具有大磁電阻效應的CoFeB/SiO₂/n-Si異質結構及制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有大磁電阻效應的CoFeB/SiO2/n?Si異質結構及制備方法。在室溫條件下，以Si為基底，濺射電流為0.02A，濺射電壓為975V，CoFeB薄膜的厚度為160nm時，CoFeB/SiO2/n?Si異質結構具有大的磁電阻效應。Si基底晶格排列有序，CoFeB薄膜晶格排列無序，SiO2層厚度為2.5nm，界面兩側干凈尖銳；電阻隨溫度的升高呈現先減小后增大的趨勢；在200K溫度和50kOe磁場下，磁電阻高達2300％。本發明所采用的磁控濺射法，與分子束外延法和化學方法相比，在工業化生產上具有明顯優勢。
【專利說明】
具有大磁電阻效應的CoFeB/S i 02/n-S i異質結構及制備方法
技術領域
[0001]本發明專利涉及一種具有大磁電阻效應的CoFeB/Si02/n-Si異質結構及制備方法。更具體地，是一種具有較大低溫磁電阻效應的異質結構的制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，由于在磁信息存儲和讀取方面的巨大應用前景，自旋電子學材料備受關注。2007年，諾貝爾物理學獎授予了自旋電子學的開創者Albert Fert和Peter Griinberg兩位教授。磁電阻效應，如巨磁電阻效應(GMR )、隧道型磁電阻效應(TMR)等，均與材料的自旋極化率相關。從應用角度出發，如何獲取高磁電阻效應仍然是自旋電子學領域的熱點問題之一O
[0003]CoFeB薄膜具有比普通鐵磁金屬Fe、Co更高的自旋極化率，居里溫度在室溫以上，是一種重要的鐵磁性電極材料，廣泛地應用在磁性隧道結和自旋轉移矩器件中，在自旋電子學中占有重要地位。Si是當前微電子學器件的基礎材料，具有較低的自旋軌道耦合強度，電子在Si中的自旋擴散長度要大于其它化合物半導體。此外，Si表面自然氧化的S12層能夠減小鐵磁性電極與Si的電導失陪度，提高自旋注入效率。
[0004]目前，國際上尚無研究CoFeB/Si02/n_Si異質結構的制備及其磁電阻效應，以CoFeB薄膜為電極的磁性隧道結測得的隧穿磁電阻最高不到1144% [APPLIED PHYSICSLETTERS 93,082508(2008)；NATURE MATERIALS 9，721 (2010)]。另外，實際應用中多以薄膜材料為主，制備方法多采用濺射法。本發明專利通過大量的實驗研究，采用對向靶磁控濺射法制備了CoFeB/Si02/n-Si異質結構，并獲得了 2300 %的磁電阻。

【發明內容】

[0005]從工業化生產角度看，需要使用磁控濺射法來制備薄膜樣品；從實際應用角度看，需要制備的樣品具有較高的磁電阻效應。本發明即從以上兩個目的出發，開發了對向靶磁控濺射法制備CoFeB/Si02/n-Si異質結構，并且觀察到大的磁電阻效應，在200K溫度和50k0e磁場下，磁電阻高達2300%。
[0006]—種具有大磁電阻效應的CoFeB/Si02/n_Si異質結構的制備方法，其步驟如下:
[0007]I)采用真空對向靶磁控濺射鍍膜機，基底材料為單面拋光的帶有自然氧化層的n-Si (100)單晶片;使用兩塊C04OFe4OB2O合金靶，安裝在對靶頭上，其中一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；
[0008]2)開啟真空對向靶磁控濺射鍍膜機真空系統，先后啟動一級機械栗和二級分子栗抽真空，直至濺射室的背底真空度優于I X 1 5Pa;
[0009]3)向真空室通入純度為99.999%的Ar氣，將真空度保持在0.35Pa ；
[0010]4)開啟濺射電源，在一對CoFeB靶上施加0.02A的電流和975V的直流電壓，達到濺射電流和電壓穩定；
[0011]5)打開基片架上的檔板開始濺射;獲得CoFeB薄膜的厚度為160nm;
[0012]6)濺射結束后，關閉真空系統，打開真空室，得到制備好的CoFeB/Si02/n-Si異質結構。
[0013]所采用的Si基底為單面刨光的n-Si(100)單晶，室溫載流子濃度為6 X 1017cm—3，室溫電阻率為0.03 Ω，厚度為500μηι，面積為3mm X 3mm；所采用的電極為風干的銀膠;所采用電輸運測量模式為電流垂直于膜面;所施加磁場的方向垂直于膜面。
[0014]優選真空對向靶磁控濺射鍍膜機采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-1II型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機。
[0015]優選Co4oFe4oB2()合金革E純度為99.5%，革E材厚度為3.5mm，直徑為60mm;兩個革E之間的距離為80mm，革E的軸線與放有Si基底材料的基片架之間的距離為80mm。
