[发明专利]一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻

说明书

一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，属于磁性材料与元器件技术领域。所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层薄膜和覆盖层薄膜，n≥2。本发明提供的各向异性磁电阻在控制磁性层总厚度的情况下，将每层铁磁层减薄到100nm以下，可在反铁磁层/铁磁层/反铁磁层中获得交换偏置场，进而提升整体薄膜的各向异性场，从而实现对基于各向异性磁电阻效应的传感器磁场探测区间的拓展。并且，由于交换偏置场的大小与铁磁层的厚度呈反比，因而可以在控制铁磁层总厚度的情况下，通过调整重复周期n，获得不同的交换偏置场和各向异性场，方便的实现不同磁场探测区间的获得。

技术领域

本发明属于磁性材料与元器件技术领域，具体涉及一种采用多层交换偏置结构实现各向异性磁电阻效应的薄膜及其制备方法。

背景技术

各向异性磁电阻效应(AMR,Anisotropic Magnetoresistance)是将磁性材料的导电特性与其磁化状态相关联，由磁化强度的方向相对于电流而改变引起的电阻变化。各向异性磁电阻的大小R满足：R＝R₀+ΔRcos²θ(R₀：零磁场下的电阻值；ΔR：各向异性磁阻最大变化值；θ：电流方向与磁性层磁化方向的夹角)，也就是当磁性材料的磁矩与电流的夹角变化时，材料的电阻也随之变化。因此，基于该各向异性磁电阻效应，已构造了多类磁传感器，是目前磁传感器家族中应用最广泛的一种效应。

在目前实现各向异性磁电阻效应的材料选择方面，一般选用Co、Ni、Fe等金属磁性材料及它们的合金，将它们镀制成几十～几百nm厚的薄膜获得各向异性磁电阻效应，作为传感层。在利用该效应进行线性磁传感及探测时，探测磁场加于磁性薄膜的难轴方向(难轴一般为传感薄膜的短轴方向)。由于当磁场大小沿难轴变化时，磁矩随外磁场大小的变化呈现线性响应，对应获得的磁阻变化也是线性的，因此可以实现对外磁场的线性探测。而利用该方法进行探测时，可探测的磁场范围由构成传感层的磁性薄膜的各向异性场决定，其大小小于各向异性场。而各向异性场大小Hk粗略的可由沿易轴(易轴一般为传感薄膜的长轴方向)及沿难轴(难轴一般为传感薄膜的短轴方向)测试的磁滞回线交点所确定，如图1所示，其所对应的各向异性磁电阻测试图如图2所示，由图可见可探测磁场的范围确实小于各向异性场。但是目前利用Co、Ni、Fe等金属磁性材料及它们的合金形成的磁性材料薄膜所获得的Hk受制于金属磁性材料本身的性能，Hk大小一般20Gs，因此目前商业化的各向异性磁电阻效应所制备的磁传感器其对磁场的线性探测范围也局限于20Gs的磁场范围内。因此，如需探测更大的磁场(20Gs)，目前暂时就不能选用各向异性磁电阻效应。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻结构，如图3所示。本发明磁电阻薄膜利用铁磁层/反铁磁层材料所形成的交换偏置效应，在保证各向异性磁电阻效应的基础上，提高了薄膜整体的Hk，实现了大于20Gs磁场范围的探测。

本发明的技术方案如下：

一种基于多层交换偏置结构的各向异性磁电阻，其特征在于，所述磁电阻包括基片，以及依次形成于基片之上的缓冲层薄膜、第一反铁磁层/[铁磁层/第二反铁磁层]n的多层薄膜和覆盖层薄膜，其中，n≥2。

进一步地，所述缓冲层薄膜为Ta、Cu等。

进一步地，所述第一反铁磁层和第二反铁磁层的材料为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn等，所述第一反铁磁层和第二反铁磁层的厚度为5～20nm(为能产生交换偏置效应的常规厚度)，所述第一反铁磁层和第二反铁磁层可选用相同或不同的反铁磁材料及厚度，但为了方便制备及性能控制，建议选用相同反铁磁材料及厚度。

进一步地，所述铁磁层的材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金等，单层铁磁层的厚度应100nm，(铁磁层厚度过厚将无交换偏置效应)，n×单层铁磁层的总厚度控制在100～300nm(可获得AMR效应的最佳铁磁层厚度区域)。