具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n‑Si异质结构及制备方法

摘要

本发明涉及一种具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n‑Si异质结构及制备方法。在室温条件下，以Si为基底，溅射电流为0.02A，溅射电压为975V，CoFeB薄膜的厚度为160nm时，CoFeB/SiO2/n‑Si异质结构具有大的磁电阻效应。Si基底晶格排列有序，CoFeB薄膜晶格排列无序，SiO2层厚度为2.5nm，界面两侧干净尖锐；电阻随温度的升高呈现先减小后增大的趋势；在200K温度和50kOe磁场下，磁电阻高达2300％。本发明所采用的磁控溅射法，与分子束外延法和化学方法相比，在工业化生产上具有明显优势。

权利要求

1.一种具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的制备方法，其特征是步骤如下：

1)采用真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为单面抛光的带有自然氧化层的n-Si(100)单晶片；使用两块Co40Fe40B20合金靶，安装在对靶头上，其中一头作为磁力线的N极，另一头为S极；

2)开启真空对向靶磁控溅射镀膜机真空系统，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于1×10–5Pa；

3)向真空室通入纯度为99.999％的Ar气，将真空度保持在0.35Pa；

4)开启溅射电源，在一对CoFeB靶上施加0.02A的电流和975V的直流电压，达到溅射电流和电压稳定；

5)打开基片架上的档板开始溅射；获得CoFeB薄膜的厚度为160nm；

6)溅射结束后，关闭真空系统，打开真空室，得到制备好的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是所采用的Si基底为单面刨光的n-Si(100)单晶，室温载流子浓度为6×1017cm-3，室温电阻率为0.03Ω，厚度为500μm，面积为3mm×3mm；所采用的电极为风干的银胶；所采用电输运测量模式为电流垂直于膜面；所施加磁场的方向垂直于膜面。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是真空对向靶磁控溅射镀膜机采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是Co40Fe40B20合金靶纯度为99.5％，靶材厚度为

3.5mm，直径为60mm；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与放有Si基底材料的基片架之间的距离为80mm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是Ar气的流量为100sccm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是CoFeB薄膜的沉积时间为60分钟。

7.如权利要求1所述的方法，其特征是溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar，完全打开闸板阀，继续抽真空，20分钟后关闭抽气系统。

说明书

具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构及制备方法

技术领域

[0001] 本发明专利涉及一种具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构及制备方法。更具体地，是一种具有较大低温磁电阻效应的异质结构的制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，由于在磁信息存储和读取方面的巨大应用前景，自旋电子学材料备受关注。2007年，诺贝尔物理学奖授予了自旋电子学的开创者Albert Fert和Peter Grünberg两位教授。磁电阻效应，如巨磁电阻效应(GMR)、隧道型磁电阻效应(TMR)等，均与材料的自旋极化率相关。从应用角度出发，如何获取高磁电阻效应仍然是自旋电子学领域的热点问题之一。

[0003] CoFeB薄膜具有比普通铁磁金属Fe、Co更高的自旋极化率，居里温度在室温以上，是一种重要的铁磁性电极材料，广泛地应用在磁性隧道结和自旋转移矩器件中，在自旋电子学中占有重要地位。Si是当前微电子学器件的基础材料，具有较低的自旋轨道耦合强度，电子在Si中的自旋扩散长度要大于其它化合物半导体。此外，Si表面自然氧化的SiO2层能够减小铁磁性电极与Si的电导失陪度，提高自旋注入效率。

[0004] 目前，国际上尚无研究CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的制备及其磁电阻效应，以CoFeB薄膜为电极的磁性隧道结测得的隧穿磁电阻最高不到1144％[APPLIED PHYSICS LETTERS 93,082508(2008)；NATURE MATERIALS 9,721(2010)]。另外，实际应用中多以薄膜材料为主，制备方法多采用溅射法。本发明专利通过大量的实验研究，采用对向靶磁控溅射法制备了CoFeB/SiO2/n-Si异质结构，并获得了2300％的磁电阻。

发明内容

[0005] 从工业化生产角度看，需要使用磁控溅射法来制备薄膜样品；从实际应用角度看，需要制备的样品具有较高的磁电阻效应。本发明即从以上两个目的出发，开发了对向靶磁控溅射法制备CoFeB/SiO2/n-Si异质结构，并且观察到大的磁电阻效应，在200K温度和50kOe磁场下，磁电阻高达2300％。

[0006] 一种具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的制备方法，其步骤如下：

[0007] 1)采用真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为单面抛光的带有自然氧化层的n-Si(100)单晶片；使用两块Co40Fe40B20合金靶，安装在对靶头上，其中一头作为磁力线的N极，另一头为S极；

[0008] 2)开启真空对向靶磁控溅射镀膜机真空系统，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于1×10–5Pa；

[0009] 3)向真空室通入纯度为99.999％的Ar气，将真空度保持在0.35Pa；

[0010] 4)开启溅射电源，在一对CoFeB靶上施加0.02A的电流和975V的直流电压，达到溅射电流和电压稳定；

[0011] 5)打开基片架上的档板开始溅射；获得CoFeB薄膜的厚度为160nm；

[0012] 6)溅射结束后，关闭真空系统，打开真空室，得到制备好的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构。

[0013] 所采用的Si基底为单面刨光的n-Si(100)单晶，室温载流子浓度为6×1017cm-3，室温电阻率为0.03Ω，厚度为500μm，面积为3mm×3mm；所采用的电极为风干的银胶；所采用电输运测量模式为电流垂直于膜面；所施加磁场的方向垂直于膜面。

[0014] 优选真空对向靶磁控溅射镀膜机采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机。

[0015] 优选Co40Fe40B20合金靶纯度为99.5％，靶材厚度为3.5mm，直径为60mm；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与放有Si基底材料的基片架之间的距离为80mm。

