一种由磁相转变驱动的隧道磁电阻器件

摘要

本发明公开了一种由磁相转变驱动的隧道磁电阻器件。所述隧道磁电阻器件包括依次叠加的基片、底电极、隧穿层和顶电极；所述底电极具有铁磁相变；所述底电极的材质为Fe‑Rh合金或Fe‑Ga合金；所述底电极的厚度大于3nm；所述底电极和所述隧穿层之间还设有插入层；所述插入层的材质为顺磁性金属。本发明利用隧穿层一侧的具有铁磁相变的金属制备隧道磁电阻器件，通过利用铁磁相变中金属态密度的较大变化，使隧道磁电阻器件在室温下实现10％以上的磁电阻效应；并可通过界面插入层的厚度来调控器件磁阻值的极性和大小。

权利要求

1.一种由磁相转变驱动的隧道磁电阻器件，包括依次叠加的基片、底电极、隧穿层和顶电极；其特征在于：所述底电极具有铁磁相变，材质为α-FeRh合金或FeGa3；

所述底电极的厚度大于3nm；

所述隧穿层的材质为MgO或Al2O3；

所述隧穿层的厚度为1.5 nm 3 nm；

~

所述底电极和所述隧穿层之间还设有插入层；

所述插入层的材质为顺磁性金属，所述顺磁性金属为γ-FeRh；

所述插入层的厚度为0.2 nm 1.2 nm；

~

由所述MgO构成的所述隧穿层采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法制备；

由所述Al2O3构成的所述隧穿层采用下述任意一种方法制备：磁控溅射、电子束蒸镀、Al的等离子体氧化和Al自然氧化；

所述顶电极的材质为γ-FeRh、Pt或Ta；

所述基片为单晶MgO。

说明书

一种由磁相转变驱动的隧道磁电阻器件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种由磁相转变驱动的隧道磁电阻器件，属于磁电技术领域。

背景技术

[0002] 隧道各向异性磁电阻效应是自旋电子学中一种非常重要的物理现象，主要是描述在单磁层的隧穿结构中产生的磁电阻效应。与传统的由两层铁磁半导体中插入隧穿势垒层构成的隧道结不同，这种依靠单磁层中强的轨道耦合作用实现自旋极化电流的注入和探测的器件更有利于器件的简化与控制，同时其所展现的丰富的物理学现象及潜在的应用价值，开辟了自旋电子学研究的一个新分支。自从2004年该现象在(Ga,Mn)As/alumina/Au体系中发现以来，激起了人们广泛的研究兴趣。然而到目前为止，单铁磁层的隧道磁电阻器件都是通过磁矩方向的改变诱导态密度发生变化，进而产生磁电阻效应；且对应的磁电阻效应只能在低温下实现，限制其实用化进程。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种隧道磁电阻器件，其能通过磁相转变诱导态密度发生转变，进而产生磁电阻效应。

[0004] 本发明所提供的一种由磁相转变驱动的隧道磁电阻器件，包括依次叠加的基片、底电极、隧穿层和顶电极；所述底电极具有铁磁相变。

[0005] 所述的隧道磁电阻器件中，所述底电极的材质可为Fe-Rh合金或Fe-Ga合金；

[0006] 所述Fe-Rh合金具体可为α-FeRh合金；

[0007] 所述Fe-Ga合金具体可为FeGa3。

[0008] 所述的隧道磁电阻器件中，所述底电极的厚度大于3nm，如30nm，以确保具有良好的铁磁相变。

[0009] 所述的隧道磁电阻器件中，所述底电极和所述隧穿层之间还设有插入层；

[0010] 所述插入层的材质为顺磁性金属，具体可为γ-FeRh。

[0011] 所述的隧道磁电阻器件中，所述插入层的厚度可为0.2nm～1.2nm，即0.5到3个原子层的厚度；

[0012] 所述插入层的厚度影响所述隧道磁电阻器件的极性和大小，如当插入层γ-FeRh的厚度为0.2nm，随着磁场从0T到9T再到0T，测试得到的电阻变化为低阻态(0T)→高阻态(9T)→低阻态(0T)；而当插入层γ-FeRh的厚度为0.4nm，测试得到的电阻变化为高阻态(0T)→低阻态(9T)→高阻态(0T)，可见磁电阻极性变化的原因在于α-FeRh与MgO的界面态密度变化受到γ-FeRh厚度的影响；

[0013] 当插入层γ-FeRh的厚度为0.2nm时，所测磁电阻值约为3％，当插入层γ-FeRh的厚度为0.4nm时，所测磁电阻约为-3％，当插入层γ-FeRh的厚度为0.8～1.2nm，磁电阻效应几乎消失，可见插入层的厚度影响了磁电阻值。

