МНОГОСЛОЙНАЯ ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ НАНОСТРУКТУРА Российский патент 2008 года по МПК H01L43/10 

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных тонкопленочных наноструктур с анизотропным магниторезистивным эффектом.

Известны многослойные тонкопленочные АМР наноструктуры (С.И.Касаткин, Н.П.Васильева, А.М.Муравьев. Тонкопленочные многослойные магниторезистивные элементы // Тула. Гриф. 2001. 186 с.), в которых обе магнитомягкие пермаллоевые или FeNiCo пленки, разделенные немагнитным высокорезистивным слоем, устраняющим обменное взаимодействие между этими ферромагнитными пленками, перемагничиваются в одинаковом магнитном поле благодаря магнитостатическому взаимодействию. Недостатком подобных анизотропных магниторезистивных наноструктур является независящая от внешнего магнитного поля величина их поля перемагничивания, что ограничивает функциональные возможности магниторезистивных наноэлементов на их основе.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры, имеющей зависящее от внешнего магнитного поля поле перемагничивания входящих в нее магнитомягких пленок, что расширяет функциональные возможности наноструктуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре, содержащей первый защитный слой, на котором расположена первая и вторая магнитомягкие пленки, поверх которой размещен второй защитный слой, между первой и второй магнитомягкими пленками расположен полупроводниковый разделительный слой, компонентом которого является кремний, и толщина этого разделительного слоя достаточна для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками. Полупроводниковый слой может быть выполнен, в частности, из карбида кремния.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что при создании в многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре полупроводникового разделительного слоя карбида кремния, расположенного между двумя магнитомягкими пленками, возникает магнитное взаимодействие между каждой магнитомягкой пленкой и прилегающим к ней вышеуказанным разделительным полупроводниковым слоем. Это магнитное взаимодействие приводит к нелинейному изменению величины поля перемагничивания тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры в зависимости от величины перемагничивающего магнитного поля. Объяснить этот эффект можно, предполагая, что с ростом величины перемагничивающего магнитного поля, увеличивается магнитное взаимодействие между прилегающими друг к другу магнитомягким и полупроводниковым слоями. Это магнитное взаимодействие меняет энергию доменных границ в магнитомягкой пленке, что приводит к нелинейному изменению их скорости движения под действием внешнего магнитного поля, т.е. экспериментально наблюдаемой нелинейной зависимости изменения поля перемагничивания многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура в разрезе; на фиг.2 приведены осциллограммы сигналов перемагничивания в переменном магнитном поле (дифференциальная восприимчивость) Ti-FeNi-SiC-FeNi-Ti наноструктур; на фиг.3 представлена зависимость поля перемагничивания Ti-FeNi-SiC-FeNi-Ti наноструктуры от величины внешнего магнитного поля.

Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура содержит два защитных слоя 1, 2 (фиг.1), между которыми сформированы две магнитомягкие пленки 3, 4 с разделяющим их полупроводниковым слоем 5, который, в частности, может состоять из карбида кремния. Защитные слои 1, 2 обычно выполняются из высокорезистивных немагнитных металлов (Ti, Та) или их нитридов толщиной 3-5 нм. Их задача - защита магнитомягких пленок 3, 4 от внешних воздействий при изготовлении и эксплуатации наноэлементов на их основе, в первую очередь, от влияния кислорода.

Работа многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры происходит следующим образом. На фиг.2 представлены сигналы перемагничивания (дифференциальная восприимчивость) Ti-FeNi-SiC-FeNi-Ti наноструктуры, наводимые в катушке считывания, при действии на них внешнего переменного магнитного поля Н. При толщине полупроводникового слоя 5 не менее 5 нм обменное взаимодействие между двумя магнитомягкими пленками 3, 4 наноструктуры не сказывается на их магнитном состоянии. Благодаря магнитостатическому взаимодействию между этими магнитомягкими пленками, они в статическом состоянии намагничены антипараллельно друг другу. При воздействии на наноструктуру переменного внешнего магнитного поля обе магнитомягкие пленки 3, 4 перемагничиваются одновременно, т.е. многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура имеет единое поле перемагничивания.

