[发明专利]具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n‑Si异质结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO₂/n-Si异质结构及制备方法。更具体地，是一种具有较大低温磁电阻效应的异质结构的制备方法。

背景技术

近年来，由于在磁信息存储和读取方面的巨大应用前景，自旋电子学材料备受关注。2007年，诺贝尔物理学奖授予了自旋电子学的开创者Albert Fert和Peter Grünberg两位教授。磁电阻效应，如巨磁电阻效应(GMR)、隧道型磁电阻效应(TMR)等，均与材料的自旋极化率相关。从应用角度出发，如何获取高磁电阻效应仍然是自旋电子学领域的热点问题之一。

CoFeB薄膜具有比普通铁磁金属Fe、Co更高的自旋极化率，居里温度在室温以上，是一种重要的铁磁性电极材料，广泛地应用在磁性隧道结和自旋转移矩器件中，在自旋电子学中占有重要地位。Si是当前微电子学器件的基础材料，具有较低的自旋轨道耦合强度，电子在Si中的自旋扩散长度要大于其它化合物半导体。此外，Si表面自然氧化的SiO₂层能够减小铁磁性电极与Si的电导失陪度，提高自旋注入效率。

目前，国际上尚无研究CoFeB/SiO₂/n-Si异质结构的制备及其磁电阻效应，以CoFeB薄膜为电极的磁性隧道结测得的隧穿磁电阻最高不到1144％[APPLIED PHYSICS LETTERS 93,082508(2008)；NATURE MATERIALS 9,721(2010)]。另外，实际应用中多以薄膜材料为主，制备方法多采用溅射法。本发明专利通过大量的实验研究，采用对向靶磁控溅射法制备了CoFeB/SiO₂/n-Si异质结构，并获得了2300％的磁电阻。

发明内容

从工业化生产角度看，需要使用磁控溅射法来制备薄膜样品；从实际应用角度看，需要制备的样品具有较高的磁电阻效应。本发明即从以上两个目的出发，开发了对向靶磁控溅射法制备CoFeB/SiO₂/n-Si异质结构，并且观察到大的磁电阻效应，在200K温度和50kOe磁场下，磁电阻高达2300％。

一种具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO₂/n-Si异质结构的制备方法，其步骤如下：

1)采用真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为单面抛光的带有自然氧化层的n-Si(100)单晶片；使用两块Co₄₀Fe₄₀B₂₀合金靶，安装在对靶头上，其中一头作为磁力线的N极，另一头为S极；

2)开启真空对向靶磁控溅射镀膜机真空系统，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于1×10^–5Pa；

3)向真空室通入纯度为99.999％的Ar气，将真空度保持在0.35Pa；

4)开启溅射电源，在一对CoFeB靶上施加0.02A的电流和975V的直流电压，达到溅射电流和电压稳定；

5)打开基片架上的档板开始溅射；获得CoFeB薄膜的厚度为160nm；

6)溅射结束后，关闭真空系统，打开真空室，得到制备好的CoFeB/SiO₂/n-Si异质结构。

所采用的Si基底为单面刨光的n-Si(100)单晶，室温载流子浓度为6×10¹⁷cm^-3，室温电阻率为0.03Ω，厚度为500μm，面积为3mm×3mm；所采用的电极为风干的银胶；所采用电输运测量模式为电流垂直于膜面；所施加磁场的方向垂直于膜面。

优选真空对向靶磁控溅射镀膜机采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机。

优选Co₄₀Fe₄₀B₂₀合金靶纯度为99.5％，靶材厚度为3.5mm，直径为60mm；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与放有Si基底材料的基片架之间的距离为80mm。

优选Ar气的流量为100sccm。

CoFeB薄膜的沉积时间为60分钟。

溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar，完全打开闸板阀，继续抽真空，20分钟后关闭抽气系统；