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磁性隧道结

阅读：1042发布：2021-02-08

IPRDB可以提供磁性隧道结专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及尖晶石氧化物势垒的磁性隧道结及其器件应用，磁性隧道结的势垒采用尖晶石氧化物组成。该隧道结可以是单势垒或者双势垒的结构。本发明提供的新型势垒磁性隧道结可以应用于自旋电子器件中，包括磁敏传感器、磁性随机存取存储器单元、磁逻辑器件单元、自旋晶体管和自旋场效应管。基于这些新型势垒的磁性隧道结，势垒层与磁性电极晶格失配度较低，在保持高的室温隧穿磁电阻比值的同时，偏压依赖特性比较弱，击穿电压得到提高。，下面是磁性隧道结专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种磁性隧道结，包括具有势垒层的核心多层膜结构，其特征在于：所述势垒层由具有尖晶石结构的以化学式AB2O4所表示的材料组成，厚度为0.5~5.0nm，其中A、B为金属元素。

2.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述AB2O4为MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4、MgGa2O4、MgIn2O4、ZnGa2O4、ZnIn2O4、CdAl2O4、CdGa2O4、CdIn2O4、SiCd2O4、GeMg2O4、GeZn2O4、GeCd2O4、SnMg2O4、SnZn2O4或SnCd2O4。

3.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述AB2O4为MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4或SiZn2O4。

4.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性隧道结具有单势垒或双势垒结构。

5.根据权利要求4所述的磁性隧道结，其特征在于，单势垒的磁性隧道结多层膜的结构由下至上依次包括：衬底；

缓冲层；

第一磁性层；

势垒层；

第二磁性层；

覆盖层；

其中第一磁性层和第二磁性层的矫顽力不同，调节矫顽力大小可以采用交换相互作用、形状各向异性、埋入永磁的方法。

6.根据权利要求5所述的磁性隧道结，其特征在于，所述第一磁性层和第二磁性层由铁磁性材料、半金属磁性材料或稀磁半导体材料制成，或由这些磁性材料与反铁磁材料、非磁性金属组成的复合层制成，第一磁性层和第二磁性层的厚度为1~50nm，该第一磁性层和第二磁性层的材料和厚度相同或者不同。

7.根据权利要求4所述的磁性隧道结，其特征在于，双势垒的磁性隧道结多层膜的结构由下至上依次包括：衬底；

缓冲层；

第一磁性层；

第一势垒层；

第二磁性层；

第二势垒层；

第三磁性层；

覆盖层；

其中第二磁性层比第一磁性层、第三磁性层的矫顽力要小，第一磁性层和第三磁性层的矫顽力可以相同也可以不同，调节矫顽力大小可以采用交换相互作用、形状各向异性、埋入永磁的方法。

8.根据权利要求7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述的第一、第二和第三磁性层由铁磁性材料、半金属磁性材料或稀磁半导体材料制成，或由这些磁性材料与反铁磁材料、非磁性金属组成的复合层制成，所述的第一磁性层和第三磁性层厚度为1~50nm，第二磁性层厚度为0.5~25nm，其中，三个磁性层的材料和厚度相同或不同，第一和第二势垒层的材料和厚度相同或不同。

9.根据权利要求6或8所述的磁性隧道结，其特征在于，所述铁磁性材料选自Fe、Co、Ni或者这些铁磁金属的合金薄膜；或选自Sm、Gd、Nd等稀土金属；或选自Co-Fe、Co-Fe-B、NiFeCr、Co-Fe-Si-B、Gd-Y或Ni-Fe；

所述的稀磁半导体材料选自Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN或ZnTe，或选自Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO2、HfO2或SnO2；

所述的半金属材料选自Fe3O4、CrO2、Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si、Co-Mn-Ge,、Co-Mn-Ga,、Co-Mn-Ge-Ga、La1-xSrxMnO3 或La1-xGaxMnO3(其中0＜x＜1）。

10.根据权利要求6或8所述的磁性隧道结，其特征在于，

所述反铁磁材料选自Ir、Fe、Rh、Ni、Pt、Pd与Mn的合金，厚度为3~30nm，或者选自氧化物CoO、NiO，厚度5~50nm。

11.根据权利要求6或8所述的磁性隧道结，其特征在于，

所述非磁性金属选自Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或它们的合金，厚度为

0.1~5nm。

12.根据权利要求5或7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述缓冲层采用导电性比较好且和衬底结合较紧密的非磁性金属层，或者采用金属和反铁磁层的复合层，厚度可为

