專利名稱：一種具有交換偏置效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁電互控非易失存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種新型的具有交換偏置效應(yīng)的半金屬/多鐵材料多層膜結(jié)構(gòu)，其具有大的交換偏置場，小的矯頑力，高的截止溫度和優(yōu) 良的穩(wěn)定性能。
背景技術(shù)：
自旋電子器件主要包括自旋閥(Spin Valve, SPV)結(jié)構(gòu)(鐵磁層/非磁導(dǎo)體/鐵磁層/反鐵磁層)和磁隧道結(jié)(Magnetic Tunneling Junction,MTJ)結(jié)構(gòu)(鐵磁層/氧化 物/鐵磁層/反鐵磁層)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于磁性讀出頭、磁隨機(jī)存儲(chǔ)器和磁敏傳感器 等領(lǐng)域。自旋電子器件中，鐵磁/反鐵磁(FM/AFM)交換偏置效應(yīng)是其重要組成部分，F(xiàn)M/ AFM交換偏置可以提高高密度磁記錄讀出頭的靈敏度，使得磁記錄存儲(chǔ)密度得到了飛速的 發(fā)展，所以交換偏置效應(yīng)對于滿足未來器件的實(shí)際應(yīng)用具有重要的作用。多鐵性材料(mutliferroics)指同時(shí)具有鐵電性、鐵磁性和鐵彈性中兩者或兩 者以上性能的新型多功能材料，提供了同時(shí)可以利用電極化和磁化來編碼儲(chǔ)存信息。鐵 磁材料(ferromagnetics)具有自發(fā)磁矩，可以隨外加磁場變化而進(jìn)行翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)信息存 儲(chǔ)。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對器件小型化的要求越來越高，這就需要研發(fā)同時(shí)具有 兩種或兩種以上功能的新材料，以研制能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能的新型器件。目前，人們已經(jīng) 對磁電耦合效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，研究發(fā)現(xiàn)利用反鐵磁對鐵磁的磁釘扎來實(shí)現(xiàn)反鐵磁 多鐵性材料磁矩改變而導(dǎo)致軟鐵磁層磁化方向改變，可以實(shí)現(xiàn)信息的讀取[R. Ramesh, et al, Nat. Mater.，6 :21_29 (2007)]。另外，采用多鐵性材料實(shí)現(xiàn)了電場對磁矩方向的調(diào)控 [V. Lankhim, et al, Phys. Rev. Lett, 97 =227201 (2006)]以及利用磁電阻效應(yīng)制備了多鐵 性的磁記錄讀頭[V. Marian, et al. J. Phys. D =Appl. Phys. ,40 :5027_503 (2007)]。理論模 型也證明利用兩個(gè)電極之間的自旋過濾效應(yīng)和電荷極化效應(yīng)制備了多鐵性隧道結(jié)，并且預(yù) 測這種多鐵性隧道結(jié)能夠產(chǎn)生八區(qū)域邏輯態(tài)，可實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)[F.Yang，et al, J. Appl. Phys. ，102 :044504(2007)]。這些研究成果為新型的磁電互控非易失存儲(chǔ)介質(zhì)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，但是，為了 提高其讀寫過程的靈敏性，使超高存儲(chǔ)密度的磁電互控非易失存儲(chǔ)磁性介質(zhì)得到飛速發(fā) 展，必須制備具有相應(yīng)材料、性能優(yōu)異的交換偏置效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)。