本發明專利技術提供了一種閉合形狀的磁性隧道結。包括磁性固定層、磁性自由層以及設置在磁性固定層和磁性自由層之間的阻擋層；磁性自由層包括至少一組復合子層；復合子層由第一磁性層/非磁性層/第二磁性層組成。通過在磁性隧道結中設置具有至少一組復合子層的磁性自由層，由于該磁性自由層與參考層的磁矩成閉合狀且磁性自由層包括至少一組復合子層，可消除層間和相鄰單元的雜散磁場、避免層間和相鄰單元間的磁性耦合干擾，增強了鐵磁耦合自由層的形狀各向異性，提高了熱穩定性，降低了臨界電流密度，避免了使用外磁場或者由較大脈沖電流產生的合成磁場來操控磁化狀態所帶來的結構和工藝上的復雜性，滿足大規模產品化的要求。
【技術實現步驟摘要】
閉合形狀的磁性隧道結
本專利技術涉及磁性隧道結
，特別是涉及一種閉合形狀的磁性隧道結。
技術介紹
20世紀80年代以巨磁電阻(Giant Magnetoresistane,GMR)的發現為標志的自旋電子學誕生，自此，以磁性多層膜為研究核心的自旋電子學迅速發展。巨磁電阻現象最早發現于1988年,Baibich等人在低溫下的反鐵磁稱合的Fe/Cr多層膜中發現了 50%左右的磁電阻變化率。種情況下多層膜處于高阻態。通過施加足夠強的外場克服反鐵磁耦合后，Fe層的磁矩都會沿外場方向平行排列，這種情形多層膜處于低阻態。這種通過施加外場而使相鄰鐵磁層磁矩的相對取向發生變化，從而引起電阻變化的效應就稱之為巨磁電阻效應。GMR效應由于其高的磁電阻比值和高靈敏度而廣泛應用于磁電阻性傳感器。基于GMR效應的器件具有靈敏度高、體積小、功耗低、抗輻射等優點。特別是GMR應用于計算機讀出磁頭，使數據存儲密度呈指數增長，給計算機信息存儲領域帶來一場深刻的變革。繼GMR效應發現之后，室溫下的巨大隧穿磁電阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR)效應于1995年被發現，掀起了磁性隧道結的研究熱潮。研究人員基于GMR和TMR效應設計的磁性隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)具有非易失性、抗福射、壽命長、速度快等優點而備受工業界關注。但是傳統的MRAM設計模型，結構和工藝十分復雜，給器件的加工和集成帶來很大的不便。另外，基于自旋轉移力矩效應的MRAM，利用電流自身實現對存儲單元磁化狀態的操控，大大簡化了器件結構和加工工藝。目前所使用的存儲單元均采用非閉合式單自由層結構，該結構在高密度、小尺寸存儲單元下將會帶來較大雜散磁場，由于常規結構帶來的漏磁場影響，使磁性多層膜的磁化狀態不易改變，導致其臨界電流密度Jc太高，對存儲單元的磁電性能的均勻一致性帶來許多不利的影響，不利于器件的應用。另一方面，隨著記錄密度的提高，存儲單元的尺寸不斷減小，受熱擾動的影響越來越顯著，提高單自由層結構的熱穩定性成為亟待解決的問題；隨著存儲單元之間間距減小，存儲單元之間的近鄰相互作用也越來越大，如噪聲和近鄰單元間的磁耦合和磁干擾以及熱效應和散熱問題等，給器件的加工、集成和使用帶來了許多不利因素，并且對器件的性能產生不良的影響。為了克服這些問題，需要出現一種新的幾何結構和設計來消除磁性隧道結自身的漏磁場和相鄰單元的耦合，以降低臨界電流密度并提高熱穩定性。
技術實現思路
本專利技術的目的旨在提供一種閉合形狀的磁性隧道結，該閉合形狀的磁性隧道結具有低的臨界電流密度以及高的熱穩定性。為了解決上述問題，根據本專利技術的一個方面，提供了一種閉合形狀的磁性隧道結，包括磁性固定層、磁性自由層以及設置在磁性固定層和磁性自由層之間的阻擋層；磁性自由層包括至少一組復合子層；復合子層由第一磁性層/非磁性層/第二磁性層組成。進一步地，磁性自由層包括多組復合子層；其中，多組復合子層依次排列。進一步地，磁性自由層中所含的復合子層的組數< 5。進一步地,非磁性層為非磁性金屬層，非磁性金屬層選自Ta、Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au中的一種或多種合金。進一步地，非磁性層的厚度使得第一磁性層和第二磁性層形成鐵磁耦合；可選地，非磁性層的厚度為0.2~2.5.nm。進一步地，非磁性層的厚度使得第一磁性層和第二磁性層形成反鐵磁耦合；可選地，非磁性層的厚度為0.2~2.5nm。進一步地，第一磁性層和第二磁性層為具有垂直各向異性的鐵磁金屬；優選地，第一磁性層和第二磁性層選自[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[CoFe/Pt]n、[CoFe/Pd]n、[Co/Ni]n,GdCoFeTbCoFe和[CoFeB/MgO]n中的一種或多種，其中，n取2~10之間的正整數。進一步地，阻擋層的材料選自非晶Al2O3、單晶Mg0、Zn0、Hf02、Alq3、LB有機復合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs、尖 晶石結構的單晶 MgAl204、ZnAl204、SiMg2O4^SiZn2O4 中的一種或多種；優選地，阻擋層的厚度為0.5~5nm。進一步地，磁性隧道結還包括設置在磁性自由層上的覆蓋層；優選地，覆蓋層的厚度為5~30nm，覆蓋層的材料選自Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt和Cu中的一種或多種。