МНОГОСЛОЙНАЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ КОМПОЗИТНАЯ НАНОСТРУКТУРА
MULTILAYER MAGNETORESISTIVE COMPOSITE NANOSTRUCTURE

Изобретение относится к области магнитных нанокомпозитных материалов и структур с гигантским магниторезистивным эффектом и может быть использовано в магниторезистивных датчиках и магнитной памяти с произвольной выборкой информации.
Известны различные магниторезистивные структуры на основе однородных тонкопленочных структур типа ферромагнитный слой - промежуточный слой из немагнитного металла - второй ферромагнитный слой с увеличенной коэрцитивной силой, например: (С.И.Касаткин, И.Д.Киселева, В.В.Лопатин, A.M.Муравьев, Ф.Ф.Попадинец, А.В.Сватков. Магниторезистивный датчик. Патент РФ №2139602, 2000). Такие структуры обладают рядом принципиальных недостатков, что препятствует их практическому использованию несмотря на то, что они были предложены более десяти лет назад, а попытки разработки таких структур продолжаются до настоящего времени. Основными недостатками таких структур являются малая величина магниторезистивного эффекта, низкое сопротивление реальных устройств на основе таких тонкопленочных структур.
Известны тонкопленочные структуры типа ферромагнитный металл -туннельный контакт в виде диэлектрического материала толщиной на уровне нанометра - второй ферромагнитный металл с увеличенной коэрцитивной силой за счет обменного взаимодействия с дополнительным нижележащим слоем из антиферромагнитного материала (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, Sensor and Actuators A. Physical 2000, v.81, (1-3), p.57-59). Устройства на основе таких тонкопленочных структур отличаются существенно большими значениями магниторезистивного эффекта, высокими значениями сопротивления, связанным с туннелированием электронов через потенциальный барьер, и большим быстродействием. Однако такие тонкопленочные структуры имеют существенные технологические ограничения, связанные с чрезвычайно малой толщиной диэлектрического слоя на уровне одного нанометра, что приводит в реальном технологическом процессе изготовления такой структуры к возникновению омических закороток между двумя рабочими ферромагнитными слоями и малому выходу годных приборов. На данном этапе развития технологии эта проблема является трудно разрешимой.
Наиболее близкой к заявляемой наноструктуре является наноструктура, содержащая два типа ферромагнитных нанокластеров, характеризующихся различными значениями коэрцитивной силы, и разделенных туннельными барьерами из диэлектрического материала (Пудонин Ф.А., Болтаев А.П., Касаткин С.И. Многослойная нанорезистивная структура. Патент РФ №2318255 С1, 2006)
Эффект обменного смещения, необходимый для поддержания двух различных состояний намагниченности системы из магнитомягких и магнитотвердых нанокластеров - намагниченности двух магнитных подсистем направлены параллельно или антипараллельно, достигается за счет формирования чрезвычайно тонких и трудно контролируемых по толщине слоев антиферромагнитных окислов на поверхности магнитомягких и магнитотвердых нанокластеров. В результате эффект обменного смещения имеет недостаточное значение для надежного функционирования магниторезистивных элементов, кроме того, эффект обменного смещения в известных структурах такого типа обычно исчезает при температуре около 20°С, что недостаточно для устройств, предназначенных для работы в стандартном температурном интервале от 0 до 80°С.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание композитной наноструктуры с высоким туннельным магниторезистивным эффектом с возможностью функционирования при рабочих температурах до 80°С и повышение надежности технологии изготовления приборов на основе предлагаемых наноструктур.
Указанный технический результат достигается тем, что в многослойной магниторезистивной композитной наноструктуре, состоящей из слоя магнитомягкого ферромагнитного материала и нескольких чередующихся слоев магнитных нанокластеров, согласно изобретению слой магнитомягкого ферромагнитного материала имеет толщину 3-5 нм и отделен от магнитных нанокластеров слоем из немагнитного диэлектрика толщиной 1,5-3,0 нм, за которым расположены чередующиеся слои магнитных нанокластеров из ферромагнитного материала толщиной 0,8-2,0 нм и антиферромагнитного диэлектрического материала толщиной 1,5-3,0 нм.
Количество слоев магнитных нанокластеров и антиферромагнитного диэлектрического материала равно от 2 до 5.
Магнитомягкий ферромагнитный материал и магнитные нанокластеры представляют собой сплав никеля и железа. Немагнитный диэлектрический слой выполнен из оксида кремния, а антиферромагнитный диэлектрический материал изготовлен из окиси никеля.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание композитной наноструктуры, состоящей из сплошного магнитомягкого слоя толщиной 3-5 нм, и матрицы, в которой находятся нанокластеры из ферромагнитного материала, отделенные друг от друга туннельными барьерами из антиферромагнитного диэлектрика. По технологическим соображениям указанная матрица формируется в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев нанокластеров из ферромагнитного материала с эффективной толщиной 0,8-2,0 нм (при такой эффективной толщине слоя ферромагнитного материала пленка не является сплошной, а представляет собой нанокластерную структуру, если осаждение пленки производится на нижележащий слой из диэлектрического материала) и антиферромагнитного диэлектрического материала толщиной от 1,5 до 3,0 нм.