[0014] 所述的隧道磁电阻器件中，所述隧穿层的厚度可为1.5nm～3nm；

[0015] 所述隧穿层的材质可为MgO或Al2O3；

[0016] 所述隧穿层的厚度可为1.5nm～3nm。

[0017] 所述的隧道磁电阻器件中，由所述MgO构成的所述隧穿层采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法制备；

[0018] 由所述Al2O3构成的所述隧穿层采用下述任意一种方法制备：磁控溅射、电子束蒸镀、Al的等离子体氧化和Al自然氧化。

[0019] 所述的隧道磁电阻器件中，所述顶电极的材质可为γ-FeRh、Pt或Ta。

[0020] 所述的隧道磁电阻器件中，所述基片可为单晶MgO，如晶向为(100)的单晶。

[0021] 采用现有方法在所述基片上依次沉积所述底电极、所述隧穿层和上述顶电极或者依次沉积所述底电极、所述插入层、所述隧穿层和所述顶电极即得到所述隧道磁电阻器件。

[0022] 将制备得到的上述隧道磁电阻器件紫外曝光、氩离子刻蚀结合金属剥离法的工艺2 2
将多层膜加工成尺寸为5×3μm～100×60μm的隧道结，从底电极和顶电极各引出两根导线进行磁阻的测试。

[0023] 本发明利用隧穿层一侧的具有铁磁相变的金属制备隧道磁电阻器件，通过利用铁磁相变中金属态密度的较大变化，使隧道磁电阻器件在室温下实现10％以上的磁电阻效应；并可通过界面插入层的厚度来调控器件磁阻值的极性和大小。

附图说明

[0024] 图1为本发明实施例1制备的α-FeRh(底电极)/MgO(隧穿层)/γ-FeRh(顶电极)多层膜的电镜照片。

具体实施方式

[0025] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

[0026] 下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

[0027] 实施例1、制备MgO/α-FeRh/MgO/γ-FeRh结构的磁隧道结

[0028] 在单晶MgO(100)基片上采用磁控溅射的方式沉积α-FeRh(底电极)/MgO(隧穿层)/γ-FeRh(顶电极)多层膜结构，即本发明具有铁磁相变的金属制备隧道磁电阻器件。该多层膜结构中，α-FeRh在室温为反铁磁，α-FeRh层的厚度为30nm，隧穿层MgO的厚度为2.7nm，γ-FeRh的厚度为10nm。如图1所示的电镜照片可以看出，所制备的多层膜界面清晰平整，且为外延生长。随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀结合金属剥离法的工艺将多层膜加工成尺寸为5×3μm2～100×60μm2(20×10μm2)的隧道结，从底电极(α-FeRh)和顶电极(γ-FeRh)各引出两根导线进行磁阻的测试。

[0029] 室温(300K)下PPMS(综合物理性能测试系统)磁阻测试结果表明，随着磁场从0T到9T再到0T，测试得到的电阻变化为低阻态(0T)→高阻态(9T)→低阻态(0T)。上述现象的出现主要是由于磁场驱动了α-FeRh的反铁磁到铁磁的相转变，使得态密度发生了较大变化。

[0030] 采用多功能物性测量系统(PPMS)测得该隧道结的室温下的磁电阻值为20％。

[0031] 实施例2、制备MgO/α-FeRh/γ-FeRh/MgO/γ-FeRh结构的磁隧道结[0032] 在单晶MgO(100)片上采用磁控溅射的方式沉积α-FeRh(底电极)/γ-FeRh(插入层)/MgO(隧穿层)/γ-FeRh(顶电极)多层膜结构，即本发明具有铁磁相变的金属制备隧道磁电阻器件。该多层膜结构中α-FeRh在室温为反铁磁，α-FeRh层的厚度为30nm，插入层γ-FeRh的厚度为0.2～1.2nm，隧穿层MgO的厚度为2.7nm，顶电极γ-FeRh的厚度为10nm。所制备的多层膜界面清晰平整，且为外延生长。随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀结合金属剥离法的工艺将多层膜加工成尺寸为20×10μm2的隧道结，从底电极(α-FeRh)和顶电极(γ-FeRh)各引出两根导线进行磁阻的测试。

[0033] 室温下PPMS磁阻测试结果表明，当插入层γ-FeRh的厚度为0.2nm，随着磁场从0T到9T再到0T，测试得到的电阻变化为低阻态(0T)→高阻态(9T)→低阻态(0T)；而当插入层γ-FeRh的厚度为0.4nm，测试得到的电阻变化为高阻态(0T)→低阻态(9T)→高阻态(0T)。产生磁电阻极性变化的原因在于α-FeRh与MgO的界面态密度变化受到插入层γ-FeRh厚度的影响。

[0034] 采用多功能物性测量系统(PPMS)测试，当插入层γ-FeRh的厚度为0.2nm时，磁电阻值约为3％；当插入层γ-FeRh的厚度为0.4nm时，磁电阻约为-3％；当插入层γ-FeRh的厚度为0.8～1.2nm，磁电阻效应几乎消失。