專利名稱：：一種單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種單晶NaCl(001)勢壘磁性隧道結(jié)，以及其在自旋電子器件中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：自1975年Julli&e發(fā)現(xiàn)隧穿磁電阻(TunnelMagnetoresistance，TMR)效應(yīng)以來，磁性隧道結(jié)中自旋相關(guān)電子的隧穿輸運性質(zhì)和隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)已成為凝聚態(tài)物理中的重要研究領(lǐng)域之一。1995年日本科學(xué)家T.Miyazaki和美國科學(xué)家J.S.Moodera在利用非晶Al-O絕緣材料做勢壘層的磁性隧道結(jié)(Magnetictunneljunction,MTJ)中分別獨立獲得了室溫下18%和10%的隧道磁電阻(TMR)比值，從而掀起了磁性隧道結(jié)的研究高潮，并極大推動了包括計算機硬磁盤磁記錄頭(MagneticRecordingHead)材料、磁性傳感器(MagneticSensor)、磁性隨機存儲器(MagneticRandom-AccessMemory,MRAM)器件等在內(nèi)一系列自旋電子器件的發(fā)展。目前，人們在磁性隧道結(jié)勢壘材料的研究方面取得了新的顯著成果，如實驗上已在單晶MgO(OOl)勢壘制成的磁性隧道結(jié)中獲得室溫高于400%的TMR值，遠大于目前普遍使用非晶Al-O勢壘層制成的隧道結(jié)(目前室溫TMR值達到80%)。這是由于對以單晶MgO(OOl)作為勢壘層的隧道結(jié)，隧穿電流主要由s帶電子(zll對稱性)貢獻，這個隧穿機制最早由Butler等人提出[W.H.Butler,"<a/.，Phys.Rev.B63，054416(2001)]，并被近幾年的實驗研究所證實[S.S.P.Parkin,"Nat.Mater.3,862(2004);S.Yuasa,d"/，Nat.Mater.3,868(2004)]。然而單晶MgO(001)勢壘隧道結(jié)在磁性隨機存儲器(MRAM)等器件應(yīng)用上仍有不足之處:MgO(OOl)勢壘層厚度必須在lnm至3nm左右以保證較高的TMR效應(yīng)，而此時隧道結(jié)電阻較大，導(dǎo)致器件功耗較高。若MgO勢壘層厚度較薄，而此時大規(guī)模制備的隧道結(jié)隧穿磁電阻不能保證良好的一致性。探索新的具有高磁電阻比值的單晶絕緣勢壘層磁性隧道結(jié)材料，而同時也能夠減小隧道結(jié)電阻和功耗，并且工藝簡單，成本低廉，環(huán)境友好，是發(fā)展新型磁性隧道結(jié)材料的新挑戰(zhàn)和必由之路。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種單晶NaCl(001)材料做勢壘的磁性隧道結(jié)，特別是單勢壘和雙勢壘的磁性隧道結(jié)，該磁性隧道結(jié)基本克服了現(xiàn)有單晶MgO(001)勢壘隧道結(jié)在實際應(yīng)用中還面臨著較大結(jié)電阻和功耗的缺陷，制造工藝簡單、成本更加低廉，同時還是資源豐富和環(huán)境友好的材料。本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供的單晶NaCl(001)勢壘磁性隧道結(jié)，其包括的核心膜層中的勢壘層為NaCl(001)單晶絕緣材料組成。該隧道結(jié)可以是單勢壘的，也可以是雙勢壘的。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，提供一種單晶NaClC001)單勢壘磁性隧道結(jié)，其包括一襯底，及其上的下部緩沖導(dǎo)電層、下部反鐵磁性釘扎層、核心膜層、頂部保護層和導(dǎo)電層，其核心膜層從下至上包括第一磁性層(以下簡稱M1)、勢壘層(以下簡稱Il)以及第二磁性層(以下簡稱M2)，即核心膜層的結(jié)構(gòu)為M1/I1/M2;第一磁性層M1的磁化方向由下部的反鐵磁性釘扎層釘扎，該反鐵磁性釘扎層可由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd與Mn的合金材料制成或其它CoO、NiO、PtCr等反鐵磁性材料構(gòu)成；而第二磁性層M2的磁化方向是自由的，即該層的磁化方向可隨外加磁場而發(fā)生改變，與磁性層M1的磁化方向相同或者相反，形成單勢壘隧道結(jié)平行(P態(tài))和反平行(AP態(tài))2種磁電阻狀態(tài)。