[發明專利]一種基于多層交換偏置結構的各向異性磁電阻

有效

• 申請號: 201810978419.2
• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號: CN109166690B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 唐曉莉;陳敏;杜偉;蘇樺
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01F10/14
• 分類號: H01F10/14;H01F41/18;H01L43/08
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種基于多層交換偏置結構的各向異性磁電阻，屬于磁性材料與元器件技術領域。所述磁電阻包括基片，以及依次形成于基片之上的緩沖層薄膜、第一反鐵磁層/[鐵磁層/第二反鐵磁層]n的多層薄膜和覆蓋層薄膜，n≥2。本發明提供的各向異性磁電阻在控制磁性層總厚度的情況下，將每層鐵磁層減薄到100nm以下，可在反鐵磁層/鐵磁層/反鐵磁層中獲得交換偏置場，進而提升整體薄膜的各向異性場，從而實現對基于各向異性磁電阻效應的傳感器磁場探測區間的拓展。并且，由于交換偏置場的大小與鐵磁層的厚度呈反比，因而可以在控制鐵磁層總厚度的情況下，通過調整重復周期n，獲得不同的交換偏置場和各向異性場，方便的實現不同磁場探測區間的獲得。

技術領域

本發明屬于磁性材料與元器件技術領域，具體涉及一種采用多層交換偏置結構實現各向異性磁電阻效應的薄膜及其制備方法。

背景技術

各向異性磁電阻效應(AMR,Anisotropic Magnetoresistance)是將磁性材料的導電特性與其磁化狀態相關聯，由磁化強度的方向相對于電流而改變引起的電阻變化。各向異性磁電阻的大小R滿足：R＝R₀+ΔRcos²θ(R₀：零磁場下的電阻值；ΔR：各向異性磁阻最大變化值；θ：電流方向與磁性層磁化方向的夾角)，也就是當磁性材料的磁矩與電流的夾角變化時，材料的電阻也隨之變化。因此，基于該各向異性磁電阻效應，已構造了多類磁傳感器，是目前磁傳感器家族中應用最廣泛的一種效應。

在目前實現各向異性磁電阻效應的材料選擇方面，一般選用Co、Ni、Fe等金屬磁性材料及它們的合金，將它們鍍制成幾十～幾百nm厚的薄膜獲得各向異性磁電阻效應，作為傳感層。在利用該效應進行線性磁傳感及探測時，探測磁場加于磁性薄膜的難軸方向(難軸一般為傳感薄膜的短軸方向)。由于當磁場大小沿難軸變化時，磁矩隨外磁場大小的變化呈現線性響應，對應獲得的磁阻變化也是線性的，因此可以實現對外磁場的線性探測。而利用該方法進行探測時，可探測的磁場范圍由構成傳感層的磁性薄膜的各向異性場決定，其大小小于各向異性場。而各向異性場大小Hk粗略的可由沿易軸(易軸一般為傳感薄膜的長軸方向)及沿難軸(難軸一般為傳感薄膜的短軸方向)測試的磁滯回線交點所確定，如圖1所示，其所對應的各向異性磁電阻測試圖如圖2所示，由圖可見可探測磁場的范圍確實小于各向異性場。但是目前利用Co、Ni、Fe等金屬磁性材料及它們的合金形成的磁性材料薄膜所獲得的Hk受制于金屬磁性材料本身的性能，Hk大小一般20Gs，因此目前商業化的各向異性磁電阻效應所制備的磁傳感器其對磁場的線性探測范圍也局限于20Gs的磁場范圍內。因此，如需探測更大的磁場(20Gs)，目前暫時就不能選用各向異性磁電阻效應。

發明內容

本發明針對背景技術存在的缺陷，提出了一種基于多層交換偏置結構的各向異性磁電阻結構，如圖3所示。本發明磁電阻薄膜利用鐵磁層/反鐵磁層材料所形成的交換偏置效應，在保證各向異性磁電阻效應的基礎上，提高了薄膜整體的Hk，實現了大于20Gs磁場范圍的探測。

本發明的技術方案如下：

一種基于多層交換偏置結構的各向異性磁電阻，其特征在于，所述磁電阻包括基片，以及依次形成于基片之上的緩沖層薄膜、第一反鐵磁層/[鐵磁層/第二反鐵磁層]n的多層薄膜和覆蓋層薄膜，其中，n≥2。

進一步地，所述緩沖層薄膜為Ta、Cu等。

進一步地，所述第一反鐵磁層和第二反鐵磁層的材料為FeMn、NiMn、IrMn、PtMn等，所述第一反鐵磁層和第二反鐵磁層的厚度為5～20nm(為能產生交換偏置效應的常規厚度)，所述第一反鐵磁層和第二反鐵磁層可選用相同或不同的反鐵磁材料及厚度，但為了方便制備及性能控制，建議選用相同反鐵磁材料及厚度。

進一步地，所述鐵磁層的材料為Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金等，單層鐵磁層的厚度應100nm，(鐵磁層厚度過厚將無交換偏置效應)，n×單層鐵磁層的總厚度控制在100～300nm(可獲得AMR效應的最佳鐵磁層厚度區域)。