一種鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)、制備方法及磁存儲設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁存儲領(lǐng)域，具體涉及一種鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)、制備方法及磁存儲設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]自從巨磁電阻(GMR)效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，各種巨磁電阻器件在機電、汽車、航空航天及高密度信息存儲領(lǐng)域開始了廣泛應(yīng)用。而鐵磁-反鐵磁雙層膜體系也自然成為了人們的一個研究熱點。鐵磁-反鐵磁體系在外磁場中，從高于反鐵磁奈爾溫度而又低于鐵磁層的居里溫度冷卻到反鐵磁奈爾溫度以下(即場冷過程)時，鐵磁層的磁滯回線將沿著磁場方向偏離原點，并伴隨著矯頑力的增加，這種現(xiàn)象叫做交換偏置。磁滯回線的偏移量被稱為交換偏置場，通常記作HE。巨磁電阻器件的實用化過程中，鐵磁/反鐵磁雙層膜交換偏置起了重要作用。鐵磁-反鐵磁雙層膜交換偏置提高了高密度磁記錄讀出頭的靈敏度，使得磁記錄存儲密度得到了飛速的發(fā)展。另外，它還是目前廣為關(guān)注的磁隨機存儲器(MRAM)的基本結(jié)構(gòu)。近年來，基于交換偏置效應(yīng)的磁電子器件已成功地應(yīng)用于磁電阻讀出磁頭、磁隨機存儲器、磁傳感器等磁存儲領(lǐng)域。
[0003]然而，隨著技術(shù)發(fā)展，對磁存儲設(shè)備的性能要求越來越高。期望進(jìn)一步改進(jìn)鐵磁_反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使其具有更好的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供一種具有很好的交換偏置效應(yīng)的鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0005]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括層疊設(shè)置的反鐵磁層和鐵磁層，所述鐵磁層的材料為全哈斯勒合金；
[0007]所述反鐵磁層的材料為多鐵性材料。
[0008]優(yōu)選的，所述全哈斯勒合金為Co2FeAlQ.5SiQ.5、Co2FeS1、Co2TiSn或者
[0009]全哈斯勒合金為X2YGa，其中，X為Co，F(xiàn)e或Ni ； Y為V，Cr，Mn或Cu。
[0010]優(yōu)選的，所述鐵磁層的厚度為I至10納米，進(jìn)一步優(yōu)選為5納米。
[0011]優(yōu)選的，所述反鐵磁層的材料為BiFe03、BiFeQ.5MnQ.503或ΥΜη03。
[0012]優(yōu)選的，還包括襯底，所述反鐵磁層和所述鐵磁層依次層疊設(shè)置于所述襯底上。
[0013]優(yōu)選的，所述襯底為鈦酸鍶單晶基片或摻鈮鈦酸鍶單晶基片。
[0014]優(yōu)選的，還包括保護(hù)層，設(shè)置于所述鐵磁層之上。
[0015]優(yōu)選的，所述保護(hù)層的材料為Ta、Pt、Cu、AuRu。
[0016]優(yōu)選的，所述保護(hù)層的厚度為I至5納米，進(jìn)一步優(yōu)選為2納米。
[0017]另一方面，本發(fā)明還提供了一種過程簡單的鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法。
[0018]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0019]—種如上所述鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟:
[0020]步驟A、在襯底上沉積多鐵性材料以形成反鐵磁層；
[0021 ]步驟B、在步驟A形成的反鐵磁層上沉積全哈斯勒合金以形成鐵磁層。
[0022]優(yōu)選的，步驟A中，在襯底上沉積BiFeO3以形成所述反鐵磁層；
[0023]優(yōu)選的，在沉積室內(nèi)進(jìn)行沉積過程，沉積室的真空度高于5 X 10_5Pa;
[0024]優(yōu)選的，沉積時的氧氣壓力為8?1Pa;
[0025]優(yōu)選的，沉積溫度為700?750°C，進(jìn)一步優(yōu)選為720°C ；
[0026]優(yōu)選的，采用原位脈沖激光在襯底上沉積BiFeO3,沉積時，激光能量為200mJ?400mJ，頻率為I?5Hz，進(jìn)一步優(yōu)選為3Hz ；
[0027]優(yōu)選的，完成沉積過程后進(jìn)行退火，退火過程中，氧氣壓力為IX 104Pa，退火時間為15?60分鐘，進(jìn)一步優(yōu)選為30分鐘；
[0028]優(yōu)選的，退火完成后，除去沉積室中的氧氣，抽真空至真空度高于5X 10_5Pa，然后進(jìn)行步驟B。
[0029]優(yōu)選的，步驟B中，采用原位脈沖激光在反鐵磁層上沉積Co2FeA10.5Si0.5;
[0030]優(yōu)選的，沉積溫度為10?40Γ;
[0031]優(yōu)選的，沉積時的激光能量為200mJ?400mJ，頻率為I?5Hz，進(jìn)一步優(yōu)選為3Hz。
[0032]優(yōu)選的，步驟B完成后，進(jìn)行步驟C:在步驟B形成的鐵磁層上形成保護(hù)層。
[0033]優(yōu)選的，在鐵磁層上磁控濺射生長保護(hù)層；
[0034]優(yōu)選的，在濺射室內(nèi)進(jìn)行濺射過程，濺射室的真空度高于2X 10_5Pa;
[0035]優(yōu)選的，濺射溫度為10?40Γ;
[0036]優(yōu)選的，濺射時的氬氣壓力為0.2?IPa，進(jìn)一步優(yōu)選為0.5Pa。
[0037]再一方面，本發(fā)明還提供了一種性能好的磁存儲設(shè)備。
