[发明专利]一种以石墨烯作为势垒层的MTJ磁场传感器

说明书

技术领域

本发明主要涉及到微弱信号传感技术领域，特指一种以石墨烯作为势垒层的MTJ磁场传感器。

背景技术

弱磁场测量广泛应用于目标探测、地磁导航、磁存储器、地质勘探、生物医学等军事和国民经济领域。现有技术中用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、光泵式磁传感器、质子式磁传感器、光纤磁传感器、巨磁阻抗磁传感器、AMR（Anisotropic Magnetoresistive，各向异性磁阻）磁传感器，GMR（Giant Magnetoresistive，巨磁阻）磁传感器、MTJ（Magnetic Tunnel Junction，磁隧道结）磁传感器等。其中AMR、GMR和MTJ磁传感器是相比其他类型的磁传感器明显具有体积小、功耗低、易批量生产等特点。但是以AMR为敏感元件的磁传感器使用时需要设置set/reset线圈对其进行预设-复位操作，造成其制造工艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。而以多层膜GMR为敏感元件的磁传感器响应曲线呈偶对称，只能测量的磁场大小，不能反映磁场的方向。MTJ元件利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应（Tunnel Magnetoresistance，TMR）对磁场进行感应，比之前发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率、更高的灵敏度和更好的温度稳定性。

1975年Julliere在Fe/Ge/Co隧道结中观察到当两铁磁层磁化方向平行或反平行时，隧道结将具有不同的电阻值（Julliere M. Tunneling Between Ferromagnetic Films. Phys Lett A, 1975, 54(3):225-226)。这种因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象，称为磁隧道结效应。Fe/Ge/Co隧道结低温下的磁阻变化率高达14%，但在室温下却很小。在随后的30多年中人们对MTJ进行了系列深入研究。1995年Miyazaki小组实现了磁隧道结研究的突破性进展（Miyazki T, Tezuka N. Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al₂O₃/Fe junction. J. Magn. Magn. Mater., 1995, 139:L231），首次在Fe/Al₂O₃/Fe隧道结中发现在室温和几毫特磁场下的磁阻变化率高达15.6%，低温下更高，约为23%。2008年，S. Ikeda等制备的MgO基MTJ在室温下的磁阻变化率达到了604%，5K低温下则达1144%（S. Ikeda, J. Hayakawa, Y. Ashizawa, Y. M. Lee, K. Miura, H. Hasegawa, M.Tsunoda, F. Matsukura, and H. Ohno, Appl. Phys. Lett.2008, 93: 082508），这一记录性的实验结果已接近MgO基MTJ的理论预测值。

中国科学院物理研究所2004年申请了一种以复合铁磁层为铁磁电极的磁隧道结元件国家发明专利（申请号：200410030893.0），通过调节复合铁磁层中的薄铁磁层的厚度可以连续可调复合铁磁层的自旋极化率，从而可以调控该元件的隧道磁电阻值；通过调节作为自由层的复合铁磁层中薄铁磁层的厚度可以连续调整该自由层的矫顽力，从而可以调节该元件的快关场大小。该MTJ元件可应用于磁性随机存储器，但不适合用于对微弱磁场的精确测量。

Xia Li等人2009年申请了一种MTJ结构专利（专利号：US20110044096A1），该MTJ由底层电极、固定层、隧道势垒层、自由层和顶层电极组成。Jason Reid等2009年申请了一种包括热障层的MTJ结构的专利（专利号：US20110108937A1），相比传统MTJ结构具有更快的开关速度，与标准半导体制造过程具有更好的兼容性。Xiaohua Lou等2010年申请了一种交错排列MTJ专利（专利号：US20110026320A1，US008203874B2）。但是这些已有的技术方案中MTJ敏感元件用于微弱磁场测量，测量分辨力和精度需要进一步提高。