所述的磁性層Ml和M2的組成材料包括鐵磁性材料FM、半金屬磁性材料HM、或者磁性半導(dǎo)體材料MSC，所述的第一磁性層M1和第二磁性層M2的厚度為150nm;兩個磁性層的厚度和材料可以相同或者不相同；所述的鐵磁性金屬材料FM包括Fe、Co、Ni等3d過渡族磁性單質(zhì)金屬，Sm、Gd、Nd等稀土單質(zhì)金屬，Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd-Y等鐵磁性合金；所述的半金屬磁性材料HM包括Fe304、Cr02、LaxSr^MnCb和Co2MnSi等Heussler合金；所述的磁性半導(dǎo)體材料MSC包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、Ti02、Hf02和Sn02，也包括Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN和ZnTe;所述的隧道勢壘層II的組成材料為NaCl(001)單晶絕緣材料，厚度為0.55.0nm。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，提供一種單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)，其包括一襯底，及其上的下部緩沖導(dǎo)電層、下部反鐵磁性釘扎層、核心膜層、上部反鐵磁性釘扎層、頂部保護層和導(dǎo)電層，其核心膜層從下至上包括第一磁性層(以下簡稱M1)、第一勢壘層(以下簡稱n)、第二磁性層(以下簡稱M2)、第二勢壘層(以下簡稱I2)以及第三磁性層(以下簡稱M3)，即核心膜層的結(jié)構(gòu)為M1/I1/M2/I2/M3;第一磁性層Ml和第三磁性層M3的磁化方向由下部和上部反鐵磁性層釘扎成同一個方向，該反鐵磁性釘扎層可由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd與Mn的合金材料制成或其它CoO、NiO、PtCr等反鐵磁性材料構(gòu)成；而第二磁性層M2的磁化方向是自由的，即該層的磁化方向可隨外加磁場而發(fā)生改變，與磁性層M1和M3的磁化方向相同或者相反，形成雙勢壘隧道結(jié)平行(P態(tài))和反平行(AP態(tài))2種磁電阻狀態(tài)。所述的磁性層M1、M2、M3的組成材料包括鐵磁性材料FM、半金屬磁性材料HM、或者磁性半導(dǎo)體材料MSC，所述的第一和第三磁性層Ml和M3的厚度為150nm;所述的第二磁性層M2的厚度為0.525nm;三個磁性層的厚度和材料可以相同或者不相同；所述的鐵磁性金屬材料FM包括:Fe、Co、Ni等3d過渡族磁性單質(zhì)金屬，Sm、Gd、Nd等稀土單質(zhì)金屬，Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd國Y等鐵磁性合金；所述的半金屬磁性材料HM包括Fe304、Cr02、LaxSr^MnC^和Co2MnSi等Heussler合金；所述的磁性半導(dǎo)體材料MSC包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、Ti02、Hf02和Sn02，也包括Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN和ZnTe;所述的隧道勢壘層Il、12的組成材料為NaCl(001)單晶絕緣材料，厚度為0.55.0nm;對于雙勢壘的核心膜層，II和12的厚度可以相同，也可以不同。本發(fā)明提供的單晶NaCl(001)磁性隧道結(jié)是在任意一種選定的現(xiàn)有技術(shù)的襯底上，利用常規(guī)的薄膜制備方法和相應(yīng)的微加工工藝制備而成。所述的薄膜制備方法可以為磁控濺射、分子束外延(MBE)、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積(PLD)、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)、電沉積或者脈沖激光沉積、液相化學(xué)反應(yīng)沉積和高純度NaCl鹽水人工調(diào)控結(jié)晶等方法。所述的微加工工藝可以為光刻法、金屬掩膜法、離子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和化學(xué)反應(yīng)刻蝕等。其中核心膜層的NaCl(001)勢壘層可以用物理或者化學(xué)沉積的方法獲得，如磁控濺射、分子束外延(MBE)、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積(PLD)、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)、電沉積或者脈沖激光沉積等。