專利名稱：具有單磁疇結(jié)構(gòu)的電流垂直于平面構(gòu)型自旋閥及制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于磁性存儲技術領域，特別是提供了一種具有單磁疇結(jié)構(gòu)的電流垂直于平面構(gòu)型自旋閥結(jié)構(gòu)及其制備方法，自旋閥具有高的室溫磁電阻效應，可在下一代超高存儲密度計算機硬盤中的應用。
背景技術：
目前當今被廣泛應用的電子計算機技術中，其對信息的存儲主要是通過計算機硬盤得以實現(xiàn)。因而作為計算機硬盤的關鍵部件之一，硬盤的讀出磁頭對硬盤的存儲密度的大小起著舉足輕重的作用。今天的計算機硬盤中，“讀”的過程是采用電流平行于平面構(gòu)型的自旋閥(以下簡稱CIP-SPV)磁頭。隨著日本富士通公司推出的特種雙自旋閥的投入應用，目前的硬盤存儲密度已經(jīng)接近150Gbits每平方英寸。理論研究表明[J.Zhang et al.，IEEE Transactions on Magnetics，vol.37，1678-1680(2001).]，如果繼續(xù)使用CIP-GMR磁頭的話，計算機硬盤在達到200~250 Gbits每平方英寸的存儲密度后就會達到飽和。為了進一步提高存儲密度，必須實現(xiàn)更低磁場下的更高磁電阻表現(xiàn)。但是CIP-GMR在這方面已經(jīng)走到了盡頭，因而尋求下一代讀磁頭材料，是實現(xiàn)超高密度磁存儲的首要條件。而電流垂直于平面構(gòu)型的自旋閥(以下簡稱CPP-SPV)是最具潛力的下一代讀出磁頭材料。一方面，對于一個自旋閥來說，其CPP方向的磁電阻總是要大于CIP方向的值；另一方面，隨著存儲密度的提高，存儲元件的尺寸大幅度減小，CPP-SPV的電阻變化(即輸出電壓)反而增加，讀出靈敏度提高。這也是CPP-SPV的獨特優(yōu)勢。但是通常結(jié)構(gòu)的CPP-SPV來說(即只有一個耦合層且釘扎層和自由層均為鈷或者鈷鐵合金)，其磁電阻很小，不能直接應用于讀出磁頭。另外，由于通常的CPP-SPV呈較復雜的磁疇結(jié)構(gòu)，隨著存儲密度的提高，元件尺寸的減小，磁疇邊緣生成巨大的退磁場，從而使得讀出磁頭的切換場大幅度增加，大幅度提高了讀出的能量損耗。因而如何提高CPP-SPV的性能和改善其磁結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了當今凝聚態(tài)物理及材料領域的研究前沿。另一個有趣的結(jié)構(gòu)是所謂的“合成反鐵磁結(jié)構(gòu)”(以下簡稱SyAF)，它是由兩個鐵磁性層和一層金屬釕所組成的三明治結(jié)構(gòu)。在特定的釕層厚度下，兩鐵磁層呈強反鐵磁性耦合。日本東北大學的一個研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，SyAF呈良好的單磁疇特性[N.Tezuka et al.，Applied Physics Letters，82，604-606(2003).]。當存儲元件尺寸降低到亞微米級時，這種單磁疇特性可以有效的降低磁性多層膜的切換場。本發(fā)明巧妙地運用兩個SyAF組合結(jié)構(gòu)，既能明顯改善CPP-SPV的磁結(jié)構(gòu)，又能大幅度提高其室溫下的磁電阻效應。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于具有單磁疇結(jié)構(gòu)的電流垂直于平面構(gòu)型自旋閥結(jié)構(gòu)及其制備方法，通過改變自旋閥中存儲元件的結(jié)構(gòu)，明顯改善自旋閥的磁結(jié)構(gòu)和提高其室溫下的磁電阻效應。
本發(fā)明采用二氧化硅基片，通過等離子體濺射、磁控濺射或者分子束外延生長手段首先制備出大尺寸的自旋閥結(jié)構(gòu)。然后通過電子束印刷和離子刻蝕的手段制備出亞微米或納米尺寸的自旋閥即告完成。
本發(fā)明的自旋閥由底電極層、反鐵磁層、鈷或鈷鐵合金、金屬釕層、金屬銅層、頂電極層等10層金屬膜組成。具體結(jié)構(gòu)為自旋閥的最底層為20～200納米厚的金屬銅或金，稱為底電極層。
從底往上第二層為10～20納米厚的反鐵磁層，例如氧化鈷或銥錳合金等。
從底往上第三層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為2～10納米。
從底往上第四層為一層金屬釕層，厚度為0.4～1納米。
從底往上第五層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為2～10納米。
第三、四和五層組成一個SyAF復合結(jié)構(gòu)，其磁矩被反鐵磁層所釘扎，稱為釘扎SyAF層。
從底往上第六層為金屬銅層，厚度為2～6納米，稱為耦合層。