[0016] 优选Ar气的流量为100sccm。

[0017] CoFeB薄膜的沉积时间为60分钟。

[0018] 溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar，完全打开闸板阀，继续抽真空，20分钟后关闭抽气系统；

[0019] 本发明通过大量的实验研究，包括改变实验过程中的溅射电流、溅射电压和薄膜厚度，在室温条件下，以Si为基底，制备不同厚度的非晶CoFeB薄膜。最后发现只有在溅射电流为0.02A，溅射电压为975V，CoFeB薄膜的厚度为160nm时，CoFeB/SiO2/n-Si异质结构具有大的磁电阻效应。

[0020] 本发明所涉及的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构在半导体自旋电子学器件上具有应用价值，例如可以作为磁场控制的开关、磁场敏感器、自旋二极管等，并且本发明采用的磁控溅射法是工业上生产薄膜材料的常用方法，具有靶材选择简单和靶材使用率较高等优点。

[0021] 为确认本发明最佳的实施方案，我们对本发明所制备的异质结构进行了高分辨率透射电子显微镜表征和电输运特性的测量。

[0022] 从本发明中制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的高分辨率透射电子显微镜图像上可以看到，Si基底晶格排列有序，CoFeB薄膜晶格排列无序，SiO2层厚度为2.5nm，界面两侧干净尖锐，如图1所示。

[0023] 本发明中测量CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的电输运测量的电路示意图，如图2所示。测量模式为电流垂直于膜面。

[0024] 本发明中制备CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的伏安特性曲线，如图3所示。其中测量温度为350K。从图3中可以看出，伏安特性曲线呈现出反向二极管整流特性。

[0025] 从本发明中制备CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的电阻随温度的变化关系图中可以看出，电阻随温度的升高呈现先减小后增大的趋势，如图4所示。

[0026] 本发明测量了CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的磁电阻随温度的变化关系，磁场方向垂直于膜面，磁场大小为50kOe。从测量结果上可以看出，磁电阻随温度的升高呈现先增加后减小的趋势，磁电阻在200K时达到峰值，大小为2300％，如图5所示。

[0027] 与其它方法制备的铁磁性金属/半导体异质结构的方法相比，本发明所制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构具有大的磁电阻效应，所采用的方法简单实用，有利于在工业生产上的推广。具体如下：

[0028] 1)国际上虽然有CoFeB薄膜制备和磁电阻测量的报道，但大多集中在将CoFeB薄膜作为磁性隧道结的电极，其隧穿磁电阻最高为1144％。我们制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的磁电阻高达2300％；

[0029] 2)由于目前工业化生产所采用的主要方法是溅射法，本发明所采用的磁控溅射法，与分子束外延法和化学方法相比，在工业化生产上具有明显优势。

附图说明

[0030] 图1本发明中制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的高分辨率透射电子显微镜图像。

[0031] 图2本发明中制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的电输运测量的电路示意图。

[0032] 图3本发明制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的伏安特性曲线，测量温度为350K。

[0033] 图4本发明制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的电阻随温度的变化关系，施加的电流为1.25μA。

[0034] 图5本发明制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的磁电阻随温度的变化关系，施加的电流为1.25μA。

具体实施方式

[0035] 根据我们对本发明中所制备的样品进行的结构和性质分析结果，下面将对向靶磁控溅射法制备CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的最佳实施方式进行详细地说明：

[0036] 1)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为单面抛光的带有自然氧化层的n-Si(100)单晶片。使用两块纯度为99.5％的Co40Fe40B20合金靶，安装在对靶头上，其中一头作为磁力线的N极，另一头为S极；靶材厚度为3.5mm，直径为60mm；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与放有Si基底材料的基片架之间的距离为80mm；

[0037] 2)首先，将洗净的n-Si(100)单晶片放到基片架上，放到挡板后面，并关闭真空室；

[0038] 3)开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机真空系统，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于1×10–5Pa；

[0039] 4)向真空室通入纯度为99.999％的Ar气，将真空度保持在0.35Pa，其中Ar气的流量为100sccm；

[0040] 5)开启溅射电源，在一对CoFeB靶上施加0.02A的电流和975V的直流电压，预 溅射5分钟，等溅射电流和电压稳定；

[0041] 6)打开基片架上的档板开始溅射，沉积CoFeB薄膜过程中，n-Si(100)单晶片位置固定，基片架不需加热；

[0042] 7)CoFeB薄膜的沉积时间为60分钟，获得CoFeB薄膜的厚度为160nm；

[0043] 8)溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar，完全打开闸板阀，继续抽真空，20分钟后关闭抽气系统；

[0044] 9)关闭真空系统，打开真空室，取出制备好的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构样品。

[0045] 制备的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的高分辨率透射电子显微镜图像如图1所示，Si基底晶格排列有序，CoFeB薄膜晶格排列无序，SiO2层厚度为2.5nm，界面两侧干净尖锐；测量CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的电输运测量的电路示意图，如图2所示。测量模式为电流垂直于膜面。制备CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的伏安特性曲线，如图3所示；其中测量温度为350K，伏安特性曲线呈现出反向二极管整流特性。制备CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的电阻随温度的变化关系图如图4所示，电阻随温度的升高呈现先减小后增大的趋势；CoFeB/SiO2/n-Si异质结构的磁电阻随温度的变化关系如图5所示，磁场方向垂直于膜面，磁场大小为
50kOe；从测量结果上可以看出，磁电阻随温度的升高呈现先增加后减小的趋势，磁电阻在
200K时达到峰值，大小为2300％。

[0046] 本发明公开和提出的具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构及制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。