一种磁隧道结及其制备方法

技术领域

本发明属于磁性材料和薄膜制备领域，具体涉及到一种磁隧道结及其制备方法。

背景技术

在微电子设备和信息存储技术中，磁隧道结因其具有高矫顽力、高抗干扰能力和低功耗等优点，已经成为新一代存储技术研究的重要对象。然而，现有的磁隧道结材料在形成元件后，性能即固定，不可调节。尤其是，现有的磁隧道结在阻值调节及磁阻率可调性方面的限制，导致在实现多量程磁传感器、磁存储器等应用时，往往需要多个芯片并行工作，增大了设备的体积和复杂性。

当前，主流的磁隧道结多采用金属或合金材料，如Fe,Co,Ni及其合金等，以及镁氧化物(MgO)等作为隧道势垒层。这些材料虽然具有良好的磁电性能，但仍有可调性不足的问题。一方面，对于金属或合金的磁层，其矫顽磁场强度和磁阻变化率难以通过简单的措施进行精细控制。另一方面，镁氧化物虽然可以提供较大的隧道磁阻，但在强电场下的阻值稳定性较差，限制了其在高密度磁存储和多级阻值存储中的应用。

因此，越来越多的研究者开始关注基于氧化物的磁隧道结。亚铁磁氧化物具有较高的饱和磁化强度和磁畴移动速度，是理想的自旋极化源；而反铁磁绝缘氧化物则因其特殊的反铁磁顺序，可以通过交换耦合有效调控亚铁磁氧化物的磁化状态，从而调控磁隧道结的阻值。

然而，如何选择合适的氧化物材料，以及如何通过精确控制磁层和隧道层的厚度，来实现磁隧道结阻值和磁阻率的高效可调，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种磁隧道结。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种磁隧道结，其特征在于：包括，

衬底层；

亚铁磁氧化物自由层，位于衬底层之上；

反铁磁绝缘氧化物隧穿层，位于亚铁磁氧化物自由层之上；

亚铁磁氧化物参考层，位于反铁磁绝缘氧化物隧穿层之上；

其中，亚铁磁氧化物自由层、反铁磁绝缘氧化物隧穿层和亚铁磁氧化物参考层采用化学成分和晶格常数相近的氧化物外延单晶薄膜材料，且亚铁磁氧化物参考层的厚度大于亚铁磁氧化物自由层的厚度。

作为本发明所述磁隧道结的一种优选方案，其中：所述反铁磁绝缘氧化物隧穿层为忆阻材料，包括NiO。

作为本发明所述磁隧道结的一种优选方案，其中：所述衬底层包括商用微波器件常用的MgO或MgAl2O4基片。

作为本发明所述磁隧道结的一种优选方案，其中：所述亚铁磁氧化物自由层包括NiFe2O4组成的层，其厚度为10～30nm。

作为本发明所述磁隧道结的一种优选方案，其中：所述亚铁磁氧化物参考层包括NiFe2O4组成的层。

作为本发明所述磁隧道结的一种优选方案，其中：所述亚铁磁参考层的厚度大于亚铁磁氧化物自由层的厚度，且所述亚铁磁参考层的厚度与所述亚铁磁自由层的厚度的差值大于或等于10nm。

作为本发明所述磁隧道结的一种优选方案，其中：所述衬底层、亚铁磁自由层、隧穿层以及亚铁磁参考层均为晶面指数为(001)取向的单晶外延薄膜层。

本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种磁隧道结的制备方法，包括，

提供衬底层；

于所述衬底层上形成亚铁磁自由层；

于所述亚铁磁自由层上形成反铁磁隧穿层；

于所述反铁磁隧穿层上形成亚铁磁参考层；

其中，所述亚铁磁参考层和所述亚铁磁自由层的亚铁磁材料相同或相近，且所述亚铁磁参考层的厚度大于所述亚铁磁自由层的厚度，以使所述磁隧道结的阻值在外部磁场的作用下发生改变；