從底往上第七層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為2～10納米。
從底往上第八層為一層金屬釕層，厚度為0.4～1納米。
從底往上第九層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為2～10納米。
第七、八和九層也組成一個SyAF復合結(jié)構(gòu)，其總矯頑力較小，稱為自由SyAF層。
從底往上第十層為20～200納米的金屬銅或金，為頂電極層。
該自旋閥結(jié)構(gòu)中，對于因為金屬釕與鈷的界面處形成一種釕/鈷合金，該合金強烈散射主自旋電子，使得所有釕與鈷的界面處均出現(xiàn)強烈的自旋散射，從而可以大幅度提高自旋閥的磁電阻效應。另外，由于該自旋閥的自由層為SyAF結(jié)構(gòu)，SyAF的單磁疇特征可以大大的改善自旋閥的磁結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于巧妙的利用兩個SyAF結(jié)構(gòu)的組合，既能改善自旋閥的磁結(jié)構(gòu)，又能夠大幅度地提高自旋閥在室溫下的磁電阻效應。
具體實施例方式
實驗制備出了十種自旋閥結(jié)構(gòu)，具體構(gòu)成如下表表示 申請人:分別用等離子體濺射、磁控濺射和分子束外延生長等三種方法制備出上述十種結(jié)構(gòu)的自旋閥器件共計三十個，通過測試，發(fā)現(xiàn)上述所有這些自旋閥在尺寸為0.6×0.3平方微米的時候均可以達到單磁疇結(jié)構(gòu)，且它們在室溫下的磁電阻效應比通常結(jié)構(gòu)的自旋閥要提高3到4倍。具體實施的結(jié)果有力地說明了本發(fā)明可以有效的改善自旋閥的磁結(jié)構(gòu)并大幅度的提高其在室溫下的磁電阻效應。
權(quán)利要求
1.一種具有單磁疇結(jié)構(gòu)的電流垂直于平面構(gòu)型自旋閥，其特征在于由底電極層、反鐵磁層、鈷或鈷鐵合金、金屬釕層、金屬銅層、頂電極層10層金屬膜組成；具體結(jié)構(gòu)為自旋閥的最底層為底電極層，成分為金屬銅或金，厚度為20～200納米；a、從底往上第二層為反鐵磁層，厚度為10～20納米；b、從底往上第三層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為2～10納米；c、從底往上第四層為金屬釕層，厚度為0.4～1納米；d、從底往上第五層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為2～10納米；e、從底往上第六層為金屬銅層，厚度為2～6納米；f、從底往上第七層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為2～10納米；g、從底往上第八層為一層金屬釕層，厚度為0.4～1納米；h、從底往上第九層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為2～10納米；i、從底往上第十層為頂電極層，厚度為20～200納米。
2.按照權(quán)利要求1所述的自旋閥，其特征在于所述的反鐵磁層為氧化鈷或銥錳合金，所述的頂電極層為金屬銅或金。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的自旋閥，其特征在于第三、四和五層組成一個SyAF復合結(jié)構(gòu)，其磁矩被反鐵磁層所釘扎；第七、八和九層也組成一個SyAF復合結(jié)構(gòu)。
4.一種制備權(quán)利要求1所述自旋閥的方法，其特征在于采用二氧化硅基片，通過等離子體濺射或磁控濺射、分子束外延生長手段首先制備出大尺寸的自旋閥結(jié)構(gòu)；然后通過電子束印刷和離子刻蝕的手段制備出亞微米尺寸或納米尺寸的自旋閥。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有單磁疇結(jié)構(gòu)的電流垂直于平面構(gòu)型自旋閥結(jié)構(gòu)及其制備方法。自旋閥由底電極層、反鐵磁層、鈷或鈷鐵合金、金屬釕層、金屬銅層、頂電極層組成。其制備方法是采用二氧化硅基片，通過等離子體濺射或磁控濺射、分子束外延生長手段首先制備出自旋閥結(jié)構(gòu)；然后通過電子束印刷和離子刻蝕的手段制備出納米尺寸的自旋閥器件。本發(fā)明的優(yōu)點在于巧妙的利用兩個SyAF結(jié)構(gòu)的組合，既能改善自旋閥的磁結(jié)構(gòu)，又能夠大幅度地提高自旋閥在室溫下的磁電阻效應。
文檔編號G11B5/39GK1606065SQ20041000980
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月16日
發(fā)明者姜勇, 于廣華, 王燕斌 申請人:北京科技大學