本發(fā)明提供的單晶NaCl(001)單勢壘和雙勢壘磁性隧道結(jié)可以使用微加工方法或絕緣體微米、亞微米或納米顆粒掩模方法制備成所需的隧道結(jié)圖形結(jié)構(gòu)，該圖形結(jié)構(gòu)可以為方形、矩形、橢圓形、六角形或其對應(yīng)的空心環(huán)狀磁矩閉合型磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)，隧穿電流主要由s帶多子電子(自旋向上，」l對稱性)貢獻，因此核心膜層中勢壘層(I1)兩邊磁性電極(M1和M2)磁化方向平行時(P態(tài))隧穿電流較大，此時隧道結(jié)電阻較??；而通過改變外磁場使得核心膜層中磁性電極層(M1和M2)磁化方向反平行(AP態(tài))時，兩邊磁電極能帶不匹配，隧穿電流較小，此時單勢壘隧道結(jié)電阻相對平行狀態(tài)(P態(tài))較大。因此可以得到室溫非常高的單勢壘隧穿磁電阻比值(大于200%)。同時NaCl(OO1)勢壘層產(chǎn)生的結(jié)電阻較小，降低了器件應(yīng)用上的功耗。本發(fā)明提供的單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)，隧穿電流主要由s帶多子電子(自旋向上，」l對稱性)貢獻，因此核心膜層中中間磁性層M2與兩端磁性電極M1和M3磁化方向平行時(P態(tài))隧穿電流較大，此時隧道結(jié)電阻較??；而通過改變外磁場使得核心膜層中中間磁性層M2與兩端磁性電極M1和M3反平行(AP態(tài))時，兩邊磁電極能帶不匹配，隧穿電流較小，此時雙勢壘隧道結(jié)電阻相對平行狀態(tài)(P態(tài))較大。因此可以得到室溫非常高的雙勢壘隧穿磁電阻比值(大于200M)。同時NaCl(001)勢壘層產(chǎn)生的結(jié)電阻較小，降低了器件應(yīng)用上的功耗。本發(fā)明提供的單晶NaCl(001)單勢壘和雙勢壘磁性隧道結(jié)可以應(yīng)用于新型自旋電子器件設(shè)計，例如可用于高靈敏度的磁敏、電敏、光敏和氣敏傳感器、磁性隨機存取存儲器(MRAM)存儲單元、磁邏輯器件、自旋晶體管單元等。本發(fā)明提供的單晶NaCl(001)單勢壘和雙勢壘磁性隧道結(jié)的優(yōu)點在于采用單晶NaCl(001)作為磁性隧道結(jié)的中間勢壘層，在有效提高隧道結(jié)隧穿磁電阻比值的同時能夠得到較小的結(jié)電阻，并且降低了器件應(yīng)用上的功耗。同時單晶NaCl(001)勢壘材料的制備工藝簡單，成本更加低廉，同時還是資源豐富和環(huán)境友好的材料。具體實施例方式實施例1、磁控濺射法制備單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的Si/Si02襯底上依次沉積厚度為10nm的下部緩沖導(dǎo)電層Ta;10nm的反鐵磁性釘扎層Ir-Mn;以及3層結(jié)構(gòu)的單勢壘核心膜層(M1/I1/M2)——Fe(10nm)/NaC1(001)(1nm)/Fe(10nm);在核心膜層的上方繼續(xù)濺射沉積10nm的Au頂部保護層。核心膜層中的單晶NaCl(001)絕緣層通過單晶NaCl靶材直接濺射形成。上述磁性多層膜的生長條件背底真空lxlO—6Pa;濺射用高純度氬氣氣壓0.07Pa;濺射功率120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp;生長溫度室溫；生長速率0.03O.llnm/sec;生長時間薄膜厚度/生長速率；在沉積反鐵磁釘扎層、核心膜層的Ml磁性層時，施加100Oe的平面誘導(dǎo)磁場，因此磁性層Ml的Fe由反鐵磁性釘扎層Ir-Mn固定成某一個磁化方向，而第二磁性層M2的Fe的磁化方向是相對自由的。沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在電子束曝光機上，根據(jù)所需的圖形對薄膜樣品進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成所需圖形，最后用去膠劑浸泡進行去膠。然后在此刻蝕成形的多層膜結(jié)構(gòu)上，利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、氣相化學(xué)反應(yīng)沉積等，沉積一層100nm厚的SiO2絕緣層，將各多層膜進行掩埋并且相互隔離，采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對Si02絕緣層進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為lOOnm的導(dǎo)電層Cu，生長條件如前所述，用常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機上，利用帶有待加工圖案的光刻版進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進行去膠，即得到本發(fā)明的單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)。