[發(fā)明專利]一種巨磁電阻磁單極開關(guān)傳感器

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202010594967.2
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111769192A
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐曉莉;李光耀;姜杰
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué);上海麥歌恩微電子股份有限公司
• 主分類號: H01L43/02
• 分類號: H01L43/02;H01L43/08;H01L43/10;G01D5/14;G01R33/09
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發(fā)明屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及磁傳感技術(shù)，具體為一種巨磁電阻磁單極開關(guān)傳感器，利用雙釘扎結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁單極開關(guān)傳感器的方法。本發(fā)明將存儲領(lǐng)域的雙釘扎自旋閥結(jié)構(gòu)作為傳感單元，利用其雙交換偏置的交換偏置場可以較大范圍調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，替代現(xiàn)有技術(shù)中采用的只能較小范圍改變的耦合場，使基于巨磁電阻實(shí)現(xiàn)的磁單極開關(guān)更加容易設(shè)計以及滿足更大開關(guān)場應(yīng)用的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及磁傳感技術(shù)，具體為一種巨磁電阻磁單極開關(guān)傳感器，利用雙釘扎結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁單極開關(guān)傳感器的方法。

背景技術(shù)

巨磁電阻是一種在磁多層膜中，通過外磁場調(diào)制磁性層取向，獲得電阻隨外磁場變化的效應(yīng)。一般情況下，當(dāng)各磁性層磁矩平行時整個體系呈現(xiàn)低電阻，而當(dāng)磁性層磁矩反平行時整個體系呈現(xiàn)高電阻。

其中自旋閥結(jié)構(gòu)是一種常見的可以獲得巨磁電阻效應(yīng)的結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)為鐵磁層1(自由層)/隔離層/鐵磁層2(固定層)/反鐵磁層。在該結(jié)構(gòu)中，在外場作用下鐵磁層1的磁矩隨外場轉(zhuǎn)動，稱為自由層；而鐵磁2由于被反鐵磁材料釘扎，只有當(dāng)外磁場大于反鐵磁層對鐵磁層2的釘扎場時，其磁矩才會轉(zhuǎn)動，因而被稱為固定層。

當(dāng)巨磁電阻自旋閥結(jié)構(gòu)應(yīng)用于單極開關(guān)時，一般采用四端惠斯通電橋形式，為產(chǎn)生單極開關(guān)響應(yīng)，需要將一組對應(yīng)橋臂的電阻做磁屏蔽，如圖1所示，對磁阻單元R2、R3進(jìn)行磁屏蔽，使其不產(chǎn)生對外場的響應(yīng)。

另外，為使開關(guān)場均為正(單極)，一般采用控制隔離層厚度在1.8-2.5nm之間，使鐵磁層1與鐵磁層2呈耦合狀態(tài)，該耦合場使鐵磁層1的磁滯回線偏離零場，不相對于零場對稱，此時該結(jié)構(gòu)的磁電阻曲線將如圖2所示。其中磁單極開關(guān)的開、關(guān)場Bop和Brp對應(yīng)的為鐵磁層1的翻轉(zhuǎn)場，其值遠(yuǎn)小于反鐵磁層對鐵磁層2的交換偏置場，因此鐵磁層2的磁矩在開關(guān)場作用下不會發(fā)生改變。當(dāng)外加磁場大于Bop時，鐵磁層1的磁矩沿外磁場，與鐵磁層2磁矩呈現(xiàn)反平行，獲得一大電阻對應(yīng)的開啟狀態(tài)；而當(dāng)外加磁場小于Brp時，鐵磁層1的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，與鐵磁層2磁矩呈現(xiàn)平行，獲得一小電阻對應(yīng)的關(guān)斷狀態(tài)。由于鐵磁層1與鐵磁層2的耦合場大小隨隔離層厚度調(diào)控，其變化范圍20Oe，因此采用該種方法開關(guān)場只能在小磁場范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，造成開關(guān)場的可調(diào)范圍較小。

而隨著對高開關(guān)場磁傳感單元需求的提升，目前的巨磁電阻單極開關(guān)的開關(guān)場已幾乎達(dá)到飽和，不能再提高，使其應(yīng)用受限制。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在問題或不足，為解決現(xiàn)有自旋閥結(jié)構(gòu)磁單極開關(guān)傳感器的開關(guān)場不能滿足更大開關(guān)場應(yīng)用需求的問題，本發(fā)明提供了一種巨磁電阻磁單極開關(guān)傳感器，基于雙釘扎自旋閥結(jié)構(gòu)，利用交換偏置場可以較大范圍調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，替代只能較小范圍改變的耦合場，使基于巨磁電阻實(shí)現(xiàn)的磁單極開關(guān)更加容易設(shè)計以及滿足更大開關(guān)場應(yīng)用的需求。

一種巨磁電阻磁單極開關(guān)傳感器，由四個完全一致的傳感單元組成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。

所述傳感單元為長條形雙釘扎結(jié)構(gòu)磁電阻傳感單元薄膜，為從下至上依次沉積的基片/緩沖層/反鐵磁層1/鐵磁層1/隔離層/鐵磁層2/反鐵磁層2的雙釘扎結(jié)構(gòu)磁電阻傳感單元薄膜；其長短軸比為5：1～15：1，短軸的線寬為1～20μm。

在薄膜沉積過程中沿長條形雙釘扎結(jié)構(gòu)磁電阻傳感單元薄膜的長軸加上沉積磁場H，沉積磁場方向沿膜面，并且平行于長條形傳感單元的長軸方向，大小在50～1000Gs之間。使得鐵磁層1/反鐵磁層1、鐵磁層2/反鐵磁層2在薄膜沉積時將分別形成對應(yīng)的交換偏置場H1、H2，并根據(jù)應(yīng)用需要使鐵磁層1的翻轉(zhuǎn)場h1、h2對應(yīng)于傳感器所需開、關(guān)場Bop和Brp，鐵磁層2/反鐵磁層2兩層薄膜產(chǎn)生的交換偏置場H2遠(yuǎn)大于傳感器所需開關(guān)場(即H2≥10H1)。

進(jìn)一步的，所述H1、H2的大小通過鐵磁層1/2、反鐵磁層1/2的材料和厚度選擇進(jìn)行調(diào)控。