3~50nm。

13.根据权利要求5或7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述覆盖层采用不易氧化且导电性比较好的金属层，厚度为2~40nm。

14.根据权利要求5或7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述衬底采用Si衬底、SiC、MgO、GaAs、玻璃衬底、Si-SiO2衬底、或者有机柔性衬底，厚度为0.3~1mm。

15.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性隧道结可以采用微纳加工方法或者绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩膜的方法加工成所需要的图形结构。

16.根据权利要求15所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性隧道结的图形结构为微米和纳米数量级的椭圆形、圆形或N边形，其中N为大于等于3的整数，例如为三角形、四边形、五边形、六边形、八边形等（N为大于等于3的整数）。

17.根据权利要求1所述的磁性隧道结，其特征在于，所述磁性隧道结具有实心或空心的环状结构，例如为微米和纳米数量级的实心圆形、实心椭圆形、圆环形、椭圆环形等。

18.权利要求1至17之一所述的磁性隧道结在电子器件中的应用，包括磁敏、电敏、光敏和气敏传感器、磁性随机存取存储器存储单元、磁逻辑器件单元、自旋晶体管和自旋场效应管。

19.根据权利要求5或7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述交换相互作用的方法是：通过交换相互作用控制零外磁场时磁性隧道结两磁性层磁化方向的方法；其中势垒层采用尖晶石氧化物势垒，第一和第二磁性层具有钉扎结构，其中反铁磁层钉扎包括直接钉扎结构和间接钉扎结构，直接钉扎结构包括AFM/FM，间接钉扎结构包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/NM2/FM2。

20.根据权利要求5或7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述形状各向异性方法是通过形状各向异性控制零外磁场时磁性隧道结两磁性层磁化方向的方法。

21.根据权利要求5或7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述埋入永磁的方法是通过埋入永磁偏置控制零外磁场时磁性隧道结两磁性层磁化方向的方法。

22.根据权利要求5或7所述的磁性隧道结，其特征在于，所述垂直各向异性方法是利用垂直各向异性控制零外磁场时磁性隧道结两磁性层磁化方向的方法。

说明书全文

磁性隧道结

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于尖晶石氧化物势垒的磁性隧道结，及其在自旋电子器件中的应用。

背景技术

[0002] 1988年，法国物理学家Fert领导的研究小组在Fe/Ge多层膜中发现了高达50%的巨磁电阻效应(GMR)。这种效应由于在信息领域中有巨大的潜在应用价值，一经问世便引起了磁电阻效应的研究热潮。1994年，IBM研发出利用巨磁电阻效应的读头，使硬盘存储密度2
提高17倍，达到3Gbits/in。1995年日本T.Miyazaki等人和美国J.S.Moderola等人分别在铁磁金属/Al-O绝缘势垒/铁磁金属中发现了高的室温隧穿磁电阻效应(TMR)，再次掀起了磁电阻效应的研究浪潮。目前，人们在基于MgO势垒的的磁性隧道结中已经获得室温超过600%的TMR值。这是因为对于单晶MgO(001)势垒随性隧道结，隧穿时s带多子电子（Δ1对称性，自旋向上）起主导作用，这个理论最早由Butler等人提出，并且被实验所证实。
2009年，希捷公司采用MgO磁性隧道结材料做磁头，使硬盘演示盘存储密度达到800Gbits/
2
in。

[0003] 然而，单晶MgO(001)势垒与常用铁磁金属如Fe、CoFe的晶格失配度比较大，产生界面位错和势垒缺陷，限制了磁电阻比值的进一步提高，导致磁性隧道结的不对称，偏压依赖性比较强，击穿电压降低；因此进一步寻找和制备结构缺陷更少、特别是晶格匹配度更高的新势垒材料有非常重要的科学意义。

发明内容

[0004] 因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于尖晶石氧化物势垒的磁性隧道结，包括单势垒磁性隧道结和双势垒磁性隧道结及其在自旋电子器件中的应用。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 本发明提供一类基于尖晶石氧化物势垒的磁性隧道结，其核心多层膜结构中的势垒层由尖晶石结构的AB2O4材料组成，包括MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4、MgGa2O4、MgIn2O4、ZnGa2O4、ZnIn2O4、CdAl2O4、CdGa2O4、CdIn2O4、SiCd2O4、GeMg2O4、GeZn2O4、GeCd2O4、SnMg2O4、SnZn2O4、SnCd2O4等，典型厚度为0.5~5.0nm。

