[发明专利]一种基于磁电效应的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种基于磁电效应的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，对信息存储技术提出了越来越高的要求。对具有高的存储密度,低的读写能耗,高的读写速度的高性能存储设备的研发,已经成为当前科研前沿和信息技术中最活跃的领域之一。在传统的信息记录方式中，磁记录以其易于读取的优势,成为现代信息存储技术的主流；但其存储密度的限制和写入困难一直是磁存储技术所面临的难题。相比之下，铁电存储具有高的存储密度和易于写入的特点，但读取过程的复杂性和破坏性的问题,大大限制了其作为存储器的应用。为此，相关领域的研究者一直试图将铁磁、铁电两种记录方式的优点结合起来而克服各自的缺点，从而在信息功能相关的新器件、新结构和新材料方面不断探索；与此相关的新概念存储器也在不断被设计；而其中一个可行的途径，就是通过磁电耦合效应(magnetoelectriccoupling,MEcoupling)及多铁性材料。

磁电耦合效应(MECouplingEffect)是指材料在外加磁场作用下产生自发极化而形成电场，反之，在外加电场作用下也可以产生磁化。具有磁电效应的磁电材料由于其多物理场磁电耦合的特性，不仅涉及到物理上强关联电子体系的新问题,具有重要的科学意义；同时在应用方面也为下一代多功能电子器件的设计提供了额外的自由度。基于磁电耦合效应的磁电存储器(MagnetoelectricMemory,MERAM)可利用电场实现信息写入过程，利用磁头实现读出过程，集铁电写入的高速、低能耗特性和磁读取的高速、非破坏性于一身的“电写/磁读”式的高性能存储器将铁电随机存储(FeRAM)和磁存储器(MRAM)的优点相结合,可以使得目前的存储器件速度再提高一个数量级以上且大大降低信息写入过程的能量消耗。

本发明涉及的基于磁电效应的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件，选用Fe_0.7Ga_0.3合金作为铁磁层，BZT-BCT作为铁电层，制备一种具有大电致磁电效应的环境友好型磁电存储器件，本发明所涉及的磁电复合薄膜器件是首次提出，目前国内外未见相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种基于磁电效应的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件的制备方法，本发明以Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-(Ba_0.3Ca_0.7)TiO₃陶瓷靶材和Fe_0.7Ga_0.3合金靶材为原料，采用磁控溅射的方法制备磁电复合薄膜器件，该存储元件具有非易失性、在外加电压时能够保持极化和磁化的状态，由于电阻状态的改变可以通过在上下电极之间的电压翻转，不需要大电流大磁场的产生，具有低功耗的优点。

本发明的技术方案：

一种基于磁电效应的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件，在Pt/Ti/SiO₂/Si复合衬底上依次沉积铁电和铁磁薄膜制成叠层结构，其中复合衬底自下而上分别为Si，SiO₂，Ti和Pt底电极，具有压电效应的铁电薄膜化学结构式为0.5Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-0.5(Ba_0.3Ca_0.7)TiO₃(BZT-BCT)，厚度为200-400nm，具有磁致伸缩效应的薄膜为Fe_0.7Ga_0.3，厚度为200-400nm。

一种所述基于磁电效应的铁电/铁磁薄膜结构的磁电存储元件的制备方法，其中铁电陶瓷薄膜利用射频磁控溅射制备，铁磁薄膜由Fe_0.7Ga_0.3合金靶材利用直流磁控溅射制备，步骤如下：

1)将Pt/Ti/Si/SiO₂衬底和BZT-BCT陶瓷靶材一起放入溅射室，抽真空至(1-2)×10^-4，然后通入压强为2-2.5Pa、氩气与氧气的体积比为12:8-9的混合气，衬底温度为500-700℃、射频功率为50-60w、溅射时间为1.5-4h，从溅射室取出后在800℃和空气气氛下热处理30分钟，制得铁电陶瓷薄膜；