一种具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结及其用途

摘要

本发明涉及一种具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结，其核心膜层从下至上包括以下五层：第一磁性层、第一隧道势垒层、中间磁性金属层、第二隧道势垒层以及第二磁性层。本发明提供的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结，通过改进原有的MgO双势垒磁性隧道结制备技术，减少中间磁性金属层的厚度到0.5～4.5nm范围内，可以在一定外加偏压阀值下具有大电流和高TMR效应，使得这种结构的双势垒隧道结可以应用于新型自旋电子器件设计，如二极管，整流器，场效应晶体管和TMR传感器等，并且有助于MRAM等自旋电子器件的性能提升。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结，以及其在自旋电子器件中的应用。

背景技术

自1975年Julliére在Fe/Ge/Co多层膜中发现隧穿磁电阻(Tunnel Magnetoresis-tance，TMR)效应以来，磁性隧道结中自旋相关电子的隧穿输运性质和隧穿磁电阻(TMR)效应已成为凝聚态物理中的重要研究领域之一。目前，人们在单势垒磁性隧道结(SBMTJ)的研究方面取得了显著成果，如实验上已在单晶MgO势垒隧道结中获得室温高于200％的TMR值，远大于目前普遍使用的Al-O势垒层隧道结。但单势垒隧道结材料在实际应用中还面临着许多问题，如TMR值将随外加电压增加而急剧下降。

近年来磁性隧道结的制备上致力于得到完好的界面以及更薄的膜厚度。随着各薄膜层厚度的不断减小，可能产生的量子效应已经成为一个重要的研究课题。2002年Yuasa[S.Yuasa，et al.，Science 297，234(2002)]在Al-O单势垒磁性隧道结Co/Cu/Al-O/Ni-Fe结构中发现了通过Cu层中电子的量子禁闭所导致的TMR随偏压的振荡现象；Nagahama[T.Nagahama，et al.，J.Appl.Phys.9，7035(2002)]在Cr/Fe/Al-O/FeCo结构的单势垒隧道结中发现了通过Fe层中电子的量子阱态导致的隧穿电导随偏压的振荡效应。另外，最近单晶MgO绝缘材料作为势垒层的隧道结材料的成功制备，将提高这种量子效应被实验探测到并实现其器件应用的可能性。这是由于对以单晶MgO作为势垒层的隧道结，隧穿电流主要由s带电子(⊿1对称性)贡献，这个隧穿机制[W.H.Butler，et al.，Phys.Rev.B 63，054416(2001)]已被近几年的实验研究所证实[S.S.P.Parkin，et ak.，Nat.Mater.3，862(2004)；S.Yuasa，et al.，Nat.Mater.3，868(2004)]。2005年Lu[Zhong-Yi Lu，et al.，Phys.Rev.Lett.94，207210(2005)]利用第一性原理计算的结果预测了Fe/MgO/Fe/Cr结构单势垒隧道结的铁磁金属层Fe中s带电子量子阱态所导致的自旋相关共振隧穿效应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的单势垒隧道结材料在实际应用中还面临着许多问题的缺陷，在以单晶MgO绝缘材料作为势垒层的隧道结材料的成功制备的基础上，提供一种在一定外加偏压阀值下的具有大电流、高TMR效应的MgO双势垒磁性隧道结，及其用途。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结，其包括一衬底，及其上的下部缓冲导电层、下部反铁磁性钉扎层、核心膜层、上部反铁磁性钉扎层、顶部保护层、导电层，其特征在于：所述的核心膜层，如图1所示，从下至上包括以下五层：第一磁性层(以下简称M1)、第一隧道势垒层(以下简称I1)、中间磁性金属层(以下简称M)、第二隧道势垒层(以下简称I2)以及第二磁性层(以下简称M2)，即核心膜层的结构为M1/I1/M/I2/M2。