多鐵材料同時(shí)具有鐵磁性和鐵電性以及兩種性所產(chǎn)生的磁電耦合效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn) 磁性和鐵電性的互相調(diào)控，從而可以制備出磁記錄讀取速度快、鐵電記錄寫入快的超高 速率讀寫過程的新型磁存儲(chǔ)介質(zhì)[G.A. Prinz，et al, Science, 282 1660-1661 (1998)； S. A. Wolf, et al, Science,294 1488-1490(2001) ；S.W. Cheong, et al, Nat. Mater., 6 13-20 (2007) ；Y.Tokura，et al, J Magn. Magn. Mater, 310 1145-1150 (2007)； W. Eerenstein, et al, Nature, 422 :759_765 (2006)]。多鐵性材料有 ABO3 型單相多鐵性材 料和鐵電-鐵磁復(fù)合體系材料BiFe03、GaFe03、BiCr03、TbMn03、Bi2FeCr06、BiMn03、HoMn205、 YMn2O5、RMn2O5 (R = Ho, Yb, Sc，Y，Ga，Dy，Er)、RMnO3 (R = Ho, Yb, Sc, Y, Ga, Dy, Er)等單相多鐵材料，Ca、La、Mn、Mo、Y 等摻雜 BiFeO3 的單相多鐵材料和 BiFe03/CoFe204、BaTi03/CoFe204、 BaTi03/NiFe204等磁電復(fù)合材料。半金屬材料是一種具有高自旋極化率的磁性材料，其理論自旋極化率為100 %，其 中Co基半金屬Full-Heusler合金材料具有高的居里溫度和自旋極化率、更低的矯頑力和 飽和磁化強(qiáng)度，其磁學(xué)性質(zhì)適用于SPV和MTJ等自旋電子器件，并成功獲得高磁電阻效應(yīng)的 器件。因此將半金屬材料和多鐵材料制備成具有新型交換偏置效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)，可以提 高磁電互控非易失存儲(chǔ)介質(zhì)的靈敏性，并最終實(shí)現(xiàn)超高磁存儲(chǔ)密度的超高速率讀寫過程的 新型磁存儲(chǔ)介質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種新型的具有交換偏置效應(yīng)的半金屬/多鐵材料的多層膜結(jié)構(gòu)。多鐵性材料具有反鐵磁性，而半金屬材料具有高居里溫度、高自旋極化率(理論 上預(yù)測為100% )、低飽和磁化強(qiáng)度和低矯頑力，所以利用多鐵材料的反鐵磁性和半金屬鐵 材料的磁性在其界面形成鐵磁/反鐵磁的耦合作用，產(chǎn)生交換偏置效應(yīng)，其具有大的交換 偏置場，小的矯頑力，高的截止溫度和優(yōu)良的穩(wěn)定性能。這種新型的多層膜結(jié)構(gòu)將廣泛應(yīng)用 在磁電互控的自旋閥和磁性隧道結(jié)等自旋電子器件，它將通過電流和磁場對自旋閥和磁性 隧道結(jié)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)磁電互控非易失性的高密度磁性存儲(chǔ)器件。本發(fā)明的一種具有交換偏置效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如下從底層(不是特殊材質(zhì)，是所用基片層)往上第一層為多鐵薄膜層，所述多鐵薄膜 層為單相多鐵材料，或 Ca、La、Mn、Mo、Y 等摻雜 BiFe03、BiCrO3> TbMn03、BiMnO3 和 YMnO3 等 單相多鐵材料，或BiFe03/CoFe204、BaTi03/CoFe204、BaTi03/NiFe204等磁電復(fù)合材料，厚度約 為20 200納米；從底層往上第二層為半金屬薄膜層，包括Co2FeAl、Co2FeSi, Co2MnSi, Co2CrAl, Co2 (CivxFex) Al [O < χ < 1]、Co2Fe (Al1^xSix) [O < χ < 1]、Co2 (Fe1^xMnx) Si [O < χ < 1]等 Co占據(jù)A位置的A2BC型full-Heusler合金材料，厚度約為2 20納米；從底層往上第三層為金屬鉭保護(hù)層，厚度約為3 10納米。進(jìn)一步的，上述單相多鐵材料可以是BiFe03、GaFe03、BiCrO3> TbMnO3> Bi2FeCrO6, BiMn03、HoMn2O5, YMn2O5, RMn2O5 (R = Ho, Yb, Sc, Y, Ga, Dy, Er)、RMnO3 (R = Ho, Yb, Sc, Y, Ga, Dy, Er)等單相多鐵材料。本發(fā)明一種具有交換偏置效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)制作方法如下1、制作多鐵性薄膜層沉積室本底真空度為IX 10_6Pa，濺射時(shí)氧氣壓為0. 