[0007] 在上述技术方案中，所述尖晶石氧化物势垒的磁性隧道结包括单势垒和双势垒结构。

[0008] 在一个实施例中，提供一种基于尖晶石氧化物单势垒的磁性隧道结多层膜的结构，该结构由下至上依次包括：

[0009] 衬底；

[0010] 缓冲层；

[0011] 第一磁性层；

[0012] 势垒层；

[0013] 第二磁性层；

[0014] 覆盖层；

[0015] 其中第一和第二磁性层的矫顽力不同，调节矫顽力大小可以采用交换相互作用、形状各向异性、埋入永磁的方法。

[0016] 在上述技术方案中，所述的第一和第二磁性层包括铁磁性材料、半金属磁性材料、稀磁半导体材料，以及这些磁性材料与反铁磁材料、非磁性金属的复合层，第一和第二磁性层的厚度为1~50nm，两磁性层的材料和厚度可以相同或者不同。

[0017] 上述本发明提供的基于尖晶石氧化物单势垒的磁性隧道结，隧穿时s带多子电子（△1对称性，自旋向上）起主导作用，因此核心层中两铁磁电极磁化方向平行时隧穿电流大，此时隧道结电阻比较小；通过改变外磁场使两磁性层的磁化方向反平行时，两边磁电极的能带结构不匹配，隧穿电流变小，此时隧道结电阻比较大。因此能够获得室温下高的单势垒隧穿磁电阻比值。

[0018] 在上述技术方案中，所述交换相互作用为提供一种通过交换相互作用控制零外磁场时磁性隧道结两磁性层磁化方向的方法，其中势垒层采用尖晶石氧化物势垒，第一和第二磁性层具有钉扎结构，其中反铁磁层钉扎包括直接钉扎结构和间接钉扎结构，直接钉扎结构包括AFM/FM，间接钉扎结构包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/NM2/FM2。其中控制零外磁场时两磁性层磁化方向相互垂直，可以得到线性的TMR曲线，提供一种线性磁场传感器设计。

[0019] 本发明的磁性纳米多层膜结构的例子包括但不限于：

[0020] 结构A：SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP；

[0021] 结构B：SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CAP；

[0022] 结构 C：SUB/SL/AFM1/FM1(1)/NM1/FM1(2)/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP，在该结构C的多层膜中，随着NM1厚度的增加，FM1(1)/NM1/FM1(2)可以由反铁磁耦合到铁磁性耦合变化，并且耦合强度减弱。

[0023] 结构D：SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2(1)/NM/FM2(2)/AFM2/CAP；（此式中的(1)和(2)表示两个FM2层可以是具有不同厚度的同一材料）

[0024] 结构E：SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM/AFM2/CAP；

[0025] 结构F：SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CAP；

[0026] 在上述技术方案中，所述形状各向异性方法为提供一种通过形状各向异性控制零外磁场时磁性隧道结两磁性层磁化方向的方法。其中第二磁性层利用形状各向异性使磁化方向固定；第一磁性层利用反铁磁钉扎层的交换相互作用使磁化方向固定，其中反铁磁层钉扎包括直接钉扎结构和间接钉扎结构，直接钉扎结构包括AFM/FM，间接钉扎结构包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/NM2/FM2。磁性隧道结的形状可以设计成长宽比很大的多边形（如长方形）或者长短轴比很大的椭圆形，包括实心结构和空心环状结构，也包括闭合和非闭合结构，使零外磁场时第二磁性层的磁化方向固定在沿长轴方向。其中控制零外磁场时两磁性层磁化方向相互垂直，可以得到线性的TMR曲线，提供一种线性磁场传感器设计。

[0027] 在上述技术方案中，所述埋入永磁方法为提供一种通过埋入永磁偏置控制零外磁场时磁性隧道结两磁性层磁化方向的方法。其中第二磁性层利用永磁体提供的偏置磁场使磁化方向固定；第一磁性层利用反铁磁钉扎层的交换相互作用使磁化方向固定，其中反铁磁层钉扎包括直接钉扎结构和间接钉扎结构，直接钉扎结构包括AFM/FM，间接钉扎结构包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/NM2/FM2。其中控制零外磁场时两磁性层磁化方向相互垂直，可以得到线性的TMR曲线，提供一种线性磁场传感器设计。