當外加磁場使核心膜層中的M2與M1磁化方向平行時，隧穿電流主要由s帶多子電子(自旋向上，」l對稱性)貢獻，因此此時(P態(tài))隧穿電流較大，隧道結(jié)電阻較??；而通過改變外加磁場，使核心膜層中磁性電極層(M1和M2)磁化方向反平行(AP態(tài))時，兩邊磁電極能帶不匹配，隧穿電流較小，此時隧道結(jié)電阻相對平行狀態(tài)(P態(tài))較大。因此可以得到室溫非常高的隧穿磁電阻比值(大于200%)。實施例2、磁控濺射法制備單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)利用高真空磁控濺射設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的Si/Si02襯底上依次沉積厚度為10nm的下部緩沖導(dǎo)電層Ta;10腿的反鐵磁性釘扎層Ir-Mn;以及5層結(jié)構(gòu)的雙勢壘核心膜層(M1/I1/M2/I2/M3)——Fe(lOnm)/NaC1(001)(1.5nm)/Fe(2nm)/NaC1(1nm)/Fe(10nm);在核心膜層的上方繼續(xù)沉積12nm的反鐵磁性Ir-Mn釘扎層和10nm的Au頂部保護層。核心膜層中的單晶NaCl(OOl)絕緣層通過單晶NaCl靶材直接濺射形成。上述磁性多層膜的生長條件背底真空lxlO—6Pa;濺射用高純度氬氣氣壓0.07Pa;濺射功率120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp;生長溫度室溫；生長速率0.030.11nm/sec;生長時間薄膜厚度/生長速率；在沉積反鐵磁釘扎層、核心膜層的M1和M3磁性層時，施加100Oe的平面誘導(dǎo)磁場，因此磁性層Ml和M3的Fe由反鐵磁性釘扎層Ir-Mn固定成同一個磁化方向，而磁性層M2的Fe的磁化方向是相對自由的。沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在電子束曝光機上，根據(jù)所需的圖形對薄膜樣品進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成所需圖形，最后用去膠劑浸泡進行去膠。然后在此刻蝕成形的多層膜結(jié)構(gòu)上，利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、氣相化學(xué)反應(yīng)沉積等，沉積一層100nm厚的SiO2絕緣層，將各多層膜進行掩埋并且相互隔離，采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對Si02絕緣層進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為100nm的導(dǎo)電層Cu，生長條件如前所述，用常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機上，利用帶有待加工圖案的光刻版進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進行去膠，即得到本發(fā)明的單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)。當外加磁場使核心膜層中間磁性層M2與兩端磁性電極M1和M3磁化方向平行時，隧穿電流主要由s帶多子電子(自旋向上，」l對稱性)貢獻，因此此時(P態(tài))隧穿電流較大，隧道結(jié)電阻較??；而通過改變外加磁場，使核心膜層中中間磁性層M2與兩端磁性電極M1和M3磁化方向反平行(AP態(tài))時，兩邊磁電極能帶不匹配，隧穿電流較小，此時隧道結(jié)電阻相對平行狀態(tài)(P態(tài))較大。因此可以得到室溫非常高的隧穿磁電阻比值(大于200%)。實施例3、分子束外延方法制備單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)利用超高分子束外延設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的單晶Mg(X001)材料襯底上依次沉積厚度為10nm的下部緩沖導(dǎo)電層Ru;10nm的反鐵磁性釘扎層Pt-Mn;以及3層結(jié)構(gòu)的核心膜層(M1/I1/M2)—Co(15nm)/NaC1(001)(2nm)/Co(15nm);在核心膜層的上方繼續(xù)外延沉積5nm的Pt保護層。在外延沉積反鐵磁釘扎層、核心膜層的各個磁性層時，施加lOOOe的平面誘導(dǎo)磁場，因此磁性層Ml的Co由反鐵磁性釘扎層Pt-Mn固定，磁性層M2的Co的磁化方向是相對自由的。沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在電子束曝光機上，根據(jù)所需的圖形對薄膜樣品進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成所需圖形，最后用去膠劑浸泡進行去膠。