進一步地，磁性隧道結的橫截面呈閉合的正N邊環形或者橢圓環，其中N>3 ;EN邊環形的內邊長為O~200nm，外邊長為10~300nm ;橢圓環的環寬為10~lOOnm，內環短軸的長度為O~200nm,外環短軸的長度為10~300nm,短軸與長軸的長度比為1:1~1:5。進一步地，磁性固定層為硬磁層。進一步地，磁性固定層為反鐵磁釘扎層與被釘扎磁性層。應用本專利技術的技術方案，通過改變磁性隧道結的層間結構和幾何結構，即在磁性隧道結中設置具有至少一組復合子層的磁性自由層，并且將該復合子層限定為由第一磁性層/非磁性層/第二磁性層組成。具體分析，由于磁性自由層與參考層的磁矩成閉合狀，可消除層間和相鄰單元的雜散磁場、避免層間和相鄰單元間的磁性耦合干擾，有利于提高器件的集成密度和熱穩定性，降低臨界翻轉電流密度，避免了使用外磁場或者由較大脈沖電流產生的合成磁場來操控磁化狀態所帶來的結構和工藝上的復雜性，滿足大規模產品化的要求。由于磁性自由層為包含復合子層的復合自由層結構，使得鐵磁耦合自由層的形狀各向異性增強，有助于進一步提高熱穩定性，而反鐵磁耦合自由層界面處的自旋積累可以提高自旋轉移力矩效率，有助于進一步降低臨界電流密度。本專利技術所提供的包含復合子層的磁性隧道結不僅可以克服臨界電流密度低以及熱穩定性差的問題，而且更適合于器件化的磁性隨機存取存儲器、新型磁性隧道結傳感器的制備，可廣泛地應用于以磁性隧道結為核心的各種器件，例如，磁性隨機存儲器，計算機磁頭，磁敏傳感器等。根據下文結合附圖對本專利技術具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本專利技術的上述以及其他目的、優點和特征。【附圖說明】后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本專利技術的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:圖1為本專利技術一種典型實施例的磁性隧道結中復合子層的剖面結構示意圖；圖2a_2b為本專利技術的復合子層中兩磁性層為“洋蔥態”排布，耦合方式為反鐵磁耦合時兩磁性層的頂視圖，其中，箭頭表示磁矩排布方式；圖3a_3b為本專利技術的復合子層中兩磁性層為“洋蔥態”排布，耦合方式為鐵磁耦合時兩磁性層的頂視圖，其中，箭頭表示磁矩排布方式；圖4a_4b為本專利技術的復合子層中兩磁性層為“渦旋態”排布，耦合方式為反鐵磁耦合時兩磁性層的頂視圖，其中，箭頭表示磁矩排布方式；圖5a_5b為本專利技術的復合子層中兩磁性層為“渦旋態”排布，耦合方式為鐵磁耦合時兩磁性層的頂視圖，其中，箭頭表示磁矩排布方式；圖6為本專利技術的具有垂直各向異性的兩磁性層的鐵磁耦合方式示意圖；圖7為本專利技術的具有垂直各向異性的兩磁性層的反鐵磁耦合方式示意圖；圖8a_8b為本專利技術的無釘扎型含復合子層的閉合正六邊形狀的磁性隧道結的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種閉合形狀的磁性隧道結，包括磁性固定層(10)、磁性自由層(20)以及設置在所述磁性固定層(10)和所述磁性自由層(20)之間的阻擋層(30)；所述磁性自由層(20)包括至少一組復合子層(21)；所述復合子層(21)由第一磁性層(211)/非磁性層(212)/第二磁性層(213)組成。
【技術特征摘要】
1.一種閉合形狀的磁性隧道結，包括磁性固定層(10)、磁性自由層(20)以及設置在所述磁性固定層(10)和所述磁性自由層(20)之間的阻擋層(30)； 所述磁性自由層(20)包括至少一組復合子層(21);所述復合子層(21)由第一磁性層(211)/非磁性層(212)/第二磁性層(213)組成。2.根據權利要求1所述的磁性隧道結，其特征在于，所述磁性自由層(20)包括多組所述復合子層(21);其中，多組所述復合子層(21)依次排列。3.根據權利要求1或2所述的磁性隧道結，其特征在于，所述磁性自由層(20)中所含的所述復合子層(21)的組數< 5。4.根據權利要求1至3中任一項所述的磁性隧道結，其特征在于，所述非磁性層(212)為非磁性金屬層，所述非磁性金屬層選自Ta、Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au中的一種或多種合金。5.根據權利要求1至4中任一項所述的磁性隧道結，其特征在于，所述非磁性層(212)的厚度使得所述第一磁性層(211)和所述第二磁性層(213)形成鐵磁耦合；可選地，所述非磁性層(212)的厚度0.2?2.5nm。6.根據權利要求1至4中任一項所述的磁性隧道結，其特征在于，所述非磁性層(212)的厚度使得所述第一磁性層(211)和所述第二磁性層(213)形成反鐵磁耦合；可選地，所述非磁性層(212)的厚度為0.2?2.5nm。7.根據權利要求1至3中任一項所述的磁性隧道結，其特征在于，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陶丙山，李大來，劉厚方，韓秀峰，
申請(專利權)人：中國科學院物理研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11
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