[0028] 在上述技术方案中，所述垂直各向异性方法为提供一种利用垂直各向异性控制零外磁场时磁性隧道结两磁性层磁化方向的方法。其中第一磁性层利用反铁磁钉扎层的交换相互作用使磁化方向固定，其中反铁磁层钉扎包括直接钉扎结构和间接钉扎结构，直接钉扎结构包括AFM/FM，间接钉扎结构包括AFM/FM1/NM/FM2，或者AFM/NM/FM，或者AFM/NM1/FM1/NM2/FM2；第二磁性层利用CoFeB与势垒层的界面各向异性，或者利用Co/Pt、Co/Ni、CoFeB/Pt、CoFeB/Pt等结构的界面各向异性，或者采用CoFeB/TbFeCo或者CoFeB/GdFeCo等结构，使第二磁性层的磁化方向垂直于薄膜平面，同时也就垂直于第一磁性层，可以得到线性的TMR曲线，提供一种线性磁场传感器设计。或者第一磁性层和第二磁性层都采用垂直各向异性的材料和结构。

[0029] 在另一个实施例中，提供一种基于尖晶石氧化物双势垒的磁性隧道结多层膜的结构，该结构由下至上依次包括：

[0030] 衬底；

[0031] 缓冲层；

[0032] 第一磁性层；

[0033] 第一势垒层；

[0034] 第二磁性层；

[0035] 第二势垒层；

[0036] 第三磁性层；

[0037] 覆盖层；

[0038] 其中第二磁性层比第一磁性层、第三磁性层的矫顽力要小，第一和第三磁性层的矫顽力可以相同也可以不同，调节矫顽力大小可以采用交换相互作用、形状各向异性、埋入永磁的方法。

[0039] 在上述技术方案中，所述第一和第二势垒层的材料和厚度可以相同，也可以不同。

[0040] 所述的的第一、第二和第三磁性层包括铁磁性材料、半金属磁性材料、稀磁半导体材料，以及这些磁性材料与反铁磁材料、非磁性金属的复合层，所述的第一和第三磁性层厚度为1~50nm，第二磁性层厚度为0.5~25nm，三个磁性层的材料和厚度可以相同也可以不同。

[0041] 本发明提供的基于尖晶石氧化物双势垒的磁性隧道结，隧穿时s带多子电子（△1对称性，自旋向上）起主导作用，因此核心层中中间磁性层与两端磁性电极的磁化方向平行时隧穿电流大，此时隧道结电阻比较小；通过改变外磁场使中间磁性层的磁化方向与两端磁性电极反平行时，两边磁电极的能带结构不匹配，隧穿电流变小，此时双势垒隧道结电阻比较大。因此能够获得室温下高的双势垒隧穿磁电阻比值。

[0042] 在上述技术方案中，所述铁磁性材料包括：Fe、Co、Ni，或者这些铁磁金属的合金薄膜，Sm、Gd、Nd等稀土金属，Co-Fe、Co-Fe-B、NiFeCr、Co-Fe-Si-B、Gd-Y或者Ni-Fe（如：Ni81Fe19）等；

[0043] 所述的稀磁半导体材料包括：Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe，Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO2、HfO2和SnO2；

[0044] 所述的半金属材料包括：Fe3O4、CrO2、Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si、Co-Mn-Ge,、Co-Mn-Ga,、Co-Mn-Ge-Ga、La1-xSrxMnO3、La1-xGaxMnO3(其中0＜x＜1）。

[0045] 反铁磁材料可以是Ir、Fe、Rh、Ni、Pt、Pd与Mn的合金，厚度为3~30nm，或者CoO、NiO等氧化物，厚度5~50nm。

[0046] 非磁性金属包括Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为0.1~5nm。

[0047] 衬底采用Si衬底、SiC、MgO、GaAs、玻璃衬底或者Si-SiO2衬底、或者有机柔性衬底等，厚度为0.3~1mm。

[0048] 缓冲层采用导电性比较好且和衬底结合较紧密的非磁性金属层（包括单层或者多层复合金属薄膜），其材料优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等，厚度可为3~50nm。

[0049] 覆盖层采用不易氧化且导电性比较好的金属层（包括单层或者多层复合金属薄膜），其材料优选Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度为2~40nm。

[0050] 本发明提供的基于尖晶石氧化物势垒的磁性隧道结可以采用微纳加工方法或者绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩膜的方法加工成所需要的图形结构，包括微米和纳米尺寸的三角形、四边形、五边形、六边形、八边形等N边形（N为大于等于3的整数），包括实心和空心环状结构，例如包括微米和纳米尺寸的实心圆形、实心椭圆形、圆环形、椭圆环形等。

[0051] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0052] 本发明提供的基于尖晶石氧化物势垒的磁性隧道结晶格失配度比较小，偏压依赖性比较弱，击穿电压比较高，可以应用于新型自旋电子器件中，包括高灵敏度的磁敏、电敏、光敏和气敏传感器、磁性随机存取存储器(MRAM)存储单元、磁逻辑器件单元、自旋晶体管和自旋场效应管等。