然后在此刻蝕成形的多層膜結(jié)構(gòu)上，利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、氣相化學(xué)反應(yīng)沉積等，沉積一層120nm厚的SiO2絕緣層，將各多層膜進行掩埋并且相互隔離，采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對Si02絕緣層進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為120nm的導(dǎo)電層Al，生長條件如前所述，用常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機上，利用帶有待加工圖案的光刻版進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進行去膠，即得到本發(fā)明的單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)。本實施例的單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)其磁電阻效應(yīng)與實施例1相似，通過改變隧道結(jié)所受到的外磁場，結(jié)電阻在反平行狀態(tài)時(AP)相對平行狀態(tài)(P態(tài))較大。因此可以得到室溫非常高的隧穿磁電阻比值(大于200%)。實施例4、分子束外延方法制備單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)利用超高分子束外延設(shè)備在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的單晶MgO(001)材料襯底上依次沉積厚度為10nm的下部緩沖導(dǎo)電層Ru;10nm的反鐵磁性釘扎層Pt-Mn;以及5層結(jié)構(gòu)的雙勢壘核心膜層(M1/I1/M2/I2/M3)——Co(15nm)/NaC1(001)(2nm)/Co(5nm)/NaCl(1nm)/Co(15nm);在核心膜層的上方繼續(xù)沉積12nm的反鐵磁性釘扎層Pt-Mn和頂部5nm的Pt保護層。在外延沉積反鐵磁釘扎層、核心膜層的各磁性層時，施加1000e的平面誘導(dǎo)磁場，因此磁性層Ml和M3中的Co由反鐵磁性釘扎層Pt-Mn固定成同一磁化方向，而磁性層M2的Co的磁化方向是相對自由的。沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在電子束曝光機上，根據(jù)所需的圖形對薄膜樣品進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成所需圖形，最后用去膠劑浸泡進行去膠。然后在此刻蝕成形的多層膜結(jié)構(gòu)上，利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、氣相化學(xué)反應(yīng)沉積等，沉積一層120nm厚的SiO2絕緣層，將各多層膜進行掩埋并且相互隔離，采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對Si02絕緣層進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。最后利用高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為120nm的導(dǎo)電層Al，生長條件如前所述，用常規(guī)半導(dǎo)體微加工工藝加工出電極，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在紫外、深紫外曝光機上，利用帶有待加工圖案的光刻版進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把多層膜上的導(dǎo)電層刻成四個電極的形狀，最后用去膠劑浸泡進行去膠，即得到本發(fā)明的單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)。本實施例的單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)其磁電阻效應(yīng)與實施例2相似，通過改變隧道結(jié)所受到的外磁場，結(jié)電阻在反平行狀態(tài)時(AP)相對平行狀態(tài)(P態(tài))較大。因此可以得到室溫非常高的隧穿磁電阻比值(大于200%)。