[0038]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0039]—種磁存儲設(shè)備，所述磁存儲設(shè)置采用如上所述的鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為磁存儲介質(zhì)。
[0040]本發(fā)明的有益效果是:
[0041]本發(fā)明提供的鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鐵磁層采用全哈斯勒合金，具有很高的有效自旋極化率，半金屬性好，使得鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很好的交換偏置效應(yīng)，而反鐵磁層米用多鐵性材料，不但具備各種單一的鐵性，還具備在鐵磁序和鐵電序之間存在的耦合效應(yīng)，表現(xiàn)出磁電耦合效應(yīng)，因此，通過改變反鐵磁層的厚度變化，來影響鐵磁-反鐵磁界面處的交換耦合作用，就可以獲得整個異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁性變化，獲得一個具有振蕩形式的交換偏置效應(yīng)，基于交換偏置效應(yīng)的磁電子器件可應(yīng)用于磁電阻讀出磁頭、磁傳感器、磁隨機存儲器等磁存儲領(lǐng)域。
[0042]本發(fā)明提供的鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法過程簡單，易于操作。
[0043]本發(fā)明提供的磁存儲設(shè)備由于采用了上述的鐵磁-飯鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為存儲介質(zhì)，性能好。
【附圖說明】
[0044]通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中:
[0045]圖1是本發(fā)明提供的鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖2是本發(fā)明中反鐵磁層材料的鐵電電滯回線圖。
[0047]圖3是本發(fā)明提供的鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同反鐵磁層厚度下的磁滯回線圖。
[0048]圖4是本發(fā)明的交換偏置與反鐵磁層厚度的關(guān)系圖。
[0049]圖中，1、襯底;2、反鐵磁層;3、鐵磁層;4、保護(hù)層。
【具體實施方式】
[0050]以下基于實施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實施例。在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件并沒有詳細(xì)敘述。
[0051]本發(fā)明提供了一種鐵磁-反鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其包括依次層疊設(shè)置的襯底1、反鐵磁層2、鐵磁層3和保護(hù)層4。
[0052]其中，反鐵磁層2采用的是多鐵性材料。多鐵性材料是指材料的同一個相中包含兩種及兩種以上鐵的基本性能，是一種集電性與磁性于一身的多功能材料。多鐵性材料(如既有鐵電性又有鐵磁性的磁電復(fù)合材料等)不但具備各種單一的鐵性(如鐵電性、鐵磁性)，還具備在鐵磁序和鐵電序之間存在的耦合效應(yīng)，表現(xiàn)出一些原來鐵電體和鐵磁體不具有的性質(zhì)，如磁電耦合效應(yīng)(ME Effect)，從而使得多鐵材料在傳感器，轉(zhuǎn)換器，記憶設(shè)備，信息存儲和讀取等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。優(yōu)選的，采用BiFeO3形成反鐵磁層。純相BiFeO3作為一種典型的單相多鐵材料，具有扭曲的I丐欽礦結(jié)構(gòu)，是少數(shù)在室溫下同時擁有鐵電有序和磁有序的材料之一，室溫下呈反鐵磁有序(奈爾溫度為380°C)和鐵電有序(居里溫度為810°C)。近年來隨著薄膜制備技術(shù)的巨大進(jìn)步，極大減小了BiFeO3在室溫下的漏導(dǎo)，從而在室溫下觀測到比較強的磁電效應(yīng)，使該材料吸引了大量的研究目光。
[0053]當(dāng)然，反鐵磁層2不局限于采用BiFeO3,其他多鐵性材料亦可，例如BiFe0.5Μηο.503、YMnC>3 等。
[0054]反鐵磁層2的厚度優(yōu)選為20至120納米。
[0055]半金屬材料具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，即一種自旋能帶在費米面附近有傳導(dǎo)電子，表現(xiàn)為金屬性;而另一種自旋能帶的費米能級則處于導(dǎo)帶與價帶之間，表現(xiàn)為半導(dǎo)體或絕緣體性。因此，理論上半金屬是具有100%自旋極化率。作為典型的半金屬，Co基全Heusler合金除了具有高自旋極化率外，因為還具有高的居里溫度、低阻尼因子以及與MgO絕緣層較好的晶格匹配等優(yōu)點而成為現(xiàn)今的研究熱點。本發(fā)明中的鐵磁層3的材料采用全哈斯勒(Heusler)合金，具有很高的有效自旋極化率(Peff)，進(jìn)一步的，優(yōu)選采用C02FeAlth5Si0.5，在所有半金屬材料當(dāng)中，C02FeAlQ.5Si().5在室溫下具有最高的有效自旋極化率(Peff)，而且Peff隨溫度的變化是最小的，說明了其非常好的半金屬性。
[0056]當(dāng)然，鐵磁層3不局限于采用Co2FeAl0.5S1.5，其他全哈斯勒(Heusler)合金材料亦可，例如Co2FeS1、Co2TiSn等或者全哈斯勒(Heusler)合金為X2YGa,其中，X為Co ,Fe或Ni; Y為V,Cr,Mn或Cu。
[0057]鐵磁層3的厚度優(yōu)選為I至10納米，進(jìn)一步優(yōu)選為5納米。
[0058]襯底I優(yōu)選采用鈦酸鍶單晶基片或摻鈮鈦酸鍶單晶基片。<