附图说明

[0053] 以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

[0054] 图1至图7为根据本发明实施例的多种磁性多层膜结构的示意图；

[0055] 图8为本发明尖晶石氧化物(a)MgAl2O4、(b)ZnAl2O4、(c)SiMg2O4、(d)SiZn2O4的在Δ和Λ方向的实能带及对称性；

[0056] 图9为本发明尖晶石氧化物(a)MgAl2O4、(b)ZnAl2O4、(c)SiMg2O4、(d)SiZn2O4在Δ方向的复能带。其中负半轴数据点表示虚能带，正半轴数据点为实能带（只画出了kz为正的部分）。标注1部分的黑色数据点示出了虚部最小的1复能带。在(c)中同时指出了在k//=0点处，对平行态隧穿其主要作用的几条虚能带。实线位置为Fe/SiMg2O4/Fe-MTJ的费米能级。(d)中灰色数据表示SiZn2O4复数能带（即同时包含实部和虚部的复能带），虚线表示1虚能带底部与复数能带相连；

[0057] 图10为Fe/SiMg2O4/Fe磁性隧道结在平行态下，k//=0处在费米能级处的隧穿态密度，其中(a)自旋多子(b)自旋少子；

[0058] 图11为零外磁场下通过反铁磁钉扎层的交换相互作用控制零外磁场下两铁磁层磁化方向的示意图；

[0059] 图12为通过形状各向异性控制零外磁场下两磁性层磁化方向的示意图，通过形状各向异性和闭合磁路设计使第二磁性层的磁化方向固定在长轴方向；

[0060] 图13为通过永磁偏置控制零外磁场下两磁性层磁化方向的示意图，通过Hard Bias永磁偏置使第二磁性层的磁化方向固定在某一方向；

[0061] 图14、图15、图16为零外磁场下基于尖晶石氧化物势垒磁性隧道结核心层的三种磁化方向示意图，其中图14为两磁性层平行状态，图15为两磁性层垂直状态，图16为两磁性层的另一种垂直状态；

具体实施方式

[0062] 图1示出根据本发明一实施例的基于尖晶石氧化物势垒的磁性纳米多层膜，其由下至上依次包括：基片101（简称为SUB）、种子层102（简称为SL）、第一磁性层103、势垒层104（简称为Space）、第二磁性层105和覆盖层106（简称为CAP）。

[0063] 基片101为Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，或者有机柔性衬底等，厚度为0.3～1mm。

[0064] 种子层（也称底层）102是导电性比较好且和衬底结合较紧密的非磁性金属层（包括单层或者多层），其材料优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等，也可以是金属和反铁磁层的复合层，厚度可为3～50nm。

[0065] 势垒层104为由具有尖晶石结构的以化学式AB2O4所表示的材料组成，厚度为0.5~5.0nm。这些材料包括MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4、MgGa2O4、MgIn2O4、ZnGa2O4、ZnIn2O4、CdAl2O4、CdGa2O4、CdIn2O4、SiCd2O4、GeMg2O4、GeZn2O4、GeCd2O4、SnMg2O4、SnZn2O4或SnCd2O4。在这些材料中优选的是MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4。

[0066] 覆盖层106为不易被氧化且导电性比较好的的金属层（包括单层或者多层复合金属薄膜），其材料优选Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度为2～40nm，用于保护核心结构不被氧化和腐蚀。

[0067] 第一磁性层103和第二磁性层105的结构均可以是直接钉扎结构或者间接钉扎结构。“直接钉扎”是指反铁磁材料层AFM直接和铁磁性层FM接触(简写为AFM/FM)，“间接钉扎”是指在反铁磁材料层AFM和铁磁性层FM之间插入一层很薄的非磁性金属层NM（简写为FM/NM/AFM），或者在二者之间插入复合层NM/FM（简写为FM1/NM/FM2/AFM），或插入复合层NM/FM/NM（简写为FM1/NM1/FM2/NM2/AFM）。通过在AFM和FM之间加入插入层可以减小二者（即直接交换偏置）的钉扎效果，并且通过调节该插入层的厚度可以有效调控间接交换偏置的钉扎效果。

