[發明專利]具有大磁電阻效應的CoFeB/SiO2/n?Si異質結構及制備方法

有效

• 申請號: 201610279012.1
• 申請日: 2016-04-27
• 公開（公告）號: CN105845314B
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 米文博;張巖
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01F10/16
• 分類號: H01F10/16;H01F41/18;C23C14/35;C23C14/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發明專利涉及一種具有大磁電阻效應的CoFeB/SiO₂/n-Si異質結構及制備方法。更具體地，是一種具有較大低溫磁電阻效應的異質結構的制備方法。

背景技術

近年來，由于在磁信息存儲和讀取方面的巨大應用前景，自旋電子學材料備受關注。2007年，諾貝爾物理學獎授予了自旋電子學的開創者Albert Fert和Peter Grünberg兩位教授。磁電阻效應，如巨磁電阻效應(GMR)、隧道型磁電阻效應(TMR)等，均與材料的自旋極化率相關。從應用角度出發，如何獲取高磁電阻效應仍然是自旋電子學領域的熱點問題之一。

CoFeB薄膜具有比普通鐵磁金屬Fe、Co更高的自旋極化率，居里溫度在室溫以上，是一種重要的鐵磁性電極材料，廣泛地應用在磁性隧道結和自旋轉移矩器件中，在自旋電子學中占有重要地位。Si是當前微電子學器件的基礎材料，具有較低的自旋軌道耦合強度，電子在Si中的自旋擴散長度要大于其它化合物半導體。此外，Si表面自然氧化的SiO₂層能夠減小鐵磁性電極與Si的電導失陪度，提高自旋注入效率。

目前，國際上尚無研究CoFeB/SiO₂/n-Si異質結構的制備及其磁電阻效應，以CoFeB薄膜為電極的磁性隧道結測得的隧穿磁電阻最高不到1144％[APPLIED PHYSICS LETTERS 93,082508(2008)；NATURE MATERIALS 9,721(2010)]。另外，實際應用中多以薄膜材料為主，制備方法多采用濺射法。本發明專利通過大量的實驗研究，采用對向靶磁控濺射法制備了CoFeB/SiO₂/n-Si異質結構，并獲得了2300％的磁電阻。

發明內容

從工業化生產角度看，需要使用磁控濺射法來制備薄膜樣品；從實際應用角度看，需要制備的樣品具有較高的磁電阻效應。本發明即從以上兩個目的出發，開發了對向靶磁控濺射法制備CoFeB/SiO₂/n-Si異質結構，并且觀察到大的磁電阻效應，在200K溫度和50kOe磁場下，磁電阻高達2300％。

一種具有大磁電阻效應的CoFeB/SiO₂/n-Si異質結構的制備方法，其步驟如下：

1)采用真空對向靶磁控濺射鍍膜機，基底材料為單面拋光的帶有自然氧化層的n-Si(100)單晶片；使用兩塊Co₄₀Fe₄₀B₂₀合金靶，安裝在對靶頭上，其中一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；

2)開啟真空對向靶磁控濺射鍍膜機真空系統，先后啟動一級機械泵和二級分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度優于1×10^–5Pa；

3)向真空室通入純度為99.999％的Ar氣，將真空度保持在0.35Pa；

4)開啟濺射電源，在一對CoFeB靶上施加0.02A的電流和975V的直流電壓，達到濺射電流和電壓穩定；

5)打開基片架上的檔板開始濺射；獲得CoFeB薄膜的厚度為160nm；

6)濺射結束后，關閉真空系統，打開真空室，得到制備好的CoFeB/SiO₂/n-Si異質結構。

所采用的Si基底為單面刨光的n-Si(100)單晶，室溫載流子濃度為6×10¹⁷cm^-3，室溫電阻率為0.03Ω，厚度為500μm，面積為3mm×3mm；所采用的電極為風干的銀膠；所采用電輸運測量模式為電流垂直于膜面；所施加磁場的方向垂直于膜面。

優選真空對向靶磁控濺射鍍膜機采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-III型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機。

優選Co₄₀Fe₄₀B₂₀合金靶純度為99.5％，靶材厚度為3.5mm，直徑為60mm；兩個靶之間的距離為80mm，靶的軸線與放有Si基底材料的基片架之間的距離為80mm。

優選Ar氣的流量為100sccm。

CoFeB薄膜的沉積時間為60分鐘。

濺射結束后，關閉基片架上的檔板，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar，完全打開閘板閥，繼續抽真空，20分鐘后關閉抽氣系統；