實施例5、利用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法制備單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)首先利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的GaAs材料襯底上依次沉積厚度為15nm的下部緩沖導(dǎo)電層Ta;10nm的反鐵磁性釘扎層PtCr;以及3層結(jié)構(gòu)的單勢壘核心膜層(M1/I1/M2)中的2個磁性層一Co-Fe-B(20nm)和Co-Fe-B(20nm);在核心膜層的上方繼續(xù)沉積5nm的Cr保護層。而核心膜層(M1/I1/M2)中的單晶NaCl(001)絕緣層II由金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法制成。上述磁性多層膜的生長條件備底真空5xl0—7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓0.07Pa;濺射功率120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp;生長溫度室溫；生長速率0.030.11nm7sec;生長時間薄膜厚度/生長速率；在沉積反鐵磁釘扎層、核心膜層的各個磁性層時，施加1000e的平面誘導(dǎo)磁場，因此磁性層M1的Co-Fe-B由反鐵磁性釘扎層PtCr固定，磁性層M2的Co-Fe-B的磁化方向是相對自由的。沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在電子束曝光機上，根據(jù)所需的圖形對薄膜樣品進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成所需圖形，最后用去膠劑浸泡進行去膠。然后在此刻蝕成形的多層膜結(jié)構(gòu)上，利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、氣相化學(xué)反應(yīng)沉積等，沉積一層130nm厚的SiO2絕緣層，將各多層膜進行掩埋并且相互隔離，采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對Si02絕緣層進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。最后利用金屬掩膜方法通過高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為200nm的導(dǎo)電層Au(頂部電極)，即得到本發(fā)明的單晶NaCl(001)單勢壘勢壘磁性隧道結(jié)。本實施例的單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)其磁電阻效應(yīng)與實施例1相似，通過改變隧道結(jié)所受到的外磁場，結(jié)電阻在反平行狀態(tài)時(AP)相對平行狀態(tài)(P態(tài))較大。因此可以得到室溫非常高的隧穿磁電阻比值(大于200%)。實施例6、利用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法制備單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)首先利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積、分子束外延等，在經(jīng)過常規(guī)方法清洗的GaAs材料襯底上依次沉積厚度為15nm的下部緩沖導(dǎo)電層Ta;10nm的反鐵磁性釘扎層PtCr;以及5層結(jié)構(gòu)的雙勢壘核心膜層(M1/I1/M2/I2/M3)中的3個磁性層——Co-Fe-B(20nm)、Co-Fe-B(5nm)和Co-Fe-B(20nm);在核心膜層的上方繼續(xù)沉積10nm的反鐵磁性釘扎層PtCr和頂部5nm的Cr保護層。而3層結(jié)構(gòu)的核心膜層(Ml/I/M2)和5層結(jié)構(gòu)核心膜層(M1/I1/M2/I2/M3)中的單晶NaCl(001)絕緣層II和12由金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法制成。上述磁性多層膜的生長條件備底真空5x10—7Pa;濺射用高純度氬氣氣壓0.07Pa;濺射功率120W;樣品架旋轉(zhuǎn)速率20rmp;生長溫度室溫；生長速率0.030.11nm/sec;生長時間薄膜厚度/生長速率；在沉積反鐵磁釘扎層、核心膜層的各個磁性層時，施加lOOOe的平面誘導(dǎo)磁場，因此磁性層Ml和M3中的Co-Fe-B由反鐵磁性釘扎層PtCr固定成同一磁化方向，而磁性層M2的Co-Fe-B的磁化方向是相對自由的。沉積好的磁性多層膜采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)，即首先經(jīng)過涂膠、前烘，再在電子束曝光機上，根據(jù)所需的圖形對薄膜樣品進行曝光，接著顯影、定影、后烘，然后用離子刻蝕方法把磁性多層膜刻成所需圖形，最后用去膠劑浸泡進行去膠。