5Pa 2. 5Pa，沉積溫度為300°C 800°C，沉積時(shí)能量為IOOmJ 400mJ，脈沖數(shù)為400 3000脈 沖，基底為SrTiO3(IOO)、Pt/Ti02/Si (111)等，退火溫度為300°C 800°C，氧壓為IOOPa 300Pa，制備的多鐵薄膜厚度為20nm 200nm ；2、利用磁控濺射儀或分子束外延的方法制作半金屬薄膜層和鉭保護(hù)層，濺射室本 底真空度為2X 10_5Pa，濺射時(shí)氬氣壓為0. 2Pa 1. OPa，基片用循環(huán)水冷卻。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于新型的具有交換偏置效應(yīng)的半金屬/多鐵材料多層膜結(jié)構(gòu)將應(yīng)用于磁電互控的 自旋閥和磁性隧道結(jié)等自旋電子器件中，使具有超高速率讀寫過程的新型存儲(chǔ)介質(zhì)滿足尺寸快速縮減和多功能化的要求。同時(shí)，多鐵性材料提供了同時(shí)利用電極化和磁化來編碼儲(chǔ) 存信息的可能性，而半金屬材料具有高居里溫度，高自旋極化率(理論上100% )，低飽和 磁化強(qiáng)度和低矯頑力，由這兩種材料制備的多層膜結(jié)構(gòu)將得到性能更加優(yōu)異的交換偏置效 應(yīng)，這將使磁電互控的自旋閥和磁性隧道結(jié)等自旋電子器件的磁電阻率和磁電互控性能提 高，進(jìn)而使超高存儲(chǔ)密度的磁電互控非易失存儲(chǔ)磁性介質(zhì)成為可能。本發(fā)明的新型具有交換偏置效應(yīng)的半金屬/多鐵材料多層膜結(jié)構(gòu)通過常規(guī)的薄 膜沉積設(shè)備(例如磁控濺射、分子束外延生長和脈沖激光沉積等技術(shù))制備而成。


圖1所示的是本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2所示的本發(fā)明的多層膜結(jié)構(gòu)交換偏置效應(yīng)隨外磁場變化示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，申請人根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，分別利用脈沖激光沉積方法制備了多鐵性薄 膜層其特點(diǎn)是以多鐵薄膜[BiFe03、GaFe03、BiCrO3> TbMnO3> Bi2FeCrO6, BIMnO3> HoMn2O5, YMn2O5、RMn2O5 (R = Ho, Yb, Sc，Y，Ga，Dy，Er)、RMnO3 (R = Ho, Yb, Sc, Y, Ga, Dy, Er)等單相多 鐵材料，Ca、La、Mn、Mo、Y 等摻雜 BiFeO3 的單相多鐵材料和 BiFe03/CoFe204、BaTi03/CoFe204、 BaTi03/NiFe204等磁電復(fù)合材料]為反鐵磁層。上述多鐵性薄膜層的詳細(xì)制備工藝為沉積室本底真空度為IX 10_6Pa，濺射時(shí)氧 氣壓為0. 5Pa 2. 5Pa，沉積溫度為300°C 800°C，沉積時(shí)能量為IOOmJ 400mJ，脈沖數(shù) 為 400 3000 脈沖，基底為 SrTiO3(IOO)、Pt/Ti02/Si (111)等，退火溫度為 300°C 800°C， 氧壓為IOOPa 300Pa，制備的多鐵薄膜厚度為20nm 200nm。利用磁控濺射儀或分子束外延的方法制備了半金屬薄膜和Ta保護(hù)層其特 點(diǎn)是以半金屬材料[Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2 (Cr1^xFex) Al [O < χ < 1]、 Co2Fe (AlhSix) [O < χ < 1]、Co2 (Fe1JMnx) Si [O < χ < 1]等 Co 占據(jù) A 位置的 A2BC 型 fulI-Heusler合金材料]和金屬鉭(Ta)為半金屬磁性層和Ta保護(hù)層。上述薄膜層的詳細(xì)制備工藝為濺射室本底真空度為2X 10_5Pa，濺射時(shí)氬氣壓為 0. 2Pa 1. OPa Pa，基片用循環(huán)水冷卻。