所述的磁性层M1、M2的组成材料包括铁磁性材料FM、半金属磁性材料HM、或者磁性半导体材料MSC，所述的磁性层的厚度为2～20nm；两个磁性层的厚度和材料可以相同或者不相同；

所述的铁磁性金属材料FM包括：Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性单质金属，Sm、Gd、Nd等稀土单质金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd-Y等铁磁性合金；

所述的半金属磁性材料HM包括：Fe₃O₄、CrO₂、La_xSr_1-xMnO₃和Co₂MnSi等Heussler合金；

所述的磁性半导体材料MSC包括：Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO₂、HfO₂和SnO₂，也包括：Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe；

所述的中间磁性金属层M的组成材料为铁磁性金属材料FM，所述的中间磁性金属层的厚度为0.5～4.5nm，与该层材料的电子平均自由程可比，并具有较好的晶体结构，以保证量子效应的实验可观测性；

所述的铁磁性金属材料FM包括：Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性单质金属，Sm、Gd、Nd等稀土单质金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Gd-Y等铁磁性合金；

所述的隧道势垒层I1和I2的组成材料为MgO绝缘材料，既可以是单晶MgO，也可以是带掺杂的MgO，所述的隧道势垒层的的厚度为1～4.0nm；两个隧道势垒层的厚度和材料可以相同或者不相同；MgO中掺杂元素可以为Mg或者Al、Na、Si、B、Be、Ca等与Mg相近的元素，能够保证MgO(001)晶格结构不被破坏，掺杂比例为0.1～10％。

所述的磁性层M1、M2的磁化方向由反铁磁性层钉扎成同一方向，该反铁磁性层可由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd与Mn的合金材料制成或其它CoO、NiO、PtCr等反铁磁性材料构成；

所述的中间磁性金属层M的磁化方向是自由的，即该层的磁化方向可随外加磁场而发生改变，与磁性层M1、M2的磁化方向相同或者相反。

本发明提供的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结，是在任意一种选定的现有技术的衬底上，利用常规的薄膜制备方法和相应的微加工工艺制备而成。所述的薄膜制备方法可以为磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)或溶胶-凝胶法等。所述的微加工工艺可以为光刻法、金属掩膜法、离子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和化学反应刻蚀等。其中核心膜层的2个MgO势垒层可以用Mg氧化法或者MgO(001)靶材直接溅射法获得，并且可以使用共溅射方法使其带掺杂，目的为保证MgO(001)势垒层形成的前提下有效降低结电阻。

本发明提供的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结会在通过双势垒中间铁磁金属层形成的s带电子量子阱态产生共振隧穿效应，以在实施例1中制备的本发明的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结为例，其以Fe/MgO/Fe/MgO/Fe双势垒隧道结材料作为核心膜层，隧穿电流主要由s带电子(⊿₁对称性)贡献。自旋相关的s带电子量子阱态可以在第一和第二隧道势垒层MgO之间的中间磁性金属层Fe中形成。当外加偏压V＝0时，中间层Fe的多数自旋方向s带电子(多子)在二维布里渊区Γ点的态密度(density ofstates，DOS)可由第一性原理计算给出如图2所示，在DOS中可以看到在费米能级附近存在数个尖峰，这些峰的半高宽与能量虚部的减小呈线形关系，即它们分别对应了Fe中多子电子的量子阱态。离费米能级最近的量子阱态的能级位置E(单位：电子伏特)对应着产生量子效应的偏压阀值大小(单位：伏特)。这些量子阱态对双势垒隧道结共振隧穿所造成的量子效应可以在电流随偏压关系的I-V曲线以及隧道结隧穿磁电阻(TMR)值与偏压的关系中看出。

