Многослойная магниторезистивная наноструктура

Многослойная магниторезистивная наноструктура

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках и спиновых транзисторах на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным (МР) эффектом. Одними из основных требований, предъявляемых к подобным наноструктурам, являются достижение максимальной величины МР эффекта при комнатной температуре в диапазоне слабых (десятки эрстед и менее) магнитных полей, большая крутизна зависимости магнитосопротивления от внешнего магнитного поля и технологическая реализуемость при серийном производстве. Эти требования определяют работоспособность наноэлементов на базе многослойных МР наноструктур. Имеет большое значение способность МР структуры функционировать в переменных магнитных полях в широком частотном диапазоне и увеличение сопротивления наноэлемента на основе подобной наноструктуры, т.к. это уменьшает потребляемую мощность и нагрев наноэлемента.

Известны многослойные анизотропные МР наноструктуры, состоящие из двух одинаковых магнитных пленок, обычно это пленки на основе сплавов из Fe, Ni и Со, разделенные высокорезистивной немагнитной прослойкой из металла или диэлектрического слоя (С.И.Касаткин, И.Д.Киселева, В.В.Лопатин, A.M.Муравьев, Ф.Ф.Попадинец, А.В.Сватков Магниторезистивный датчик. Патент РФ №2139602. 2000). Эти многослойные наноструктуры достаточно легко изготовить. Недостатками подобных наноструктур являются невысокая величина анизотропного МР эффекта в наноэлементах на их основе, большая инерционность при изменение магнитного поля и небольшое сопротивление этих наноэлементов при планарном протекании сенсорного тока.

Наиболее перспективными являются многослойные наноструктуры с гигантским МР эффектом, в первую очередь, двумя его разновидностями: спин-вентильным и спин-туннельным МР эффектом (S.I.Kasatkin, A.M.Muravjev, P.I.Nikitin, F.A.Pudonin, A.Y.Toporov, M.V.Valeiko «Sandwitched thin-film structures for magnetoresistive spin-tunneling sensors», Sensors and Actuators A: Physical. 2000, V.81, (1-3), p.57-59). Особенно интересны спин-туннельные МР наноструктуры, обладающие максимальной величиной МР эффекта и высоким сопротивлением наноэлемента, связанные с туннельным характером протекания сенсорного тока через магнитные пленки, разделенные диэлектрическим слоем. Подобные наноструктуры обладают существенно большей величиной МР эффекта, но гораздо более сложны для изготовления, а для серийного производства требуются дорогостоящие специальные напылительные установки.

Наиболее близкой к заявляемой является многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура, содержащая первый защитный слой, на котором расположена первая магнитомягкая пленка, разделительный немагнитный слой поверх первой магнитомягкой пленки, на котором расположены вторая магнитомягкая пленка, и второй защитный слой, а между второй магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем расположен слой карбида кремния. Разделительный немагнитный слой имеет толщину, достаточную для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками (Заявка на выдачу патента на изобретение №2005121801/09(024583), решение о выдачи патента на изобретение от 05.10.2006 г.).

В такой тонкопленочной многослойной МР наноструктуре происходит раздельное перемагничивание магнитомягких пленок при воздействии на структуру внешнего магнитного поля, причем величина поля перемагничивания магнитомягкой пленки, контактирующей с полупроводниковым слоем карбида кремния, зависит от амплитуды внешнего магнитного поля.

Таким образом, появляется функциональная возможность создания новых микро- и наноэлементов, принцип действия которых учитывает, что различие в полях перемагничивания магнитомягких пленок существует только при воздействии на них внешнего магнитного поля. В первую очередь это логические и запоминающие МР наноэлементы.

Однако недостатками такой структуры являются ее инерционность при изменении внешнего магнитного поля, недостаточно высокое удельное сопротивление, что приводит к нагреву структуры и увеличению потребляемой мощности, а также относительная сложность технологии изготовления такой МР наноструктур.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание малоинерционной многослойной МР наноструктуры, способной функционировать в переменных магнитных полях, имеющей высокую величину МР эффекта при небольших магнитных полях, высокое удельное сопротивления и обладающей воспроизводимостью магнитных параметров для серийного производства наноэлементов на ее основе.

