[發(fā)明專利]基于超順磁性薄膜的隧穿磁電阻效應(yīng)磁敏傳感器

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• 申請(qǐng)日: 2021-03-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113075596A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙建華;趙旭鵬;秦紅蕊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): G01R33/09
• 分類號(hào): G01R33/09
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 孫蕾

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于超順磁性薄膜的隧穿磁電阻效應(yīng)磁敏傳感器及其制備方法，該隧穿磁電阻效應(yīng)磁敏傳感器包括：襯底；平滑層，設(shè)置在襯底上；探測(cè)磁性層，設(shè)置在平滑層上，其中，探測(cè)磁性層為具有超順磁性的薄膜；勢(shì)壘層，設(shè)置在探測(cè)磁性層上；參考磁性層，設(shè)置在勢(shì)壘層上，其中，參考磁性層為具有磁各向異性的薄膜；覆蓋層，設(shè)置在參考磁性層上，形成磁性多層膜結(jié)構(gòu)，其中，覆蓋層用于保護(hù)磁性多層膜結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自旋電子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超順磁性薄膜的隧穿磁電阻效應(yīng)磁敏傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

高性能的磁敏傳感器在諸多尖端領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，例如可應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、汽車、數(shù)控機(jī)床、家用電器和金融安全等。根據(jù)探測(cè)原理的不同，可以將目前大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的磁敏傳感器分為不同類別，包括霍爾傳感器、各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)傳感器、巨磁電阻(GMR)效應(yīng)和隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)傳感器。半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)磁敏傳感器和各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)磁敏傳感器是發(fā)展較早的兩種磁電阻式磁敏傳感器，目前已得到大規(guī)模應(yīng)用。然而，這兩種磁敏傳感器的探測(cè)靈敏度較低，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。隨著自旋電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，巨磁電阻(GMR)效應(yīng)以及隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)先后被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于磁敏傳感器領(lǐng)域。值得一提的是，TMR磁敏傳感器兼具較低的低頻噪聲、小尺寸和高靈敏度等顯著優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景，是新一代高性能磁傳感器的重要發(fā)展方向。

磁傳感器領(lǐng)域的核心問(wèn)題是如何解決磁傳感器器件對(duì)外磁場(chǎng)的線性和可逆響應(yīng)。目前主要通過(guò)以下幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括加縱向偏置場(chǎng)、采用超順磁性層和反鐵磁磁性釘扎。其中，加縱向偏置場(chǎng)主要利用采用埋入永磁薄膜的方法使得自旋閥結(jié)構(gòu)中的自由層(即對(duì)外磁場(chǎng)敏感的層)與參考層(即被釘扎層)的磁矩實(shí)現(xiàn)90度垂直夾角。而反鐵磁磁性釘扎則是利用反鐵磁材料對(duì)磁性材料的磁性釘扎所用，并且需要引入兩次退火過(guò)程。這兩種方法大大增加了工藝難度和制造成本，而且很難將器件小型化。

將探測(cè)磁性層材料選用超順磁材料可以解決上述難題。由于超順磁性薄膜的磁矩在零場(chǎng)附近正比于外部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此可以使磁性隧道結(jié)器件的隧穿磁電阻信號(hào)對(duì)外磁場(chǎng)線性響應(yīng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備工藝成熟和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)進(jìn)行可逆線性響應(yīng)，本發(fā)明提供了一種基于超順磁性薄膜的隧穿磁電阻效應(yīng)磁敏傳感器及其制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于超順磁性薄膜的隧穿磁電阻效應(yīng)磁敏傳感器，該隧穿磁電阻效應(yīng)磁敏傳感器包括：襯底；平滑層，設(shè)置在襯底上；探測(cè)磁性層，設(shè)置在平滑層上，其中，探測(cè)磁性層為具有超順磁性的薄膜；勢(shì)壘層，設(shè)置在探測(cè)磁性層上；參考磁性層，設(shè)置在勢(shì)壘層上，其中，參考磁性層為具有磁各向異性的薄膜；覆蓋層，設(shè)置在參考磁性層上，形成磁性多層膜結(jié)構(gòu)，其中，覆蓋層用于保護(hù)磁性多層膜結(jié)構(gòu)。

可選地，襯底可以包括GaAs、Si、SiO₂、MgO、藍(lán)寶石或SiC中的一種。

可選地，平滑層可以包括GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、CoGa或Pd中的一種，厚度范圍在5～200nm之間。

可選地，探測(cè)磁性層可以包括Mn(Ga)As：GaAs顆粒膜，厚度范圍在10～100nm之間。

可選地，勢(shì)壘層可以包括MgO、AlAs或Cu中的一種，厚度范圍在0.5～5nm之間。

可選地，參考磁性層可以包括Fe、Co、CoFe、Co₂MnSi或Co₂FeAl中的一種，厚度范圍在2～10nm之間。

可選地，覆蓋層可以包括Pt、Ta、Al或Pd中的一種，厚度范圍在1～3nm之間。