[0016]優選Ar氣的流量為lOOsccm。
[0017]CoFeB薄膜的沉積時間為60分鐘。
[0018]濺射結束后，關閉基片架上的檔板，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar，完全打開閘板閥，繼續抽真空，20分鐘后關閉抽氣系統；
[0019]本發明通過大量的實驗研究，包括改變實驗過程中的濺射電流、濺射電壓和薄膜厚度，在室溫條件下，以Si為基底，制備不同厚度的非晶CoFeB薄膜。最后發現只有在濺射電流為0.02A，濺射電壓為975V，CoFeB薄膜的厚度為160nm時，CoFeB/Si02/n_Si異質結構具有大的磁電阻效應。
[0020]本發明所涉及的CoFeB/Si02/n-Si異質結構在半導體自旋電子學器件上具有應用價值，例如可以作為磁場控制的開關、磁場敏感器、自旋二極管等，并且本發明采用的磁控濺射法是工業上生產薄膜材料的常用方法，具有靶材選擇簡單和靶材使用率較高等優點。
[0021]為確認本發明最佳的實施方案，我們對本發明所制備的異質結構進行了高分辨率透射電子顯微鏡表征和電輸運特性的測量。
[0022 ]從本發明中制備的CoFeB/S i 02/n-S i異質結構的高分辨率透射電子顯微鏡圖像上可以看到，Si基底晶格排列有序，CoFeB薄I旲晶格排列無序，Si02層厚度為2.5nm，界面兩側干凈尖銳，如圖1所示。
[0023]本發明中測量CoFeB/Si02/n_Si異質結構的電輸運測量的電路示意圖，如圖2所示。測量模式為電流垂直于膜面。
[0024]本發明中制備CoFeB/Si02/n-Si異質結構的伏安特性曲線，如圖3所示。其中測量溫度為350K。從圖3中可以看出，伏安特性曲線呈現出反向二極管整流特性。
[0025]從本發明中制備CoFeB/Si02/n-Si異質結構的電阻隨溫度的變化關系圖中可以看出，電阻隨溫度的升高呈現先減小后增大的趨勢，如圖4所示。
[0026]本發明測量了CoFeB/Si02/n-Si異質結構的磁電阻隨溫度的變化關系，磁場方向垂直于膜面，磁場大小為50k0e。從測量結果上可以看出，磁電阻隨溫度的升高呈現先增加后減小的趨勢，磁電阻在200K時達到峰值，大小為2300%，如圖5所示。
[0027]與其它方法制備的鐵磁性金屬/半導體異質結構的方法相比，本發明所制備的CoFeB/Si02/n-Si異質結構具有大的磁電阻效應，所采用的方法簡單實用，有利于在工業生產上的推廣。具體如下:
[0028]I)國際上雖然有CoFeB薄膜制備和磁電阻測量的報道，但大多集中在將CoFeB薄膜作為磁性隧道結的電極，其隧穿磁電阻最高為1144%。我們制備的(:(^68/5102/11^異質結構的磁電阻高達2300% ；
[0029]2)由于目前工業化生產所采用的主要方法是濺射法，本發明所采用的磁控濺射法，與分子束外延法和化學方法相比，在工業化生產上具有明顯優勢。
【附圖說明】
[0030]圖1本發明中制備的CoFeB/Si02/n-Si異質結構的高分辨率透射電子顯微鏡圖像。[0031 ]圖2本發明中制備的CoFeB/Si02/n-Si異質結構的電輸運測量的電路示意圖。
[0032]圖3本發明制備的CoFeB/Si02/n-Si異質結構的伏安特性曲線，測量溫度為350K。
[0033]圖4本發明制備的CoFeB/Si02/n-Si異質結構的電阻隨溫度的變化關系，施加的電流為I.25μΑ0
[0034]圖5本發明制備的CoFeB/Si02/n-Si異質結構的磁電阻隨溫度的變化關系，施加的電流為1.25μΑ。
【具體實施方式】
[0035]根據我們對本發明中所制備的樣品進行的結構和性質分析結果，下面將對向靶磁控濺射法制備CoFeB/Si02/n-Si異質結構的最佳實施方式進行詳細地說明:
[0036]I)采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-1II型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機，基底材料為單面拋光的帶有自然氧化層的n-Si( 100)單晶片。使用兩塊純度為99.5%的C04QFe4QB2()合金靶，安裝在對靶頭上，其中一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極;靶材厚度為3.5mm，直徑為60mm;兩個革E之間的距離為80mm，革E的軸線與放有Si基底材料的基片架之間的距離為80mm;
[0037]2)首先，將洗凈的n-Si(lOO)單晶片放到基片架上，放到擋板后面，并關閉真空室；
[0038]3)開啟DPS-1II超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機真空系統，先后啟動一級機械栗和二級分子栗抽真空，直至濺射室的背底真空度優于I X 1 5Pa;