[0068] 在上述第一磁性层103和第二磁性层105中，反铁磁性层AFM包括具有反铁磁性的合金材料，优选Pt-Mn、Ir-Mn、Fe-Mn和Ni-Mn，厚度为3～30nm；或具有反铁磁性的氧化物，优选CoO、NiO，厚度为5～50nm。铁磁性层FM采用自旋极化率比较高的铁磁性金属，优选Co、Fe、Ni；或者这些铁磁性金属的合金薄膜，优选Co-Fe、Co-Fe-B、NiFeCr或Ni-Fe（如：Ni81Fe19）等铁磁性合金，厚度为1～20nm；或者是诸如GaMnAs,Ga-Mn-N等稀磁半导体材料，或诸如Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si、Co-Mn-Ge、Co-Mn-Ga、Co-Mn-Ge-Ga、La1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3(其中0

[0069] 因此，本发明的基于尖晶石氧化物势垒的磁性纳米多层膜结构的例子包括但不限于（见图2-图7）：

[0070] 结构A：SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP；

[0071] 结构B：SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CAP；

[0072] 结构 C：SUB/SL/AFM1/FM1(1)/NM1/FM1(2)/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP，在该结构C的多层膜中，随着NM1厚度的增加，FM1(1)/NM1/FM1(2)可以由反铁磁性耦合到铁磁性耦合变化，并且耦合强度减弱。

[0073] 结构D：SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2(1)/NM/FM2(2)/AFM2/CAP；（此式中的(1)和(2)表示两个FM2层可以是具有不同的厚度的同一材料）

[0074] 结构E：SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM/AFM2/CAP；

[0075] 结构F：SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CAP；

[0076] 本发明提供的基于尖晶石氧化物势垒的磁性隧道结可以在任意一种现有的衬底上沉积，利用常规的薄膜制备方法和微加工工艺制备。所述的薄膜沉积方法可以是磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶凝胶法(Sol-Gel)、电沉积或者脉冲激光沉积、液相化学反应沉积和高纯度NaCl盐水人工调控结晶等方法。所述的微纳加工工艺可以为光刻法、电子束曝光、金属掩膜法、离子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和化学反应刻蚀等方法。其中尖晶石氧化物势垒层可以用物理或者化学沉积的方法获得，包括磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶—凝胶法(Sol-Gel)、电沉积或者脉冲激光沉积等方法。

[0077] 下面给出一些本发明的基于尖晶石氧化物势垒的磁性纳米多层膜结构的示例。

[0078] 示例1：

[0079] 利用磁控溅射的方法制备基于尖晶石氧化物单势垒的磁性隧道结，结构为 Si-SiO2/Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)/IrMn(15nm)/CoFeB(3nm)/ZnAl2O4(2nm)/
CoFeB(4nm)/Ta(5nm)/Ru(5nm)。沉积时，加1000Oe的平面诱导磁场，因此第一磁性层的磁化方向由反铁磁钉扎层固定，第二磁性层的磁化方向是自由的。

[0080] (1)选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为基片SUB，并在磁控溅射设备上以真-6空优于2×10 Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该基片上沉积Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)的种子层SL；

[0081] (2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在种子层SL上沉积厚度为15nm的IrMn作为反铁磁层AFM1；

[0082] (3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层AFM上沉积厚度为3nm的CoFeB的第一铁磁性层FM1;

[0083] (4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第一铁磁性层FM1上沉积厚度为2nm的ZnAl2O4作为中间势垒层Space;

[0084] (5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在中间层Space上沉积4.0nm的CoFeB作为第二铁磁层FM2;

[0085] (6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第二铁磁性层FM2上沉积Ta(5nm)/Ru(5nm)作为覆盖层CAP。

[0086] 然后利用微加工工艺，制备微米尺寸的隧道结，并且在结区上面搭建用于测量的电极。

[0087] (1)在沉积好的磁性多层膜样品上涂上正性光刻胶，旋涂4000转/min，时间1分钟，胶厚约1微米，95度前烘1分钟，然后利用底电极的掩模版，进行接触式紫外曝光，一般为15-20秒；利用显影液进行显影30秒，在用超纯水定影30秒，后烘1分钟；将样品放入Ar离子刻蚀机中，进行Ar离子刻蚀，得到底电极的形状，刻蚀时间由预先标定好的刻蚀速率以及多层膜的厚度决定；将样品放入丙酮中去除残留的光刻胶。

[0088] (2)再在形成底电极的样品表面涂上光刻胶，为了降低后续溶胶掀离法(lift-off)工艺的难度，选用负型光刻胶，旋涂4000转/min，时间1分钟，胶厚约4微米，
90度前烘5分钟。再利用结区的掩模版，进行曝光200秒，显影液中显影2分钟左右，直到样品表面胶的花纹散去，定影30秒；为了保持结区的形状，不需要后烘；最后进行Ar离子刻蚀，刻过势垒层即可，得到结区的形状。