Указанный технический результат достигается тем, что многослойная МР наноструктура изготовлена из системы магнитных наноостровов, состоящей из N пар чередующихся слоев, каждая из которых содержит слои из наноостровов различных по величине поля перемагничивания магнитных материалов, расположенных на диэлектрическом защитном слое и защищенных сверху сплошным диэлектрическим слоем, что приводит к большому удельному сопротивлению и магнитосопротивлению в слабых магнитных полях, а также к способности МР наноструктуры работать в широком частотном диапазоне переменных магнитных полей.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что многослойная МР наноструктура из систем магнитных наноостровов состоит их раздельно расположенных внутри каждого слоя системы магнитных наноостровов. При этом наноострова каждого слоя могут частично соприкасаются с наноостровами верхнего и нижнего слоя, что приводит к магнитному взаимодействию между ними. Такая топология многослойной МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов приводит к достаточно высокой величине анизотропного МР эффекта в небольших магнитных полях, а наноостровковый характер наноструктуры - к ее высокому удельному сопротивлению. Очень важно, что изготовление подобной наноструктуры не требует особых технологических условий.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена многослойная МР наноструктура из систем магнитных наноостровов в разрезе; на фиг.2 приведена зависимость относительного изменения магнитосопротивления (ΔR/R)(H) многослойной МР наноструктуры в магнитном поле, перпендикулярном сенсорному току J; на фиг.3 приведена зависимость относительного изменения магнитосопротивления (ΔR/R)(H) многослойной МР наноструктуры в магнитном поле, направленном вдоль сенсорного тока; на фиг.4 приведена угловая зависимость относительного изменения магнитосопротивления (ΔR/R)(ϕ) многослойной МР наноструктуры.

Многослойная МР наноструктура из систем магнитных наноостровов, нанесенная на подложку 1 (фиг.1), содержит два сплошных защитных диэлектрических слоя 2, 3, между которыми расположены N пар слоев, каждая пара которых содержит наноострова первого магнитного слоя 4 и второго магнитного слоя 5.

Работа многослойной МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов происходит следующим образом. Рассмотрим, для примера, экспериментально полученную и исследованную многослойную МР наноструктуру из систем магнитных наноостровов, состоящую из десяти пар магнетиков с различными полями перемагничивания - магнитомягких и магнитожестких (FeNi-CoNi)-пленок. Толщина наноостровов одного слоя менее 1 нм. Измерения с помощью туннельной микроскопии показали, что типичные размеры наноостровов лежат в диапазоне 10-15 нм и расстояние между ними - около 3-5 нм. Через многослойную МР наноструктуру пропускают сенсорный ток. При действии на эту наноструктуру переменного магнитного поля МР наноструктура из систем магнитных наноостровов, содержащая десять пар магнитомягких и магнитожестких FeNi-CoNi пленок, начинает перемагничиваться. Удельное сопротивление подобной МР наноструктуры (не менее 1 кОм) существенно выше, чем у обычной сплошной наноструктуры, что дополнительно подтверждает наноостровковый тип данной наноструктуры.

На фиг.2 приведена зависимость относительного изменения магнитосопротивления Δ(R/R)(H) МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов в магнитном поле И, перпендикулярном направлению протекания сенсорного тока J, т.е. Н ⊥ J. Данный образец вырезан из напыленной структуры в направлении, параллельном оси легкого намагничивания слоя FeNi (структура А). Видно, что эта зависимость представляет собой типичную гистерезисную характеристику «бабочку» в малых магнитных полях. Наличие только двух максимумов может свидетельствовать о перемагничивании многослойной МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов как единого целого, т.е. существовании сильного обменного и магнитостатического взаимодействия между соседними магнитомягкими FeNi и магнитожесткими CoNi пленками многослойной МР наноструктуры. Коэрцитивная сила МР наноструктуры, определяемая как половина расстояния между пиками, равна 1,5 Э. Диапазон магнитного поля менее 10 Э, что говорит о перспективности применения подобной наноструктуры для наноэлементов, в первую очередь, датчиков слабого магнитного поля и тока. Из фиг.2 видно, что под действием магнитного поля происходит рост магнитосопротивления, что совпадает с поведением анизотропного МР эффекта. На фиг.3 приведена зависимость относительного изменения магнитосопротивления Δ(R/R)(H) МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов (структура А) в магнитном поле, направленном вдоль направления протекания сенсорного тока (Н || J). Видно, что эта зависимость представляет собой асимметричную характеристику, что говорит об асимметричности процессов перемагничивания в противоположных направлениях, обусловленной асимметричностью магнитной системы, возникшей в процессе изготовления. Из фиг.3 видно, что под действием магнитного поля происходит рост магнитосопротивления, что свидетельствует о наличии анизотропного МР эффекта. При этом величина коэрцитивной силы наноструктуры не изменилась.