Первый слой нанокластеров отделяется от сплошного слоя магнитомягкого ферромагнитного материала слоем немагнитного диэлектрика, например оксида кремния толщиной 1,5-3,0 нм, чтобы избежать обменного взаимодействия между сплошным слоем магнитомягкого материала и слоем из антиферромагнитного материала.
Общее количество чередующихся слоев нанокластеров и антиферромагнитного диэлектрического материала может изменяться в интервале от двух до пяти в зависимости от толщины индивидуальных слоев. При этом магнитные нанокластеры и магнитомягкий ферромагнитный материал имеют одинаковый химический состав и представляют собой сплав никеля и железа.
Использование предложенной конструкции наноструктуры позволяет решить главную проблему, препятствующую практическому использованию структур с туннельным магниторезистивным эффектом, - наличие закороток в туннельных барьерах, приводящих к катастрофическим отказам туннельных магниторезистивных структур. В случае нанокомпозитных материалов предложенной конструкции, как это уже пояснялось ранее, наличие омических закороток между отдельными нанокластерами не приводит к катастрофическому закорачиванию устройства, а лишь незначительно снижает результирующее сопротивление. Так как при этом перенос носителей заряда происходит в результате квантового туннелирования электронов сквозь барьерный разделительный слой антиферромагнитного диэлектрика, так что не происходит снижения величины туннельного магниторезистивного эффекта.
Изобретение поясняется чертежом. На чертеже представлена многослойная магниторезистивная тонкопленочная композитная наноструктура в разрезе, содержащая подложку (1), нижний электрод (2), слой магнитомягкого ферромагнитного материала из сплава никеля и железа толщиной 3 нм (3), слой немагнитного диэлектрика из оксида кремния толщиной 2,0 нм (4), первый слой нанокластеров из ферромагнитного материала из сплава никеля и железа с эффективной толщиной 1,0 нм (5), слой антиферромагнитного диэлектрического материала из окиси никеля толщиной 1,5 нм (6), второй слой нанокластеров из ферромагнитного материала из сплава никеля и железа с эффективной толщиной 1,0 нм (7), слой антиферромагнитного диэлектрического материала из окиси никеля толщиной 1,5 нм (8), верхний электрод (9).
Результатом изобретения является получение магнитной композитной наноструктуры, состоящей из двух подсистем: первая подсистема содержит сплошной слой из магнитомягкого ферромагнитного материала толщиной 3-5 нм, и слоя немагнитного диэлектрика толщиной 1,5-2,0 нм, а вторая подсистема содержит в матрице несколько чередующихся слоев магнитных нанокластеров размером 0,8-2,0 нм из ферромагнитного материала и слой из антиферромагнитного диэлектрического материала, который обеспечивает требуемую величину эффекта обменного смещения и температуру блокировки нанокластеров выше комнатной. Технология производства таких наноструктур обеспечивает высокую воспроизводимость в условиях серийного производства.
Слои из антиферромагнитного диэлектрического материала обеспечивают формирование туннельных барьеров между смежными ферромагнитными нанокластерами при условии, что толщина барьерного слоя находится в интервале 1,5-3,0 нм, и блокировку суперпарамагнитного поведения нанокластеров за счет обменного взаимодействия между спиновой системой нанокластера и антиферромагнитного диэлектрического слоя. В то же время наличие случайного омического контакта между смежными нанокластерами или слишком тонкого барьерного слоя не приводит к деградации параметров наноструктуры по сравнению с классическим вариантом структур из двух тонких слоев ферромагнитных материалов, разделенных туннельным барьером в виде сплошной пленки диэлектрика. Дело в том, что наличие даже одной закоротки в диэлектрическом слое туннельного барьера в классической многослойной тонкопленочной наноструктуре приводит к катастрофическому отказу туннельной магниторезистивной структуры.
В рассматриваемой наноструктуре спин-поляризованные электроны проходят последовательно через несколько туннельных барьеров (контактов) между соседними нанокластерами, причем указанные туннельные барьеры имеют очень малую площадь на уровне нескольких квадратных нанометров. Наличие матрицы, в которой разделительные туннельные барьеры между соседними нанокластерами образуются из антиферромагнитного диэлектрика, приводит к тому, что между ферромагнитными нанокластерами и антиферромагнитным диэлектрическим материалом возникает эффект обменного смещения, в результате система нанокластеров ведет себя как магнитожесткий материал.
Антиферромагнитный диэлектрический материал выбирается из условия необходимости функционирования устройств на основе предложенного нанокомпозитного материала при рабочих температурах выше 20°С. В данном конкретном примере таким материалом является окись никеля, который позволяет расширить рабочий диапазон до 80°С.
Таким образом, предложенная конструкция позволяет получить композитную наноструктуру с гигантским туннельным магниторезистивным эффектом, которая позволяет функционировать при рабочих температурах до 80°С. При этом обеспечивается повышение надежности технологии изготовления приборов на основе предлагаемых наноструктур.