通過測試，上述半金屬/多鐵材料多層膜結(jié)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn)了鐵磁/反鐵磁界面的交 換偏置效應(yīng)，半金屬/多鐵材料多層膜結(jié)構(gòu)的交換偏置效應(yīng)隨外加磁場方向的變化而產(chǎn) 生相同取向的變化，如圖2所示，并且得到了大的交換場(Hb// = 700e 3000e和ΗΒ_"= 700e 3000e 和 Hb 丄=100 IOOOOe)，小的矯頑力(Hc" = IOOe 400e，Hc" = IOOe 400e，和Hc±= 500e IOOOe)以及非常優(yōu)異的穩(wěn)定性能。這種具有交換偏置效應(yīng)的性能優(yōu) 異的多層膜結(jié)構(gòu)將廣泛應(yīng)用在磁電互控的自旋閥和磁性隧道結(jié)等自旋電子器件，提高超高 速率讀寫過程的磁電互控非易失存儲(chǔ)磁性介質(zhì)的靈敏度，使超高存儲(chǔ)密度的磁電互控非易 失存儲(chǔ)磁性介質(zhì)得到飛速發(fā)展，滿足未來器件的小型化和多功能性。
權(quán)利要求
一種具有交換偏置效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述具體結(jié)構(gòu)如下從底層往上第一層為多鐵薄膜層，所述多鐵薄膜層為單相多鐵材料，或Ca、La、Mn、Mo、Y等摻雜BiFeO3、BiCrO3、TbMnO3、BiMnO3和YMnO3等單相多鐵材料，或BiFeO3/CoFe2O4、BaTiO3/CoFe2O4、BaTiO3/NiFe2O4等磁電復(fù)合材料，厚度約為20～200納米；從底層往上第二層為半金屬薄膜層，包括Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2(Cr1-xFex)Al
、Co2Fe(Al1-xSix)
、Co2(Fe1-xMnx)Si
等Co占據(jù)A位置的A2BC型full-Heusler合金材料，厚度約為2～20納米；從底層往上第三層為金屬鉭保護(hù)層，厚度約為3～10納米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有交換偏置效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 單相多鐵材料可以是 BiFe03、GaFe03、BiCr03、TbMn03、Bi2FeCr06、BiMn03、HoMn205、YMn205、 RMn205 (R = Ho, Yb, Sc, Y, Ga, Dy, Er)、RMn03 (R = Ho, Yb, Sc, Y, Ga, Dy, Er)等單相多鐵材 料。
3.制作權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)的方法，所述方法如下3. 1制作多鐵性薄膜層沉積室本底真空度為lX10_6Pa，濺射時(shí)氧氣壓為0. 5Pa 2. 5Pa，沉積溫度為300°C 800°C，沉積時(shí)能量為100mJ 400mJ，脈沖數(shù)為400 3000脈 沖，基底為SrTi03(100)、Pt/Ti02/Si(lll)等，退火溫度為300°C 800°C，氧壓為100Pa 300Pa，制備的多鐵薄膜厚度為20nm 200nm ；3. 2利用磁控濺射儀或分子束外延的方法制作半金屬薄膜層和鉭保護(hù)層，濺射室本底 真空度為2X 10_5Pa，濺射時(shí)氬氣壓為0. 2Pa 1. OPa，基片用循環(huán)水冷卻。
全文摘要
本發(fā)明屬于磁電互控非易失存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種新型的具有交換偏置效應(yīng)的半金屬/多鐵材料多層膜結(jié)構(gòu)，其具有大的交換偏置場，小的矯頑力，高的截止溫度和優(yōu)良的穩(wěn)定性能。從底層往上第一層為多鐵薄膜層，厚度約為20～200納米；從底層往上第二層為半金屬薄膜層，包括Co2FeAl、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2CrAl、Co2(Cr1-xFex)Al
、Co2Fe(Al1-xSix)
、Co2(Fe1-xMnx)Si
等Co占據(jù)A位置的A2BC型full-Heusler合金材料，厚度約為2～20納米；從底層往上第三層為金屬鉭保護(hù)層，厚度約為3～10納米。
文檔編號H01L43/10GK101840993SQ20101016888
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者黨文龍, 姜勇, 張德林, 張欣, 徐曉光, 李智, 王義虎, 苗君, 陳興武 申請人:北京科技大學(xué)