[0089] (3)利用磁控溅射沉积厚度为100nm左右的SiO2，用于使结区相互绝缘，以及底电极与将沉积的顶电极互相绝缘；再进行金属剥离法(lift-off)，将样品放入丙酮或去胶剂中，超声去胶，把覆盖在结区上的光刻胶以及SiO2一同剥离，使结区暴露。

[0090] (4)在样品上沉积约80nm厚的Cu和20nm厚的Au作为顶电极层，再次在样品表面涂上正性光刻胶，利用顶电极的掩模版进行曝光，显影定影(前烘曝光时间同底电极)；再进行Ar离子刻蚀，从而得到磁性隧道结的顶电极，将样品放入丙酮中，去除残胶。就此得到制备好的具有磁性隧道结和外加测量底电极和顶电极的单元。

[0091] 示例2：

[0092] 利用磁控溅射的方法制备基于尖晶石氧化物双势垒的磁性隧道结的结构为：

[0093] Si-SiO2/Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)/IrMn(15nm)/CoFeB(3nm)/SiZn2O4(2nm)/CoFeB(4nm)/SiZn2O4(2nm)/CoFeB(4nm)/IrMn(15nm)/Ta(5nm)/Ru(5nm)。

[0094] 沉积时，加1000Oe的平面诱导磁场，因此第一磁性层和第三磁性层的磁化方向由反铁磁钉扎层固定成同一方向，第二磁性层的磁化方向是自由的。具体制备方法与示例1类似。

[0095] 示例3~8：

[0096] 按照示例1方法制备的单势垒磁性隧道结，其多层膜各层的成分和厚度如表1所示。其中势垒层可以采用尖晶石氧化物势垒，优选MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4，包括MgGa2O4、MgIn2O4、ZnGa2O4、ZnIn2O4、CdAl2O4、CdGa2O4、CdIn2O4、SiCd2O4、GeMg2O4、GeZn2O4、GeCd2O4、SnMg2O4、SnZn2O4、SnCd2O4等，厚度为0.5~5.0nm；衬底可以采用Si衬底、SiC、MgO、GaAs、玻璃衬底或者Si-SiO2衬底、或者有机柔性衬底等。

[0097] 表1、本发明的单势垒磁性隧道结多层膜结构

[0098]

[0099] （注：除已标注外，其余厚度的单位均为纳米）

[0100] 示例9~14:

[0101] 按照实施例2方法制备的双势垒磁性隧道结，其多层膜各层的成分和厚度如表2所示。其中势垒层可以采用尖晶石氧化物势垒，优选MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4，包括MgGa2O4、MgIn2O4、ZnGa2O4、ZnIn2O4、CdAl2O4、CdGa2O4、CdIn2O4、SiCd2O4、GeMg2O4、GeZn2O4、GeCd2O4、SnMg2O4、SnZn2O4、SnCd2O4等，厚度为0.5~5.0nm；两层势垒层的材料和厚度可以相同或者不同；衬底可以采用Si衬底、SiC、MgO、GaAs、玻璃衬底或者Si-SiO2衬底、或者有机柔性衬底等。

[0102] 表2、本发明的双势垒磁性隧道结多层膜结构

[0103]

[0104] （注：除已标注外，其余厚度的单位均为纳米）

[0105] 实施例15~19:

[0106] 按照实施例1方法制备的磁性隧道结，其多层膜各层的成分和厚度如表3所示。其中第一和第二磁性层都采用反铁磁钉扎结构。磁性隧道结的结构为SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP，其多层膜各层的成分和厚度如表3所示。其中势垒层可以采用尖晶石氧化物势垒，优选MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4，包括MgGa2O4、MgIn2O4、ZnGa2O4、ZnIn2O4、CdAl2O4、CdGa2O4、CdIn2O4、SiCd2O4、GeMg2O4、GeZn2O4、GeCd2O4、SnMg2O4、SnZn2O4、SnCd2O4等，厚度为0.5~5.0nm；两层势垒层的材料和厚度可以相同或者不同；衬底可以采用Si衬底、SiC、MgO、GaAs、玻璃衬底或者Si-SiO2衬底、或者有机柔性衬底等。

[0107] 表3

[0108]

[0109]

[0110] （注：除已标注外，其余厚度的单位均为纳米）

[0111] 实施例20~25:

[0112] 按照实施例1方法制备的磁性隧道结，其中第二磁性层具有垂直各向异性,其多层膜各层的成分和厚度如表4所示。其中势垒层可以采用尖晶石氧化物势垒，优选MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4，包括MgGa2O4、MgIn2O4、ZnGa2O4、ZnIn2O4、CdAl2O4、CdGa2O4、CdIn2O4、SiCd2O4、GeMg2O4、GeZn2O4、GeCd2O4、SnMg2O4、SnZn2O4、SnCd2O4等，厚度为0.5~5.0nm；两层势垒层的材料和厚度可以相同或者不同；衬底可以采用Si衬底、SiC、MgO、GaAs、玻璃衬底或者Si-SiO2衬底、或者有机柔性衬底等。

[0113] 表4

[0114]

[0115] （注：除已标注外，其余厚度的单位均为纳米）

[0116] 在本发明中，尖晶石氧化物的晶格常数通常在0.8~0.9nm之间，与常用做磁性隧道结电极材料的铁磁金属Fe、Co、FeCo合金及半金属Heusler合金Co2MnSi、Co2FeAl等的晶格失配度都很小(<1%)。例如对bcc-Fe而言，与之完美匹配的尖晶石的晶格常数是表5所列的四种尖晶石氧化物MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4等晶格与bcc-Fe几乎完全匹配（适配度<1%）。因此单从结构上来看，这类尖晶石氧化物材料很适合作为新型单晶磁性隧道结的势垒材料。

[0117] 表5.四种尖晶石氧化物的实验晶格常数以及与bcc-Fe的晶格失配度

[0118]

[0119] 以这类氧化物为势垒的磁性隧道结是否能具有高磁电阻是一个关键问题。一个简单方法是研究这些材料在[001]方向的复能带结构，来判断这些材料是否具有类似于MgO的对Δ1对称性电子的自旋过滤效应(Δ1spin-filtereffect)。复能带结构计算被广泛采用来研究单晶磁性隧道结的隧穿性质。例如早在2001年，Butler等人就从复能带的角度指出了Fe/MgO/Fe磁性隧道结具有高磁电阻的主要起源是MgO势垒在[001]方向具有Δ.1自旋过滤效应，即在MgO的能隙中，[001]方向虚部最小的复能带具有Δ1对称性。因此通过分析上述几种尖晶石氧化物在[001]方向的复能带就可以判断这些材料是否适合作为高隧穿磁电阻的磁性隧道结势垒材料。

[0120] MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4这四种尖晶石氧化物在Δ和Λ方向的实能带结构及对称性如图8所示。从图8中可以看出这四种材料的导带底(Conduction Band Minimum(CBM))都具有Δ1对称性，而价带顶(Valence Band Maximum(VBM))附近能带的对称性则不同。例如对于MgAl2O4和ZnAl2O4，VBM为Δ1和Δ3能带，二者在Г点简并。而对于SiMg2O4和SiZn2O4，它们的VBM为Δ2和Δ3对称性，但在非常靠近VBM的能量处也有Δ1对称性的能带。从这四种尖晶石氧化物的实能带对称性，我们可以初步断定连接带隙的复能带也将具有Δ1对称性。另外我们计算得到的四种氧化物都是在Г点处的直接带隙半导体。这四种尖晶石氧化物MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4对应的能隙分别为5.84eV、4.53eV、5.18eV和2.81eV，这与其它计算方法得到的结果符合得较好。

[0121] 采用包含28个原子的四方(tetragonal)点阵来计算尖晶石的复能带。这四种尖晶石氧化物在[001]方向的复能带如图9所示，对MgAl2O4、ZnAl2O4和SiMg2O4我们仅给出了对输运性质起主要作用的纯虚能带，对于SiZn2O4我们同时给出了复数能带。可以看到与MgO类似，这四种尖晶石氧化物在能隙中虚部最小的虚能带都具有Δ1对称性。对MgAl2O4、ZnAl2O4和SiMg2O4该Δ1虚能带具有类似自由电子的能带色散关系，并且顶部和底部均连接Δ1对称性的实能带。而对于SiZn2O4情况则不同，该Δ1虚能带的上部与Δ1对称性的实能带相连，而其下部与Δ1对称性的复数能带相连，如图9(d)中虚线所示。上述复能带的计算结果表明，所选择的四种材料MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4以及SiZn2O4虚部最小的复能带都具有Δ1对称性，其作为磁性隧道结势垒时，在[001]方向对电极中Δ1电子具有最大透过概率，从而同MgO势垒一样能保证磁性隧道结具有较高的磁电阻。

[0122] 尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

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