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穿隧式磁阻(Tunneling Magnetoresista


A. TMR简介 目前构成MRAM的最基本单元磁性穿隧结(Magnetic tunneling junction,MTJ),穿隧式磁阻与巨磁阻的差异是将中间的间隔层由金属改为一绝缘层,但其产生磁阻变化的机制大不相同。穿隧式磁阻元件,顾名思义便是透过穿隧效应(tunneling effect)使其得以运作,而产生穿隧效应最基本的单元就是一般所谓的磁性穿隧结(Magnetic tunneling junction ,MTJ)。

MTJ的基本架构都是以两磁性薄膜(铁磁性物质)中间夹一非常薄且緻密的绝缘层,材料多半可利用三氧化二铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)等,如图所示

穿隧式磁阻(Tunneling Magnetoresista

穿隧式磁阻主要的磁阻来源为在磁性层中费米能阶(Fermi Level),其附近的上自旋与下自旋电子的能态密度(Density of State)会随着磁性材料的磁化方向不同而改变,原理主要是利用电子的自旋特性与穿隧效应发生与否,进而产生高低电阻的变化而造成磁阻效应,透过磁性结构中自由层的磁化方向不同来记录讯号的”0″与”1″。相较于巨磁阻,穿隧式磁阻拥有更大的磁阻变化率(>35%),因此目前一般都认为穿隧式磁阻是MRAM中记忆胞的最佳选择。至于现在生産的高容量硬碟则大部分都应用了TMR磁头技术,磁头技术的尺寸正不断缩小,磁录密度和储存容量达到空前的成就。这也使得现在的硬碟容量可以高达400G以上。TMR结构目前的应用除了在硬碟的读取磁头之外,应用于磁性记忆体(MRAM)也是全球各大半导体公司积极投入的研究方向,Freescale已于2006年推出商品化的磁性记忆体。


附注: 费米能阶—在固体物理学中,一个由无相互作用的费米子组成的系统的费米能(EF)表示在该系统中加入一个粒子引起的基态能量的最小可能增量。 根据Pauli不相容原理,一个量子态不能容纳两个或两个以上的费米子(费米子,自旋角动量为半奇数的粒子),这系统的基态模型是由无相互作用的费米子组成,在遵守Pauli不相容原理,每一个能阶,没有完全相同的粒子(一个能阶中不可能存在两个拥有完全一样四个量子数,主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数),将粒子逐个填入现有而未被佔据的最低能量的量子态,直到所有粒子全部填完。此时,系统的费米能就是最高佔据分子轨道的能量。 B. TMR原理模型 对照于图1,偏压层是选用反铁磁性材料,钉扎层是铁磁性材料,两者之间透过交换耦合偏压作用(exchange bias coupling)将钉扎层的磁化方向固定。自由层通常是选用软铁磁性材料,目的在于使其磁化方向易随外加磁场方向改变,保护层则是用一些不易氧化的导电材料,用于保护下层薄膜结构,下电极为电阻值较低的铜或金,上电极于元件完成后覆盖于覆盖层之上,材料同下电极。

TMR的高(低)阻态由二铁磁层极化反(正)平行态所决定,而欲造成反平行态的出现通常有二种型式的多层膜: 1. 多层膜基本结构为hard magnet/insulator/soft magnet,利用二铁磁层之翻转场 (Coercivity)不同,产生反平行态的出现。 2. 多层膜结构若为ferromagnet 1 / insulator / ferromagnet 2/antiferromagnet,铁磁 层二受到反铁磁层交换耦合偏压作用的影响,使其磁滞迴路将产生偏移,故 称为钉扎层,而铁磁层称为自由层,此类型称为自旋阀式MTJ (Spin-valve MTJ)。

接着介绍发生在磁性多层膜中,磁薄膜间的交换耦合作用(exchange coupling),又可以称作交换磁异向性(exchange anisotropy),就现象而言,由于磁膜间的交换耦合作用,造成磁滞曲线有朝单方向偏移的现象,也就是说,磁滞曲线对磁场不再是对称的,此种单方向的偏移现象乃起因于铁磁层与反铁磁层间的交换耦合作用。 可以由图2清楚看出,铁磁/反铁磁系统在铁磁交换耦合下的磁滞曲线。磁膜中箭头代表着磁膜的磁化方向,当由(a)状态到(b)状态,外加负磁场不断的加大,由于铁磁/反铁磁之间有着铁磁交换耦合的力,所以当外加磁场H=-Hc时,也就是铁磁膜的翻转场,亦无法将铁磁膜的磁化方向改变,直到外加磁场大到足以超越铁磁/反铁磁之间铁磁交换耦合力,铁磁膜的磁化方向才会产生翻转,亦即(c)状态。同理,当由(c)状态回到(a)状态,外加磁场不需加到正磁场,亦可让铁磁膜磁化方向产生翻转。Hex代表受到铁磁/反铁磁之间铁磁交换耦合力的作用下,磁滞曲线所偏移的量,亦即所谓的交换偏压场(exchange field)。

穿隧式磁阻(Tunneling Magnetoresista

在自旋相关穿隧效应实验发表后数年,Julliere于1975年提出简单的模型连结自旋极化穿隧与TMR效应,以二铁磁材料之自旋极化率来量化穿隧磁阻值 由于电子能带的分裂,使得在费米能阶(Fermi Level)之自旋向上及向下电子之状态密度不同,因而造成穿隧机率与载子极化方向有关,而有TMR效应的产生。

穿隧式磁阻(Tunneling Magnetoresista

图3(a) &图3(b)可以看出平行态与反平行态自旋电子传输情形与电导之关係,当材料之自旋极化率越大,其TMR值将越大。

 

参考资料:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Fermi_energy
2.金重勋 主编 磁性技术手册 中华民国磁性技术学会出版 B.D. Cullity ,
3.Introduction to magnetic materials 近角聪信 着,张喣 李学养 译, 磁性物理学, 联经出版