当核心膜层中的M与M1、M2磁化方向平行的情况，M层的Fe中s带多子的量子阱态将影响双势垒隧道结的输运性质。当外加偏压V逐渐增加到一个阀值偏压位置V0，使得费米能级附近的多子量子阱态的能级位置E进入到偏压范围之内，如图3(a)-图3(b)所示，输运电子与阱中的电子能级共振，阱中s带多子电子态通过量子干涉效应参与输运过程，将使此时通过双势垒隧道结的电流有较大幅度跃增，如图4中所示的平行情况下电流Ip随偏压关系的I～V特征曲线。由于磁性层M中电子的量子阱态是自旋相关的(多子量子阱态)，仅有平行情况存在这种量子效应。所以通过改变外加磁场，使得中间层M与两端电极M1、M2的磁化方向反平行，此时并不存在这种量子效应使得反平行时电流跃增，如图4中所示的反平行情况下电流Iap随偏压关系的I～V特征曲线。因此中间磁性层M产生的这种量子效应可以通过外加一定磁场来控制中间层M的不同磁化方向从而进行开/关控制。

对磁性隧道结，一般取平行情况下双势垒隧道结电导为Gp，反平行情况下电导为Gap。M与M1、M2磁化方向平行时，多子量子阱态产生的量子效应将直接影响Gp，使得Gp在外加阀值偏压V下有跃增。而相反的在M与M1、M2磁化方向反平行时，此时M层的这种多子电子产生的量子效应不再存在，并不会影响反平行电导Gap。因此Gp/Gap在相应的外加阀值偏压V下有跃增，即能够大幅度提高双势垒磁性隧道结的隧穿磁电阻(TMR)值。

中间金属层M的量子阱态相对于费米能级的位置主要取决于两端M1与M2层的材料以及M层的厚度。因此若固定选取了两端M1与M2层的材料，则整个双势垒隧道结的费米能级固定，那么通过改变中间金属层M的厚度也可以控制产生这种量子效应的阀值偏压值。

根据上述量子效应，本发明提供的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结可以应用于新型自旋电子器件设计，例如可用于高灵敏度的磁敏、电敏、光敏和气敏传感器、磁性随机存取存储器(MRAM)存储单元以及新型场效应晶体管等。

本发明提供的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结的优点在于：本发明的双势垒磁性隧道结，通过改进原有的MgO双势垒磁性隧道结制备技术，减少中间磁性金属层的厚度到0.5～4.5nm范围内，可以利用双势垒中间层的量子效应，在一定的外加阀值偏压处大幅度提高中间层磁化平行情况下通过隧道结的电流以及该隧道结材料的隧穿磁电阻比值(TMR)，阀值偏压主要由两端磁性层的材料选取以及中间磁性金属层的材料和厚度来决定。这种特殊的电流效应还可以通过对中间层的外加磁场方向来进行开/关控制，使得这种结构的双势垒隧道结可以应用于新型自旋电子器件设计，如二极管，整流器，场效应晶体管和TMR传感器等，并且有助于MRAM等自旋电子器件的性能提升。

附图说明

图1为本发明的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结的核心膜层示意图；其中：1为第一磁性层M1，2为第一隧道势垒层I1，3为中间磁性金属层M，4为第二隧道势垒层I2，5为第二磁性层M2；

图2为实施例1中，中间磁性金属层Fe的s带多数自旋方向电子(多子)和少数自旋方向电子(少子)在二维布里渊区Γ点的态密度(density of states，DOS)；

图3为实施例1中(a)外加偏压V＝0时，双势垒隧道结中间层s带量子阱态能级E不参与输运；(b)外加偏压V逐渐增加直到s带量子阱态能级位置E进入到偏压V范围之内，输运电子与阱中的电子能级共振，阱中s带多子电子态通过量子干涉效应参与输运过程；

图4为实施例1中通过双势垒隧道结的电流随偏压关系的I～V特征曲线；其中，M与M1、M2磁化方向平行情况下通过电流为Ip，M与M1、M2磁化方向反平行情况下通过电流为Iap。