Нами установлено, что величина магнитного взаимодействия между магнитомягкими пленками 3, 4 и разделительным полупроводниковым слоем карбида кремния 5 многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры зависит от величины внешнего магнитного поля H, что приводит к нелинейной зависимости поля перемагничивания наноструктуры Н_пер(Н). При небольшой величине Н (фиг.3) величина Н_пер - постоянна, затем с ростом Н происходит падение ее величины и потом дальнейшее восстановление величины Н_пер и отсутствие ее изменения с ростом Н. В ряде случаев восстановленное значение Н_пер может быть немного больше или меньше своего первоначального значения. Также могут меняться абсолютные значения поля перемагничивания магниторезистивной наноструктуры и диапазон магнитного поля, в котором это происходит в зависимости от толщины слоев данной магниторезистивной наноструктуры и режимов ее получения.

Для увеличения влияния этого магнитного взаимодействия между прилегающими друг к другу магнитомягкой пленкой 3 или 4 и полупроводниковым слоем 5 необходимо устранить обменное взаимодействие между двумя магнитомягкими пленками 3, 4 многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры. Обменное взаимодействие приводит к параллельному намагничиванию обеих магнитомягких пленок 3, 4 и их поведение соответствует свойствам единой магнитомягкой пленки. Уменьшение обменного взаимодействия между магнитомягкими пленками 3, 4 достигается использованием толщины разделительного полупроводникового слоя 5, расположенного между этими пленками, достаточной для устранения обменного взаимодействия. Обычно достаточно, чтобы толщина полупроводникового разделительного слоя 5 была не менее 3-4 нм при толщине магнитных пленок до 15 нм. Таким образом, появляется возможность для создания новых микро- и наноэлементов, принцип действия которых учитывает, что поле перемагничивания магнитомягких пленок, входящих в многослойную тонкопленочную магниторезистивную наноструктуру, нелинейно зависит от величины воздействующего на них внешнего магнитного поля.

Приведенные результаты показывают, что между магнитомягкими пленками 3, 4 и разделительным полупроводниковым слоем карбида кремния 5 многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре существует магнитное взаимодействие, зависящее от величины внешнего магнитного поля. Можно дать предположительное объяснение наблюдаемой полевой зависимости процессов перемагничивания, состоящее в том, что благодаря взаимной диффузии полупроводникового слоя и магнитомягкой пленки образуется тонкий, порядка одного- двух атомных слоев, интерфейс с намагниченностью, изменяющейся при увеличении амплитуды перемагничивающего переменного магнитного поля. Это приводит к нелинейной зависимости поля перемагничивания многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры.

Таким образом, в предложенной тонкопленочной многослойной магниторезистивной наноструктуре при воздействии на нее внешнего магнитного поля происходит нелинейное изменение поля перемагничивания магнитомягких пленок 3, 4 в зависимости от амплитуды магнитного поля. Физически это означает нелинейную зависимость скорости движения доменных границ в магнитомягких пленках 3, 4 при воздействии на них внешнего магнитного поля. Такое поведение многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры позволяет создавать наноэлементы с новыми принципами работы, в первую очередь, пороговые логические магниторезистивные наноэлементы. Отметим так же, что использование полупроводникового слоя карбида кремния 5 приводит к уменьшению величины коэрцитивной силы многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры. что означает уменьшение энергии доменных границ магнитомягких пленок 3, 4 и приведет к улучшению технических характеристик наноэлементов на их основе, в первую очередь, уменьшению гистерезиса и токов управления этих наноэлементов.

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным (МР) эффектом. В многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре, содержащей первый защитный слой, на котором расположена первая и вторая магнитомягкие пленки, поверх которой размещен второй защитный слой, между первой и второй магнитомягкими пленками расположен полупроводниковый разделительный слой, компонентом которого является кремний. Толщина этого разделительного слоя достаточна для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками. Полупроводниковый слой может быть выполнен, в частности, из карбида кремния. Изобретение обеспечивает получение многослойной МР наноструктуры, имеющей зависящее от внешнего магнитного поля поле перемагничивания входящих в нее магнитомягких пленок, что расширяет функциональные возможности наноструктуры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура, содержащая первый защитный слой, на котором расположена первая магнитомягкая пленка, вторая магнитомягкая пленка, поверх которой размещен второй защитный слой, а между первой и второй магнитомягкими пленками расположен разделительный слой, отличающаяся тем, что разделительный слой выполнен из полупроводникового материала, компонентом которого является кремний, и толщина этого разделительного слоя достаточна для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками.2. Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что разделительный слой выполнен из карбида кремния.