На фиг.4 приведена зависимость относительного изменения магнитосопротивления Δ(R/R)(H) МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов в магнитном поле, перпендикулярном направлению протекания сенсорного тока (Н ⊥ J); сама структура вырезана из образца в направлении, перпендикулярном направлению оси легкого намагничивания слоя FeNi (структура В). Видно, что эта зависимость представляет собой асимметричную характеристику, что говорит об асимметричности процессов перемагничивания в противоположных направлениях. Коэрцитивная сила МР наноструктуры около 2,0 Э. Из фиг.4 видно, что под действием магнитного поля, так же как и в предыдущем варианте, происходит рост магнитосопротивления, что свидетельствует о наличии анизотропного МР эффекта. На фиг.5 для структуры типа В приведена зависимость относительного изменения магнитосопротивления Δ(R/R)(H) многослойной МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов в магнитном поле, направленном вдоль направления протекания сенсорного тока (Н || J). Видно, что под действием магнитного поля происходит рост магнитосопротивления. Величина коэрцитивной силы не изменилась. В двух последних случаях (структуры типа В) изменение магнитосопротивления наноструктуры вдвое меньше.

На фиг.6 приведена угловая зависимость изменения магнитосопротивления Δ(R/R)(ϕ) многослойной МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов для магнитного поля Н=5 Э при изменении направления магнитного поля от направления, параллельного сенсорному току J, до направления, антипараллельного этому току. Эта зависимость соответствует вращению векторов намагниченности многослойной МР наноструктуры. Видно, что с изменением угла сопротивление многослойной МР наноструктуры дважды уменьшается и увеличивается приблизительно по линейному закону. Это соответствует поведению анизотропного МР эффекта, но не соответствует точно зависимости магнитосопротивления от угла между направлениями магнитного поля и сенсорного тока как cos²ϕ. Полученная экспериментальная зависимость противоречит и проявлению гигантского МР эффекта, который не зависит от направления сенсорного тока, а проявляется как косинус разности углов между направлением векторов намагниченности соседних магнитных пленок. Благодаря тому, что магнитные слои МР наноструктуры представляют из себя системы магнитных наноостровов, т.е. системы без доменных границ (каждый наноостров является одним доменом), перемагничивание такой структуры происходит за счет вращения вектора намагниченности. Это исключает из процесса перемагничивания медленные процессы, связанные с движением магнитных стенок, и основную роль играют быстрые, малоинерционные повороты магнитных моментов в слоях наноостровов. Такой тип перемагничивания приводит к быстрому отклику МР наноструктуры с магнитными наноостровами на изменение магнитного поля, т.е. предлагаемая МР структура может функционировать в переменных магнитных полях в широком частотном диапазоне.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о сложном характере перемагничивания МР наноструктуры, не соответствующем известным в настоящее время механизмам. Максимальная величина МР эффекта, полученная в многослойной МР наноструктуре из систем магнитных наноостровов, достигает 5% при комнатной температуре и величине магнитного поля 30 Э.

Авторами на основе теории микромагнетизма предложена модель, объясняющая экспериментальную угловую зависимость Δ(R/R)(ϕ) многослойной МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов (фиг.6). Наилучшие совпадения с экспериментом показала модель, предполагающая, что между магнитожестким CoNi и магнитомягким FeNi слоями существует сильное обменное взаимодействие.

Таким образом, предложенная многослойной МР наноструктура из систем магнитных наноостровов обладает высокой величиной МР эффекта. При планарном протекании через нее сенсорного тока и воздействии на нее магнитного поля происходит перемагничивание пар соседних слоев, приводящее к появлению выходного МР сигнала считывания. Наноострова резко увеличивают удельное сопротивление многослойной МР наноструктуры, что является положительным фактором для наноэлементов на основе подобных наноструктур. Отсутствие доменных стенок в слоях магнитных наноостровов приводит к возможности функционирования предлагаемой МР наноструктуры в переменных магнитных полях в широком частотном диапазоне, что значительно расширяет функциональные возможности предлагаемой МР наноструктуры. Эти свойства многослойной МР наноструктуры из систем магнитных наноостровов позволяют на отечественной технологической базе создавать на ее основе наноэлементы с высокими техническими характеристиками и новыми функциональными возможностями, в первую очередь, датчики магнитного поля и тока, логические и запоминающие МР наноэлементы, гальванические развязки.

1. Многослойная магниторезистивная наноструктура из пар чередующихся слоев магнитных материалов, защищенных сверху и снизу сплошным диэлектрическим слоем, отличающаяся тем, что слои каждой пары выполнены в виде наноостровов различных по величине поля перемагничивания магнитных материалов.

2. Многослойная магниторезистивная наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что наноострова каждого слоя соприкасаются с наноостровами вышележащего и нижележащего слоя.