具体实施方式

实施例1、Mg氧化法制备具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的Si/SiO₂衬底上依次沉积厚度为10nm的下部缓冲导电层Ta；15nm的反铁磁性钉扎层Ir-Mn；以及五层结构的核心膜层(M1/I1/M/I2/M2)——Fe(10nm)/MgO(2nm)/Fe(1nm)/MgO(2nm)/Fe(10nm)；在核心膜层的上方继续沉积12nm的反铁磁性Ir-Mn钉扎层和10nm的Au顶部保护层。核心膜层中的MgO绝缘层通过沉积2nm的金属Mg，经等离子体氧化30秒形成。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：0.07Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.11nm/sec；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的各个磁性层时，施加100 Oe的平面诱导磁场，因此磁性层M1和M2层的Fe由反铁磁性钉扎层Ir-Mn固定成同一磁化方向，而中间层M的Fe的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层100nm厚的SiO₂绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为100nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的MgO双势垒磁性隧道结。

当外加磁场使核心膜层中的M与M1、M2磁化方向平行时，M层的Fe中s带多子的量子阱态将影响双势垒隧道结的输运性质。当外加偏压V增加到一个阀值偏压位置(约0.1～0.3V)，输运隧穿电子与量子阱中的电子能级共振，将使此时通过双势垒隧道结的电流有较大幅度跃增。由于磁性层Fe中电子的量子阱态是自旋相关的(多子量子阱态)，仅有平行情况存在这种量子效应。所以通过改变外加磁场，使得中间层M与两端电极M1、M2的磁化方向反平行，此时这种量子效应不再存在。因此该量子效应的MgO双势垒磁性隧道结能够在一定阀值偏压处得到2～3倍于普通MgO隧道结的隧穿磁电阻(TMR)比值。

实施例2、MgO(001)靶材直接溅射法制备具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的单晶MgO(001)材料衬底上依次沉积厚度为10nm的下部缓冲导电层Ru；12nm的反铁磁性钉扎层Pt-Mn；以及五层结构的核心膜层(M1/I1/M/I2/M2)-Co(15nm)/MgO(4nm)/Co(2nm)/MgO(4nm)/Co(15nm)；在核心膜层的上方继续沉积12nm的反铁磁性钉扎层Pt-Mn和顶部5nm的Pt保护层。核心膜层中的MgO绝缘层通过(001)单晶MgO靶材的直接溅射形成。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：0.07Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rmp；生长温度：室温；生长速率：0.03～0.11nm/sec；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的各个磁性层时，施加100 Oe的平面诱导磁场，因此磁性层M1和M2层的Co由反铁磁性钉扎层Pt-Mn固定成同一磁化方向，而中间层M的Co的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层120nm厚的SiO₂绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为120nm的导电层Al，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的MgO双势垒磁性隧道结。

本实施例的MgO双势垒磁性隧道结其量子效应与实施例1相似，s带多子量子阱态在中间Co自由层中形成。能够在一定阀值偏压处(约0.1～0.3V)得到2～3倍于普通MgO隧道结的隧穿磁电阻(TMR)比值。

实施例3、MgO与金属共溅射法制备具有量子效应的掺杂MgO双势垒磁性隧道结

利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的GaAs材料衬底上依次沉积厚度为15nm的下部缓冲导电层Ta；12nm的反铁磁性钉扎层PtCr；以及五层核心膜层(M1/I1/M/I2/M2)-Co-Fe-B(20nm)/MgO(3nm)/Co-Fe(2nm)/MgO(3nm)/Co-Fe-B(20nm)；在核心膜层的上方继续沉积10nm的反铁磁性钉扎层PtCr和顶部5nm的Cr保护层。核心膜层中的MgO绝缘层带Al掺杂，通过(001)单晶MgO靶材和金属Al靶材的共溅射形成，目的为降低双势垒隧道结电阻，Al掺杂含量3％(可调)。上述磁性多层膜的生长条件：备底真空：5×10^-7Pa；溅射用高纯度氩气气压：0.07Pa；溅射功率：120W；样品架旋转速率：20rmp：生长温度：室温；生长速率：0.03～0.11nm/sec；生长时间：薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的各个磁性层时，施加100Oe的平面诱导磁场，因此磁性层M1和M2层的Co-Fe-B由反铁磁性钉扎层PtCr固定成同一磁化方向，而中间层M的Co-Fe-B的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，沉积一层130nm厚的SiO₂绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对SiO₂绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用金属掩膜方法通过高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为200nm的导电层Au(顶部电极)，即得到本发明的MgO双势垒磁性隧道结。

