
图1.磁性隧道结器件的结构示意图；
图中：1.钉扎层 2.底电极层 3.势垒层 4.顶电极层
5～8.Ag电极 9.基片
图2.多层在制备过程中的表面形貌，图中所示是还未在表面上沉积贵金属层的情形；
图3.磁性隧道结器件的电流-偏压(I-V)曲线和微分电导一偏压(dI/dV-V)曲线；
图4.磁性隧道结器件的结电阻随磁场的变化。
实施例1
按图1所示隧道效应磁电阻器件采用说明书所述的各步骤所制备而成。
多层膜在SrTiO3、MgO、Al2O3或Si片作为衬底9上外延生长，包括厚度为30或80nm的La0.33Ca0.67MnO3钉扎层1、厚度为20或100nm的La0.67Ca0.33MnO3底电极层2、厚度为1或8nm的势垒层3、厚度为20或80nm的La0.67Ca0.33MnO3顶电极层4。势垒层3位于底电极层2之上和顶电极层4之下；位于衬底9上的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物是钉扎层1，该钉扎层1位于底电极层2之下；底电极层呈条状，两端是引线引出端；底电极层2之上是呈方块状的势垒层3和顶电极层4，顶电极层的顶部是引线引出端；在势垒层3和顶电极层4的周围是SiO2隔离层。经两次刻蚀后，势垒层层3和顶电极层4形成尺寸为2×10um2的小长方块，成为隧道结的工作区。在层顶电极层4之上是Ag接触电极5和6(两个电极是相连的)，在底电极层2之上是Ag接触电极7和8。并将电流源连接在接触电极5和7之间，测量接触电极6和8之间的电压值，就可检测结电阻的数值。
实施例2
该实施例制备的隧道效应磁电阻器件与实施例1的结构相同，只是每一层的厚度不同，在衬底9上的第一层是：La0.33Ca0.67MnO3钉扎层1，其厚度为50nm；其它层如下：厚度为40nm的La0.67Ca0.33MnO3底电极层2、厚度为5nm的势垒层3、厚度为60nm的La0.67Ca0.33MnO3顶电极层4。
实施例3
按实施例1或2制备的隧道效应磁电阻器件，其多层膜被刻蚀成如图1所示的形状。在顶电极层4之上是Ag接触电极5和6(两个电极是相连的)，在底电极层2之上是Ag接触电极7和8。在接触电极5或6上，以及接触电极7或8上各焊接一根导电引线，并将电压源连接在两根导电引线之间，测量电路中的电流值，就可检测结电阻的数值。利用结电阻在磁场下变化的特性可检测磁信号。
参考图2，采用原子力显微镜检查多层膜在加工过程中的表面形貌。对隧道效应磁电阻的制备已经完成了1～6步骤，两次离子刻蚀形成的隧道结工作区域(即顶电极11和势垒层的面积)尺寸为2×10um2。在图中可看到顶电极层4的表面11，周围是SiO2隔离层10(未表示在图1中)。
参考图3，采用标准的四端法测量上述的隧道结在垂直于膜面方向的输运性质。非线性的I-V曲线反映出电子隧道效应的特征，dI/dV-V曲线近似为抛物线形状，可采用描述电子隧道效应的Brinkman公式进行拟合。在磁场作用下dI/dV-V发生明显的变化，结电阻随磁场的升高而减小，表明随磁有序的提高、隧道电流增加的自旋极化特性。
参考图4，采用标准的四端法测量上述的隧道结结电阻随磁场的变化。在测量开始时，顶、底电极的磁矩由于场冷而同时取向负磁场方向，处于低阻状态。在外加正磁场作用下，随着磁场的增大，自由的顶电极磁矩开始翻转，而底电极的磁矩由于钉扎层的钉扎仍处于初始方向。外磁场达到一定值时形成顶、底电极间磁矩反平行的取向，结电阻最大；随着磁场的进一步增加，底电极的磁矩也开始翻转；在饱和状态下，相对磁矩取向完全平行，结电阻最小。因此，在正磁场磁化过程中，隧道磁电阻曲线上在+400Oe的位置出现峰值。同样的过程，在外加负磁场的测量过程中在-400Oe的位置处出现结电阻的峰值。在600Oe的磁场范围内隧道结的电阻变化率达到28％。
在磁电阻曲线上观察到的双峰结构表明采用反铁磁钉扎的方法造成了顶、底电极的磁不对称性。尽管两个电极的成分、结构和厚度没有差异，但底电极在磁性上比自由的顶电极要硬，即前者的矫顽力大于后者。并且结电阻源于自旋极化的隧道效应，结电阻的大小决定于顶底电极的相对自旋取向。隧道结对磁场的响应表现规律性，并可预测在一定的磁信号作用下隧道结所处的电阻态。经一个周期的磁场作用，结电阻的大小仍可回到初始值。
Claims (8)
1.一种隧道效应磁电阻器件，包括一衬底，其上有一底电极层、势垒层和一个顶电极层，势垒层位于底电极层之上和顶电极层之下；其特征在于：还包括一个位于衬底上的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物的钉扎层，该钉扎层位于底电极层与衬底之间；底电极层呈条状，两端是引线引出端；底电极层之上是呈方块状的势垒层和顶电极层，顶电极层的顶部是引线引出端；在势垒层和顶电极层的周围是SiO2隔离层；从底电极层和顶电极层的引线引出端各引出一根导电引线或各引出两根导电引线。
2.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于：还包括：导电引线分别直接固定在顶电极层和底电极层的导电引出端之上。
3.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于：还包括：在底电极层的导线引出端上有贵金属材料的接触电极，在顶电极层的导线引出端上有一贵金属材料的条形接触电极，导电引线分别直接固定在接触电极之上。
4.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于：所述的基片包括：SrTiO3、MgO、Al2O3或Si片。
5.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于：所述的反铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物钉扎层厚度为30～80nm。
6.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于：所述的底电极层为铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物，该层厚度为20～100nm。
7.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于：所述的势垒层是一个厚度为1～8nm的钙钛矿型氧化物层。
8.按权利要求1所述的隧道效应磁电阻器件，其特征在于：所述的顶电极层为铁磁性的钙钛矿型锰氧化合物，该层厚度为20～100nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Effective date of abandoning: 20060329 |
|
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Effective date of abandoning: 20060329 |
|
| C25 | Abandonment of patent right or utility model to avoid double patenting |