所述亚铁磁自由层的涂覆方法包括磁控溅射法。

本发明有益效果：

本发明提供一种亚铁磁氧化物/反铁磁绝缘氧化物/亚铁磁氧化物磁隧道结及其制备方法，可以实现总阻值和磁阻率的高效可调，从而克服了现有磁隧道结在可调性方面的不足，为多量程磁传感器、磁存储器等应用提供了新的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明实施例中提供的磁隧道结的结构图；

图2为本发明实施例中提供的磁隧道结的结构和工作中的电压施加状态图；

图3为本发明实施例中提供的磁隧道结的工艺步骤图；

图4为本发明实施例中提供的磁隧道结在施加不同垂直脉冲电场后的磁阻率随外加磁场的变化图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

(1)如图1所示，提供了一种磁隧道结，包括衬底101，亚铁磁自由层102、反铁磁绝缘隧穿层103以及亚铁磁参考层104。

其中，反铁磁绝缘隧穿层103位于所述亚铁磁自由层102之上；隧穿层103为非磁绝缘层，具体的为厚度2～8nm且具有(001)取向的NiO的单晶薄膜层，所述隧穿层103位于所述亚铁磁参考层104和所述亚铁磁自由层102之间，以形成两种不同的界面效应。

亚铁磁参考层104、反铁磁绝缘隧穿层103、亚铁磁自由层102采用成分相近的材料而成，从而在电场作用下更容易实现氧空位迁移，进而调控磁阻率和矫顽力；所述亚铁磁材料具有较高的自旋极化率，可以提高磁隧道结的磁阻率和响应速度。

其中，所述亚铁磁参考层104的厚度大于所述亚铁磁自由层102的厚度，以使所述磁隧道结的阻值在外部磁场的作用下发生改变；其中，所述外部磁场为垂直于所述隧道结表面的磁场。具有不同厚度的所述亚铁磁参考层104和所述亚铁磁自由层102对相同的外部磁场具有不同程度的敏感性，利用所述不同的界面效应和不同程度的敏感性可以使所述磁隧道结的阻值在垂直于磁隧道结的外部磁场的作用下发生改变。

进一步的，通过对所述磁隧道结的阻值进行测量，可以反映出外部磁场的大小和方向。

其中，所述亚铁磁参考层104和所述亚铁磁自由层102均为钴酸铁层，反铁磁隧穿层103为氧化镍层。

其中，所述亚铁磁材料为钴酸铁(NiFe2O4)材料，NiFe2O4相对于传统的铁磁材料具有更高的自旋极化率；

其中，所述反铁磁隧穿层材料为氧化镍(NiO)；NiO是经典的忆阻材料体系，在脉冲电场下具有可调且可重复的组态变化，其与NiFe2O4结构相近，能保证其良好的结晶质量和忆阻特性，从而实现对磁阻率的调控。

本发明中各层材料中无贵金属元素，造价便宜。

(2)如图3所示，还提供了一种磁隧道结的制备方法，包括如下步骤：

提供衬底层；

本发明采用的衬底层为商用微波器件常用的MgO或MgAl2O4基片，所述基片为(001)取向的单晶基片。选取基片后，需浸入酒精中，用超声清洗设备进行震荡清洗3～5min，将清洗后的基片用氮气吹干后立即放入磁控溅射系统的沉积腔的基台上。

于所述错切衬底层上形成亚铁磁自由层。

具体可通过磁控溅射法制备所述亚铁磁自由层NiFe2O4。优选的，所述亚铁磁自由层的厚度为10～30nm。

于所述亚铁磁自由层上形成反铁磁隧穿层。

具体可通过磁控溅射法制备所述隧穿层NiO。优选的，所述隧穿层的厚度为3～10nm。

于反铁磁隧穿层上形成亚铁磁参考层；其中，所述亚铁磁参考层和所述亚铁磁自由层的亚铁磁材料相同，且所述亚铁磁参考层的厚度大于所述亚铁磁自由层的厚度，以使所述磁隧道结在外部磁场的作用下发生阻态的改变；其中，所述外部磁场为平行于于所述隧道结表面的磁场。