本实施例的MgO双势垒磁性隧道结其量子效应与实施例1相似，s带多子量子阱态在Co-Fe自由层中形成。该隧道结能够在一定阀值偏压处(约0.1～0.3V)得到2～3倍于普通MgO隧道结的磁电阻(TMR)比值。

实施例4～9、

按照实施例1相同的方法制备具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结，核心膜层中的MgO绝缘层通过沉积金属Mg，经等离子体氧化一定时间形成。其多层膜的各层材料和厚度列于表1中。

表1、本发明的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结多层膜的结构

                    (单位：mm-毫米，nm-nm)

         实施例   4  5  6  7  8  9衬底  成分   Si/SiO₂  Si/SiO₂  MgO  MgO  GaAs  GaAs缓冲导电层  成分   Cr  Ta  Ta  Cr  Ru  Pt  厚度   5nm  10nm  50nm  100nm  150nm  300nm反铁磁钉扎层  成分   IrMn  PtMn  PtPdMn  PtCr  FeMn  PtMn  厚度   10nm  10nm  15nm  15nm  12nm  12nm第一磁性层  成分   Fe  Co  CoFeB  NiFe  CoFe  La_xSr_1-xMnO₃  厚度   5nm  15nm  5nm  15nm  5nm  15nm第一隧道势垒层  成分   MgO  MgO  MgO  MgO  MgO  MgO  厚度  (氧化时间)   1.5nm   (30s)  1.5nm  (30s)  2nm  (100s)  2nm  (100s)  3nm  (200s)  3nm  (200s)中间磁性金属层  成分   Fe  Fe  Co  Co  CoFe  CoFe  厚度   1nm  2nm  1nm  2nm  2nm  2.5nm第二隧道势垒层  成分  MgO  MgO  MgO  MgO  MgO    MgO  厚度  1nm  1nm  2nm  2nm  3nm    3nm第二磁性层  成分  Fe  Co  CoFeB  NiFe  CoFe    La_xSr_1-xMnO₃  厚度  5nm  15nm  5nm  15nm  5nm    15nm反铁磁钉扎层  成分  IrMn  PtMn  PtPdMn  PtCr  FeMn    PtMn  厚度  10nm  10nm  15nm  15nm  12nm    12nm顶部保护层  成分  Au  Cu  Ta  Cr  Ru    Pt  厚度  5nm  5nm  5nm  5nm  5nm    5nm导电层  成分  Al  Au  Cu  Al  Au    Cu  厚度  100nm  100nm  120nm  120nm  200nm    200nm

实施例10～15、

按照实施例2相同的方法制备具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结，核心膜层中的MgO绝缘层通过(001)单晶MgO靶材的直接溅射形成。其多层膜的各层材料和厚度列于表2中。

表2、本发明的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结多层膜的结构

                                     (单位：mm-毫米，nm-nm)

