[发明专利]磁性多层膜霍尔元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及霍尔元件，特别是涉及磁性多层膜霍尔元件及其制备方法。

背景技术

霍尔效应是材料的基本特性之一。基于霍尔效应的霍尔元件具有线性好，灵敏度高、稳定性好等特点。图1为一般的霍尔元件结构示意图，其中，电极1和4为电流输入端，电极2、3、5和6为电压输出端，一外加磁场沿垂直元件表面施加，其中，电极2和5（或3和6）用于测量元件的纵向电压V_xx，从而可以得到材料的纵向电阻率ρ_xx；电极2和3（或5和6）用于测量元件的霍尔电压V_xy，从而可以得到材料的霍尔电阻率ρ_xy。目前基于半导体材料的霍尔元件已广泛应用于传感器领域，用于对磁场、位移以及电流的测量，但其存在如工作频率(不超过MHz)较低等不足，阻碍了进一步发展。金属材料具有工作频率高的特点[参见I.Fergen,J.Magn.Magn.Mater.242-245(2002),146]，但对于非磁性金属而言，由于其载流子密度太大导致霍尔效应非常微弱。与非磁性金属不同，磁性金属材料存在两种霍尔效应：即正常霍尔效应和反常霍尔效应。对于磁性薄膜材料，其霍尔电阻率ρ_xy可以表示为：

其中，I是在薄膜平面中流动的电流，V_xy是垂直于电流方向的方向上在薄膜平面中测量的霍尔电压，d是薄膜厚度，B为外加磁场，M为材料的磁化强度，R₀为正常霍尔系数，R_S为反常霍尔系数[参见A.Gerber，J.Magn.Magn.Mater.310(2007),2749]。一般来说，磁性金属的反常霍尔效应要比正常霍尔效应大几个量级，从而导致磁性金属材料具有较大的霍尔效应。基于磁性金属材料的霍尔元件在磁场变化时，由于反常霍尔效应的存在而具有较大的霍尔电阻变化，在磁存储器件、磁传感器件等方面获得广泛应用。由于该类霍尔元件在外磁场的驱动下通常可以获得两种霍尔电阻值，从而最终表现为元件低的或高的电阻态，可应用于基于双电阻态的磁存储器件如磁性随机存储器，或其他磁传感器。为了使霍尔元件具有较高的灵敏度、较低的功耗以及便于实现小型化，要求磁性材料具有较大的霍尔电阻率、较大的纵向电阻率以及较小的矫顽力。

目前，已有关于颗粒膜结构、包含稀土元素的磁性合金、包含Pt以及包含与Pt性质类似的Pd、Au的磁性合金或磁性多层膜的报道。颗粒膜结构是通过将铁磁颗粒埋于氧化物绝缘体中获得了极高的反常霍尔效应[参见A.B.Pakhomov,X.Yan,and B.Zhao,Appl.Phys.Lett.67(1995),3497]，但是这类颗粒膜结构的电阻率太大，因此在单位驱动电压下产生的霍尔效应太小，至今没有得到任何应用。含稀土的磁性金属化合物材料如Fe₇₈Sm₂₂，这类材料的特点是具有较大的纵向电阻率（超过100μΩcm），但是其矫顽力太大，难以符合器件的小型化。而包含Pt的合金材料，如CoPt合金（参见G.X.Miao and G.Xiao，Appl.Phys.Lett.85(2004)73）及CoFe/Pt磁性金属多层膜（参见中国发明专利200610144053.6）的纵向电阻率只有几十μΩcm。此外，中国专利申请CN200980130700.X和文献[B.Rodmacq,S.Auffret,B.Dieny,S.Monso,P.Boyer，J.Appl.Phys.93(2003)7513]中基于AlO/Co/Pt的材料体系的研究也取得了一定的进展，尽管有些薄膜磁性材料的纵向电阻率相比于其他Pt基合金增大了很多，但存在的问题是一方面纵向电阻率还是不够大（尚未达到100μΩcm），另一方面这些材料的矫顽力太大（高于100Oe）。因此，使得基于Pt合金材料的霍尔元件不能在具有较高灵敏度的同时还能够节约能耗以及实现器件小型化的设计。类似地，基于与Pt性质类似的Pd、Au的磁性合金或磁性多层膜的霍尔元件也存在上述缺陷。