然后在此刻蝕成形的多層膜結(jié)構(gòu)上，利用常規(guī)的薄膜生長手段，例如磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、氣相化學(xué)反應(yīng)沉積等，沉積一層130nm厚的SiO2絕緣層，將各多層膜進行掩埋并且相互隔離，采用現(xiàn)有技術(shù)中的微加工技術(shù)進行刻蝕，即首先在聚焦離子束設(shè)備上定位到沉積有多層膜的位置，接著利用聚焦離子束刻蝕方法對Si02絕緣層進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的磁性多層膜暴露。最后利用金屬掩膜方法通過高真空磁控濺射設(shè)備沉積一層厚度為200nm的導(dǎo)電層Au(頂部電極)，即得到本發(fā)明的單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)。本實施例的單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)其磁電阻效應(yīng)與實施例2相似，通過改變隧道結(jié)所受到的外磁場，結(jié)電阻在反平行狀態(tài)時(AP)相對平行狀態(tài)(P態(tài))較大。因此可以得到室溫非常高的隧穿磁電阻比值(大于200%)。實施例712、按照實施例1相同的方法制備單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)，核心膜層中的NaCl(001)勢壘層Il通過單晶NaCl耙材直接濺射形成。其多層膜的各層材料和厚度列于表1中。表l、本發(fā)明的單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)多層膜的結(jié)構(gòu)(單位nm-納米)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>實施例1318、按照實施例2相同的方法制備單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)，核心膜層中的NaCl(001)勢壘層II和12通過單晶NaCl靶材直接濺射形成。其多層膜的各層材料和厚度列于表2中。表2、本發(fā)明的單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)多層膜的結(jié)構(gòu)(單位nm-納米)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>實施例1924、按照實施例3相同的方法制備單晶NaCl(001)單勢壘磁性隧道結(jié)，核心膜層中的NaCl(001)勢壘層II通過分子束外延方法形成。其多層膜的各層材料和厚度列于表3中。表3、本發(fā)明的單晶NaCl(001)勢壘單磁性隧道結(jié)多層膜的結(jié)構(gòu)(單位nm-納米)<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>實施例3742、按照實施例6相同的方法制備單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)，核心膜層中的單晶NaCl(001)絕緣層II和12由金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法制成。其多層膜的各層材料和厚度列于表6中。表3、本發(fā)明的單晶NaCl(001)雙勢壘磁性隧道結(jié)多層膜的結(jié)構(gòu)(單位nm-納<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>權(quán)利要求1、一種單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于其包括的核心膜層中的隧道結(jié)勢壘層為NaCl(001)單晶絕緣材料組成。2、如權(quán)利要求l所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于隧道結(jié)是單勢壘的，該單勢壘的隧道結(jié)包括一襯底，及其上的下部緩沖導(dǎo)電層、下部反鐵磁性釘扎層、核心膜層、頂部保護層和導(dǎo)電層，其核心膜層從下至上包括第一磁性層、勢壘層以及第二磁性層；第一磁性層的磁化方向由下部的反鐵磁性釘扎層釘扎，第二磁性層的磁化方向是自由的，隨外加磁場而發(fā)生改變，與第一磁性層的磁化方向相同或者相反，形成單勢壘隧道結(jié)的包括平行P態(tài)和反平行AP態(tài)在內(nèi)的2種磁電阻狀態(tài)。3、如權(quán)利要求2所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于所述的隧道勢壘層由NaCl(001)單晶絕緣材料組成，該層的厚度為0.55.0nm。