本發(fā)明涉及自旋電子學(xué)材料和磁敏傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種L1₀-MnGa或MnAl基寬線性響應(yīng)磁敏傳感器及制備方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，高性能磁敏傳感器在諸多尖端領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、汽車、數(shù)控機(jī)床、金融安全和家用電器等。早期的磁敏傳感器主要是基于具有霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體材料和具有磁各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)的磁性材料來(lái)制備，然而這兩類材料的磁場(chǎng)靈敏度都較低。隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，基于巨磁電阻效應(yīng)以及隧穿磁電阻效應(yīng)的磁敏傳感器得到了廣泛的研究和應(yīng)用。其主要原因是由于這兩類磁敏傳感器的磁場(chǎng)靈敏度較高、低功耗和抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，并且其生產(chǎn)工藝和常規(guī)的半導(dǎo)體工藝相兼容，因此在工業(yè)上具有非常大的市場(chǎng)和廣泛的用途。

基于自旋閥和磁隧道結(jié)器件的磁敏傳感器具有巨大的磁電阻效應(yīng)，并且有著高靈敏度、低功耗和抗環(huán)境干擾能力等優(yōu)異特性。其中，磁隧道結(jié)具有相對(duì)較高的TMR比值和靈敏度，當(dāng)器件尺寸降至納米量級(jí)時(shí)仍具有極高的空間分辨率，因此是研究新一代高性能磁傳感器的理想選擇。

磁傳感器領(lǐng)域的核心問(wèn)題是如何解決磁傳感器器件對(duì)外磁場(chǎng)的線性和可逆響應(yīng)。目前工業(yè)上大量應(yīng)用的基于GMR和TMR兩類磁電阻效應(yīng)的磁敏傳感器(比如：磁硬盤HDD中的磁讀頭)，基本上是采用埋入永磁薄膜的方法使得自旋閥結(jié)構(gòu)中的自由層(即對(duì)外磁場(chǎng)敏感的層)與參考層(即被釘扎層)的磁矩實(shí)現(xiàn)90度垂直夾角，因而使自旋閥式的GMR納米磁性多層膜或者磁性隧道結(jié)的磁電阻在外場(chǎng)下具有線性且無(wú)磁滯的響應(yīng)。然而，在使用GMR自旋閥結(jié)構(gòu)和磁性隧道結(jié)時(shí)需要埋入永磁薄膜的設(shè)計(jì)和制備方法大大增加了工藝難度和制造成本，而且很難將器件小型化。

目前，利用垂直磁各向異性材料來(lái)制備磁性多層膜寬線性響應(yīng)磁敏傳感器的報(bào)道較少，主要有垂直取向的[Co/Pt(Pd)]n多層膜、Pt/CoFe、FePt。與垂直取向的[Co/Pt(Pd)]n多層膜、Pt/CoFe相比，L1₀-MnGa(MnAl)具有更強(qiáng)的垂直磁各向異性Ku，更高的矯頑力Hc，因此可以實(shí)現(xiàn)更寬的磁場(chǎng)線性響應(yīng)區(qū)間。此外，與L1₀-FePt相比，L1₀-MnGa(MnAl)不包含貴金屬元素，在材料成本和保護(hù)環(huán)境方面更具有優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種L1₀-MnGa或MnAl基寬線性響應(yīng)磁敏傳感器及制備方法，在本發(fā)明中主要利用近十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的磁性隧道結(jié)材料和隧穿磁電阻效應(yīng)(TMR)，其磁電阻比值顯著地超過(guò)傳統(tǒng)的利用霍爾效應(yīng)和磁各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)制備的磁敏傳感器，并且與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝相兼容，因此完全可以提供一種工藝簡(jiǎn)單、低成本、寬線性響應(yīng)范圍和高靈敏度的磁敏傳感器。

