氧化鎂磁隧道結

磁隧道結

磁隧道結是指在兩塊鐵磁薄片之間夾一層厚度約為0.1nm的極薄絕緣層，構成所謂的結元件。在鐵磁材料中，由於量子力學交換作用，鐵磁金屬的3d軌道局域電子能帶發生劈裂，使費米（Fermi）面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態密度。在磁隧道結中，TMR（隧穿磁電阻）效應的產生機理是自旋相關的隧穿效應。磁隧道結的一般結構為鐵磁層 /非磁絕緣層 /鐵磁層（FM/I/FM）的三明治結構。飽和磁化時，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時，矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關。

氧化鎂磁隧道結簡介

氧化鎂磁隧道結是指以氧化鎂為絕緣勢壘層的磁隧道結。

1995年以非晶三氧化二鋁為絕緣勢壘層，分別以多晶Fe或CoFe作為鐵磁層，室溫下TMR值約為20%。2004年以CoFeB作為鐵磁電極層使得TMR值升至70%，2001年Butle等通過ab inito理論計算，預測在Fe(001)/Mg0(001)/Fe(001)磁隧道結中通過相干隧穿TMR值可達1000%以上。2004年，Yuasa等在分子束外延制每的Fe(001)/Mg0(001)/Fe(001)磁隧道結中得到了88%的TMR值。隨後，Djayaprawira等用磁控濺射法製備出CoFeB/Mg0/CoFeB磁隧道結，其TMR值大於200%，2007年Lee等在磁控濺射CoFeB/Mg0/CoFeB的磁隧道結中得到高達500寫的室溫TMR值，5K時TMR值可達1010%，氧化鎂磁隧道結因其巨大的磁電阻效應引起了人們越來越多的關注，對氧化鎂磁隧道結磁電阻效應的研究無論是在理論上還是在實際套用中都具有重大意義。

微結構對磁電阻效應的影響

通常，氧化鎂磁隧道結的TMR值隨著退火溫度的升高而增大，這與退火引起的磁隧道結微結構的變化密切關。用磁控濺射法製備的CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結，在外磁場中340℃真空退火1h，採用高分辨透射電鏡對製備態和退火態的樣品結構進行了表征，發現CoFeB底電極在製備態下是非晶態，退火後發生晶化，勢壘層與電極層間的界面在退火後變得尖銳和光滑。採用X射線光電子能譜深度分析，對退火前後CoFeB/MgO界面處的成分變化進行了研究，結果發現，製備態時界面處形成了鐵的氧化物，退火後鐵的氧化物對應的峰不存在。退火使得B元素擴散到Mg0勢壘中，B與O形成了B的氧化物，從而使得Fe的氧化物減少。沉積態下MgO/CoFeB界面處沒有形成Fe的氧化物，而只存在B的氧化物。退火使得B的氧化物增多。由於較為潔淨的界面和界面處Fe的氧化物的減少，CoFeB底電極極化率增大，這是CoFeB/MgO/CoFeB具有高TMR值的原因。另外一個可能的原因是結晶取向的MgO勢壘層以及CoFeB/MgO之間平滑尖銳的界面。

自由層厚度的影響

利用自旋轉移矩效應（STT）的磁隨機存儲器，結合了高讀寫速度、非易失性、高存儲密度、長使用壽命等眾多優點，因其可能成為新一代非易失性存儲器而受到廣泛關注。磁隧道結（MTJ）由於能夠很好的與讀寫技術兼容，成為自旋轉移矩磁存儲器結構的強有力候選者。一個制約MTJ用於STT-VIRAM的主要問題是，在保證技術可行性的基礎上如何降低所需要的翻轉電流、提高磁矩翻轉速度。對於MTJ，大的翻轉電流會增加寫入操作所需要的截面積，這會大大制約存儲的密度。同時也會增加寫入電壓、能量損耗，對存儲器件的承受度也提出更高的要求。

氧化鎂磁隧道結

基本介紹

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