4、如權(quán)利要求2所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于所述的第一磁性層和第二磁性層由鐵磁性材料、半金屬磁性材料、或者磁性半導(dǎo)體材料組成，所述的第一磁性層的厚度和第二磁性層的厚度為150nm。5、如權(quán)利要求4所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于所述的鐵磁性金屬材料包括3d過渡族磁性單質(zhì)金屬，稀土單質(zhì)金屬，或鐵磁性合金Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd-Y;所述的半金屬磁性材料包括Fe304、Cr02、LaxSivxMn03或Co2MnSi;所述的磁性半導(dǎo)體材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、Ti02、Hf02或Sn02，或是Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN和ZnTe。6、如權(quán)利要求l所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于隧道結(jié)是是雙勢壘的，該雙勢壘的磁性隧道結(jié)包括一襯底，及其上的下部緩沖導(dǎo)電層、下部反鐵磁性釘扎層、核心膜層、上部反鐵磁性釘扎層、頂部保護層和導(dǎo)電層，其核心膜層從下至上包括第一磁性層、第一勢壘層、第二磁性層、第二勢壘層以及第三磁性層；第一磁性層和第三磁性層的磁化方向由下部和上部反鐵磁性釘扎層釘扎成同一個方向；而第二磁性層的磁化方向是自由的，隨外加磁場而發(fā)生改變，與第一磁性層和第三磁性層的磁化方向相同或者相反，形成雙勢壘隧道結(jié)的包括平行P態(tài)和反平行AP態(tài)在內(nèi)的2種磁電阻狀態(tài)。7、如權(quán)利要求6所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于所述的第一勢壘層和第二勢壘層由NaCl(001)單晶絕緣材料組成，兩層的厚度分別為0.55.0nm。8、如權(quán)利要求6所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于所述的第一、第二和第三磁性層由鐵磁性材料、半金屬磁性材料、或者磁性半導(dǎo)體材料組成，所述的第一和第三磁性層的厚度為150nm;所述的第二磁性層M2的厚度為0.525nm。9、如權(quán)利要求8所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其特征在于所述的鐵磁性金屬材料包括3d過渡族磁性單質(zhì)金屬，稀土單質(zhì)金屬，或鐵磁性合金Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd-Y;所述的半金屬磁性材料包括Fe304、Cr02、LaxSr1-xMnO3或Co2MnSi;所述的磁性半導(dǎo)體材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的ZnO、Ti02、Hf02或Sn02，或是Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN和ZnTe。10、權(quán)利要求1至9中任一所述的單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)在自旋電子器件中的應(yīng)用，其可用于磁敏、電敏、光敏和氣敏傳感器、磁性隨機存取存儲器存儲單元、磁邏輯器件單元或自旋晶體管。全文摘要本發(fā)明涉及一種單晶NaCl勢壘磁性隧道結(jié)，其包括的核心膜層中的隧道結(jié)勢壘層為NaCl(001)單晶絕緣材料組成。該隧道結(jié)可以是單勢壘的，也可以是雙勢壘的。本發(fā)明提供的單晶NaCl(001)磁性隧道結(jié)可以應(yīng)用于新型自旋電子器件設(shè)計，例如可用于高靈敏度的磁敏、電敏、光敏和氣敏傳感器、磁性隨機存取存儲器(MRAM)存儲單元、磁邏輯、或自旋晶體管等器件單元。本發(fā)明采用單晶NaCl(001)作為磁性隧道結(jié)的中間勢壘層，在有效提高隧道結(jié)隧穿磁電阻比值的同時能夠得到較小的結(jié)電阻，并且降低了器件應(yīng)用上的功耗。同時單晶NaCl(001)勢壘材料的制備工藝簡單，成本更加低廉，同時還是資源豐富和環(huán)境友好的材料。文檔編號H01L43/08GK101393963SQ200710122198公開日2009年3月25日申請日期2007年9月21日優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日發(fā)明者張曉光,琰王,韓秀峰申請人:中國科學(xué)院物理研究所