本發(fā)明提供一種L1₀-MnGa或MnAl基寬線性響應(yīng)磁敏傳感器，包括：

一基片，為后續(xù)生長(zhǎng)的多層膜提供外延基礎(chǔ)；

一平滑層，其制作在基片上，提供良好的界面平整度和晶格匹配；

一參考磁性層，其制作在平滑層上，擁有高晶體質(zhì)量；

一中間層，其制作在參考磁性層上；

一探測(cè)磁性層，其制作在中間層上，外延生長(zhǎng)；

一覆蓋層，其制作在探測(cè)磁性層上，起到保護(hù)薄膜的作用。

本發(fā)明還提供一種L1₀-MnGa或MnAl基寬線性響應(yīng)磁敏傳感器的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：取一基片；

步驟2：在基片上依序制作平滑層、參考磁性層、中間層、探測(cè)磁性層和覆蓋層，形成多層膜；

步驟3：將多層膜置于真空下磁場(chǎng)退火，完成制備。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)計(jì)并制備了用于實(shí)現(xiàn)寬線性響應(yīng)磁敏傳感器的L1₀-MnGa(MnAl)基多層膜結(jié)構(gòu)。參考磁性層L1₀-MnGa(MnAl)具有較強(qiáng)的垂直磁各向異性Ku、較高的矯頑力Hc、高自旋極化度P；探測(cè)磁性層為軟磁材料Fe(Co、CoFe、Co2MnSi、Co2FeAl)，磁易軸在面內(nèi)，而在面外方向上具有較高的飽和場(chǎng)。

參考磁性層為L(zhǎng)1₀-MnGa(MnAl)或L1₀-MnGa(MnAl)/Fe(Co、CoFe、Co₂MnSi、Co₂FeAl)，中間層為非磁絕緣層(Al₂O₃、MgO)或非磁金屬Cu、Al，探測(cè)磁性層為Fe(Co、CoFe、Co₂MnSi、Co₂FeAl)，覆蓋層可以為Pd、Pt、Ta、Al。由于L10-MnGa與MgO存在7％的晶格失配，為了減小晶格失配對(duì)后續(xù)MgO晶體質(zhì)量的影響，還可以選擇在參考磁性層L1₀-MnGa上面生長(zhǎng)1-15原子層的Fe(Co、CoFe、Co₂MnSi、Co₂FeAl)插層。L1₀-MnGa/Fe(Co、CoFe、Co₂MnSi、Co₂FeAl)雙層膜具有較強(qiáng)的面外磁交換相互作用，可以保證插層中自旋極化沿面外方向。所述參考磁性層用于將所述探測(cè)磁性層的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，所述探測(cè)磁性層用于感應(yīng)被探測(cè)磁場(chǎng)，覆蓋層Pd可以對(duì)薄膜起到保護(hù)的作用，同時(shí)不會(huì)影響磁性多層膜的性能。

利用垂直易磁化的參考磁性層L1₀-MnGa(MnAl)和面內(nèi)易磁化的探測(cè)磁性層Fe(Co、CoFe、Co₂MnSi、Co₂FeAl)，研究L1₀-MnGa(MnAl)基多層膜的MR的磁場(chǎng)響應(yīng)關(guān)系。在室溫下，觀察到了超過(guò)25％的TMR信號(hào)，同時(shí)磁場(chǎng)線性動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)2.5T。與現(xiàn)有磁敏傳感器技術(shù)相比，本發(fā)明具有寬磁場(chǎng)線性響應(yīng)范圍、靈敏度高、加工工藝簡(jiǎn)單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明：

為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中：

圖1為本發(fā)明中磁敏傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中磁敏傳感器制備流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)例中生長(zhǎng)的磁敏傳感器磁性多層膜的磁滯回線(M-H)。