[0039]4)向真空室通入純度為99.999%的Ar氣，將真空度保持在0.35Pa，其中Ar氣的流量為10sccm;
[0040]5)開啟濺射電源，在一對CoFeB靶上施加0.02A的電流和975V的直流電壓，預濺射5分鐘，等濺射電流和電壓穩定；
[0041]6)打開基片架上的檔板開始濺射，沉積CoFeB薄膜過程中，n-Si(lOO)單晶片位置固定，基片架不需加熱；
[0042]7)CoFeB薄膜的沉積時間為60分鐘，獲得CoFeB薄膜的厚度為160nm;
[0043]8)濺射結束后，關閉基片架上的檔板，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar，完全打開閘板閥，繼續抽真空，20分鐘后關閉抽氣系統；
[0044]9)關閉真空系統，打開真空室，取出制備好的CoFeB/Si02/n-Si異質結構樣品。
[0045 ] 制備的CoFeB/S i 02/n_S i異質結構的高分辨率透射電子顯微鏡圖像如圖1所示，S i基底晶格排列有序，CoFeB薄膜晶格排列無序，S12層厚度為2.5nm，界面兩側干凈尖銳;測量CoFeB/Si02/n-Si異質結構的電輸運測量的電路示意圖，如圖2所示。測量模式為電流垂直于膜面。制備CoFeB/Si02/n-Si異質結構的伏安特性曲線，如圖3所示；其中測量溫度為350K，伏安特性曲線呈現出反向二極管整流特性。制備CoFeB/Si02/n-Si異質結構的電阻隨溫度的變化關系圖如圖4所示，電阻隨溫度的升高呈現先減小后增大的趨勢;CoFeB/Si02/n-Si異質結構的磁電阻隨溫度的變化關系如圖5所示，磁場方向垂直于膜面，磁場大小為50k0e;從測量結果上可以看出，磁電阻隨溫度的升高呈現先增加后減小的趨勢，磁電阻在200K時達到峰值，大小為2300%。
[0046]本發明公開和提出的具有大磁電阻效應的CoFeB/Si02/n-Si異質結構及制備方法，本領域技術人員可通過借鑒本文內容，適當改變條件路線等環節實現，盡管本發明的方法和制備技術已通過較佳實施例子進行了描述，相關技術人員明顯能在不脫離本
【發明內容】
、精神和范圍內對本文所述的方法和技術路線進行改動或重新組合，來實現最終的制備技術。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發明精神、范圍和內容中。
【主權項】
1.一種具有大磁電阻效應的CoFeB/Si02/n-Si異質結構。2.權利要求1的CoFeB/Si02/n-Si異質結構的制備方法，其特征是步驟如下: 1)采用真空對向靶磁控濺射鍍膜機，基底材料為單面拋光的帶有自然氧化層的n-Si(100)單晶片;使用兩塊C04QFe4QB2()合金靶，安裝在對靶頭上，其中一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極； 2)開啟真空對向靶磁控濺射鍍膜機真空系統，先后啟動一級機械栗和二級分子栗抽真空，直至濺射室的背底真空度優于I X 1 5Pa; 3)向真空室通入純度為99.999%的Ar氣，將真空度保持在0.35Pa; 4)開啟濺射電源，在一對CoFeB靶上施加0.02A的電流和975V的直流電壓，達到濺射電流和電壓穩定； 5)打開基片架上的檔板開始濺射;獲得CoFeB薄膜的厚度為160nm; 6)濺射結束后，關閉真空系統，打開真空室，得到制備好的CoFeB/Si02/n-Si異質結構。3.如權利要求2所述的方法，其特征是所采用的Si基底為單面刨光的n-Si(lOO)單晶，室溫載流子濃度為6 X 117Cnf3，室溫電阻率為0.03 Ω，厚度為500μπι，面積為3mm X 3mm ；所采用的電極為風干的銀膠;所采用電輸運測量模式為電流垂直于膜面;所施加磁場的方向垂直于膜面。4.如權利要求2所述的方法，其特征是真空對向靶磁控濺射鍍膜機采用中科院沈陽科學儀器研制中心生產的DPS-111型超高真空對向靶磁控濺射鍍膜機。5.如權利要求2所述的方法，其特征是C04QFe4QB2()合金靶純度為99.5 %，靶材厚度為3.5mm，直徑為60mm;兩個靶之間的距離為80mm，靶的軸線與放有Si基底材料的基片架之間的距離為80mm。6.如權利要求2所述的方法，其特征是Ar氣的流量為lOOsccm。7.如權利要求2所述的方法，其特征是CoFeB薄膜的沉積時間為60分鐘。8.如權利要求2所述的方法，其特征是濺射結束后，關閉基片架上的檔板，然后關閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar，完全打開閘板閥，繼續抽真空，20分鐘后關閉抽氣系統。
【文檔編號】C23C14/35GK105845314SQ201610279012
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】米文博, 張巖
【申請人】天津大學