       实施例  10   11  12  13 14  15  衬底成分  Si/SiO₂   Si/SiO₂  MgO  MgO GaAs  GaAs  缓冲导电层成分  Cr   Ta  Ta  Cr Ru  Pt厚度  5nm   10nm  50nm  100nm 150nm  300nm  反铁磁钉扎层成分  IrMn   PtMn  PtPdMn  PtCr FeMn  PtMn厚度  10nm   10nm  15nm  15nm 12nm  12nm  第一磁性层成分  Fe   Co  CoFeB  Ni CoFe  CoFeSiB厚度  5nm   15nm  5nm  15nm 5nm  15nm  第一隧道势垒层成分  MgO   MgO  MgO  MgO MgO  MgO厚度  1.5nm   1.5nm  2nm  2nm 3nm  3nm  中间磁性金属层成分  Fe   Fe  Co  Co CoFe  CoFe厚度  1nm   2nm  1nm  2nm 2nm  2.5nm  第二隧道势垒层成分  MgO   MgO  MgO  MgO MgO  MgO厚度  1.5nm   1.5nm  2nm  2nm 3nm  3nm  第二磁性层  成分  Fe  Co  CoFeB  Ni  CoFe  CoFeSiB  厚度  5nm  15nm  5nm  15nm  5nm  15nm  反铁磁钉扎层  成分  IrMn  PtMn  PtPdMn  PtCr  FeMn  PtMn  厚度  10nm  10nm  15nm  15nm  12nm  12nm  顶部保护层  成分  Au  Cu  Ta  Cr  Ru  Pt  厚度  5nm  5nm  5nm  5nm  5nm  5nm  导电层  成分  Al  Au  Cu  Al  Au  Cu  厚度  100nm  100nm  120nm  120nm  200nm  200nm

实施例16～21、

按照实施例2相同的方法制备具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结，核心膜层中的MgO绝缘层带金属掺杂，通过(001)单晶MgO靶材和金属靶材的共溅射形成，目的为降低双势垒隧道结电阻。其多层膜的各层材料和厚度列于表3中。

表3、本发明的具有量子效应的MgO双势垒磁性隧道结多层膜的结构

                                  (单位：mm-毫米，nm-nm)

          实施例  16  17  18  19  20  21  衬底  成分  Si/SiO₂  Si/SiO₂  MgO  MgO  GaAs  GaAs  缓冲导电层  成分  Cr  Ta  Ta  Cr  Ru  Pt  厚度  5nm  10nm  50nm  100nm  150nm  300nm  反铁磁钉扎层  成分  IrMn  PtMn  PtPdMn  PtCr  FeMn  PtMn  厚度  10nm  10nm  15nm  15nm  12nm  12nm  第一磁性层  成分  Fe  Co  CoFeB  NiFe  CoFe  La_xSr_1-xMnO₃  厚度  5nm  15nm  5nm  15nm  5nm  15nm  第一隧道势垒层  (带掺杂)  成分  MgO  MgO  MgO  MgO  MgO  MgO  厚度  1.5nm  1.5nm  2nm  2nm  3nm  3nm  掺杂元素  (含量)  Mg  (0.1％)  Be  (1％)  Na  (5％)  Ca  (10％)  B  (3％)  Si  (0.5％)  中间磁性金属层  成分  Fe  Fe  Co  Co  CoFe  CoFe  厚度  1nm  2nm  1nm  2nm  2nm  2.5nm  第一隧道势垒层  (带掺杂)  成分  MgO  MgO  MgO  MgO  MgO  MgO  厚度  1.5nm  1.5nm  2nm  2nm  3nm  3nm  掺杂元素  (含量)  Mg  (0.1％)  Be  (1％)  Na  (5％)  Ca  (10％)  B  (3％)  Si  (0.5％)  第二磁性层  成分  Fe  Co  CoFeB  NiFe  CoFe  La_xSr_1-xMnO₃  厚度  5nm  15nm  5nm  15nm  5nm  15nm  反铁磁钉扎层  成分  IrMn  PtMn  PtPdMn  PtCr  FeMn  PtMn  厚度  10nm  10nm  15nm  15nm  12nm  12nm  顶部保护层  成分  Au  Cu  Ta  Cr  Ru  Pt  厚度  5nm  5nm  5nm  5nm  5nm  5nm  导电层  成分  Al  Au  Cu  Al  Au  Cu  厚度  100nm  100nm  120nm  120nm  200nm  200nm