实施例2

本实施例磁隧道结所用材料为衬底层(001)取向MgAlO4单晶衬底，厚度为500微米；自由层为NiFe2O4薄膜，亚铁磁自由层的厚度为15nm；反铁磁隧穿层材料为氧化镍(NiO)，隧穿层的厚度为8nm；参考层为NiFe2O4薄膜，厚度为30nm；

所采用工艺为射频磁控溅射：

首先在MgAlO4单晶衬底之上，在350～500℃条件下，0.1～10Pa条件下生长NiFe2O4薄膜，其中生长气氛为氧氩混合气；

接着在10Pa条件下生长NiO薄膜，最后在0.1～10Pa条件下生长顶层NiFe2O4薄膜；

顶层NiFe2O4薄膜的厚度要高于底层NiFe2O4薄膜的厚度，以确保顶层参考层的矫顽力高于底层自由层的矫顽力大小。

如图2所示，在亚铁磁参考层104和所述亚铁磁自由层102间施加一个小的外加电场，测量其电流计算其电阻，此时施加一个低于上述第一矫顽力的平面内外加磁场，即上述磁隧道结结构处于工作状态。

当需要切换该磁隧道结薄膜的矫顽力和磁阻率等状态时，需要在相同的两端施加一个较大的脉冲电压，此时反铁磁隧穿层材料的阻变以及氧空位迁移会调控磁隧道结的整体性能。

图4展示了在脉冲电场调控作用下本实施例所述磁隧道结的磁阻率-磁场关系曲线。可以看到在不同偏压下，其磁阻率变化超过10％，且饱和场与矫顽力均发生显著变化。利用该特性可实现对磁隧道结量程和灵敏度的原位调控。

当亚铁磁氧化物自由层的厚度小于第一阈值且所述亚铁磁氧化物参考层的厚度大于第二阈值时，所述亚铁磁参考层对应的矫顽磁场为第一矫顽磁场；所述亚铁磁氧化物自由层的矫顽磁场为第二矫顽磁场；当所述外部磁场的磁场强度与小于第一矫顽磁场的磁场强度时，所述磁隧道结处于工作状态；

当第二矫顽磁场大于0时，所述磁隧道结存在自由层与参考层磁矩方向一致的低阻态和自由层与参考层磁矩方向反平行的高阻态，此时该磁隧道结适合磁存储应用；当第二矫顽磁场等于0时，所述磁隧道结的电阻在一定磁场区间内与所述外部磁场线性相关，此时该磁隧道结适合磁线性传感器应用。

对于磁隧道结而言，其磁阻率和饱和场取决于自由层与参考层的组态调控，取决于隧穿层的绝缘状态；主流的磁隧道结多采用金属或合金材料，如Fe,Co,Ni及其合金等，以及镁氧化物(MgO)等作为隧道势垒层，这些材料虽然具有良好的磁电性能，但仍有可调性不足的问题。一方面，对于金属或合金的磁层，其矫顽磁场强度和磁阻变化率难以通过简单的措施进行精细控制；另一方面，镁氧化物虽然可以提供较大的隧道磁阻，但在强电场下的阻值稳定性较差，限制了其在高密度磁存储和多级阻值存储中的应用。

本发明提出的基于结构相近的亚铁磁/反铁磁氧化物的体系，其存在氧空位传输机制相关的隧穿层阻变特性，因此脉冲电场会影响其隧穿层电阻并调整其中自由层的磁各向异性，实现对矫顽力和磁阻率的调控，进而影响磁隧道结的功能；为了实现上述目的，需要对薄膜的生长质量，晶格匹配提出高的要求。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的范围当中。