圖4為本發(fā)明實(shí)例中生長(zhǎng)的磁敏傳感器器件隧穿磁電阻(TMR)對(duì)外磁場(chǎng)的線性響應(yīng)曲線圖；

具體實(shí)施方式

為了更清楚地闡述體現(xiàn)本發(fā)明的原理和實(shí)施特點(diǎn)，將結(jié)合L1₀-MnGa基多層膜寬線性響應(yīng)磁敏傳感器實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種L1₀-MnGa或MnAl基寬線性響應(yīng)磁敏傳感器，其樣品結(jié)構(gòu)包括：一基片1，該基片1的材料為CaAs(001)襯底；一平滑層2，其制作在基片1上，所述平滑層2的材料為GaAsbuffer，厚度為150nm；一參考磁性層3，其制作在平滑層2上，L1₀-MnGa(MnAl)或L1₀-MnGa(MnAl)/FM雙層膜，厚度為40nm。在零場(chǎng)下，參考磁性層3的磁化方向垂直于傳感器多層膜的膜面，并與后續(xù)的探測(cè)磁性層5磁矩相互垂直；中間層4，其制作在參考磁性層3上，通常為非磁金屬或絕緣體，在本實(shí)例中中間層4的材料為MgO，厚度為2.3nm；探測(cè)磁性層5，其制作在中間層4上，該探測(cè)磁性層5的材料為Fe，厚度為10nm；覆蓋層6，其制作在探測(cè)磁性層5上，所述覆蓋層6的材料為Pd，厚度為2nm。

請(qǐng)參閱圖2并結(jié)合參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種L1₀-MnGa或MnAl基寬線性響應(yīng)磁敏傳感器的制備方法，包括如下步驟：

1、將本征半絕緣的GaAs(001)襯底放入MBE制備腔室，腔室真空度高于5×10^-7Pa。除氣脫氧后，將襯底溫度升至560℃，沉積GaAs平滑層，生長(zhǎng)速率為10nm/min，厚度為150-200nm；

2、將襯底的溫度降至150-250℃，生長(zhǎng)具有垂直磁各向異性的鐵磁二元合金L10-MnGa，生長(zhǎng)速率約1nm/min，厚度為40nm，升至300℃保持20min；

3、將襯底溫度降至0-100℃，打開(kāi)電子束蒸發(fā)電源，將加速電壓為5KV，發(fā)射電流為10-15mA，生長(zhǎng)MgO中間層，使用膜厚儀原位監(jiān)測(cè)，薄膜沉積厚度為2.3nm，將襯底溫度升至300℃保持20min；

4、將襯底溫度降至0-100℃，生長(zhǎng)一層Fe，厚度為10nm，然后將襯底溫度升至300℃，保持20min；

5、在磁性多層膜上面生長(zhǎng)一層Pd覆蓋層，厚度為2nm；由于Pd不容易與空氣反應(yīng)，可以對(duì)器件起到保護(hù)作用；最終得到結(jié)構(gòu)為GaAs/GaAsbuffer/L1₀-MnGa/MgO/Fe/Pd的L1₀-MnGa基磁性多層膜；

6、對(duì)步驟5制備的磁敏傳感器多層膜進(jìn)行真空下磁場(chǎng)退火；

本具體實(shí)施在L1₀-MnGa基多層膜寬線性響應(yīng)磁敏傳感器的制備過(guò)程中，在GaAs(001)襯底上生長(zhǎng)了150nm厚的GaAs buffer，目的在于獲得更加平整的GaAs界面。參考磁性層L10-MnGa晶格的(100)沿著GaAs(110)方向，L1₀-MnGa具有較強(qiáng)的垂直磁各向異性Ku，較高的矯頑力Hc，高自旋極化度P。參考磁性層為軟磁材料Fe(Co、CoFe)，具有面內(nèi)磁各向異性，而在面外具有較大的飽和場(chǎng)，通常超過(guò)2T，高于L1₀-MnGa的矯頑力。由于探測(cè)磁性層Fe(Co、CoFe)在空氣中易氧化，生長(zhǎng)2nm的Pd作為覆蓋層，起到保護(hù)防氧化的作用。

參閱圖3給出了GaAs/L1₀-MnGa/MgO/Fe磁性多層膜的磁滯回線(M-H)，表明L1₀-MnGa磁性參考層3擁有垂直磁各向異性，而Fe磁性探測(cè)層5的磁易軸位于面內(nèi)；圖4給出了GaAs/L1₀-MnGa/MgO/Fe磁性多層膜磁敏傳感器的隧穿磁電阻(TMR)隨外磁場(chǎng)的線性響應(yīng)曲線圖，在-0.6T到2T磁場(chǎng)范圍內(nèi)，該磁敏傳感器擁有高達(dá)25.4％的室溫TMR值，重復(fù)測(cè)試5次，曲線完全重合，表明該磁敏傳感器擁有良好的線性度和優(yōu)異的可重復(fù)性。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。