научная статья по теме ТУННЕЛЬНОЕ МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ В ПЕРЕХОДАХ ТИПА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ С БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДЬЮ КОНТАКТА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ТУННЕЛЬНОЕ МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ В ПЕРЕХОДАХ ТИПА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ С БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДЬЮ КОНТАКТА»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 1, с. 84-90

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ

УДК 537.67

ТУННЕЛЬНОЕ МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ В ПЕРЕХОДАХ ТИПА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ С БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДЬЮ КОНТАКТА

© 2004 г. В. И. Борисов, А. И. Крикунов, А. И. Чмиль, П. Е. Зильберман

Поступила в редакцию 13.05.2003 г.

Синтезированы туннельные магнитные переходы "пермаллой-кобальт" с ультратонким разделяющим слоем из А1203, имеющие большую площадь туннельного контакта. Измерены зависимости гигантского магнитосопротивления переходов от поля и угла. Относительное магнитосопротивление переходов при комнатной температуре составляет примерно 5%.

ВВЕДЕНИЕ

Эффект "гигантского" магнитосопротивления (ГМС) в магнитных многослойных структурах вызывает в последние годы большой интерес. В отличие от классического магнитосопротивления, называемого часто анизотропным, ГМС, в принципе, вызывается не силой Лоренца и искривлением траекторий носителей тока в магнитном поле, и не спин-орбитальным взаимодействием носителей с решеткой, а зависимостью плотности состояний от магнитного поля. Например, если при изменении магнитного поля плотность состояний, на которые носитель мог бы перейти, увеличивается, то сопротивление падает. Анизотропное магнитосопротивление в ферромагнитных металлах, как правило, не превышает долей процента. В то же время ГМС в переходах между такими металлами может достигать относительных значений порядка единиц и десятков процентов [1]. Впервые ГМС был обнаружен в 1988 г. [2], а в 1994 г. был заявлен первый коммерческий продукт, которым оказались датчики магнитного поля [3]. Однако широкое внедрение эффекта ГМС было связано с созданием на его основе "читающих" головок для жестких магнитных дисков. Об этом было заявлено фирмой IBM в 1997 г. [4]. В России также проявляется интерес к изготовлению и применению магнитных переходов (см. монографию [5]).

Вместе с тем исследования ГМС и связанных с ним эффектов в магнитных переходах пока находятся, видимо, в самой начальной стадии. Об этом свидетельствует неуклонно нарастающее число публикаций и возникновение многих новых направлений исследования, которые в совокупности объединяются новым термином, получившим широкое распространение - спинтроника (от англ. spin-transport electronics).

Одно из таких новых направлений - это исследование переходов, составленных из двух ферро-

магнитных металлических слоев, разделенных ультратонким слоем диэлектрика, через который носители тока могут проникать благодаря туннельному эффекту. Подобные структуры удобны тем, что допускают протекание тока перпендикулярно границам раздела слоев, и при этом электрическое сопротивление перехода не слишком мало из-за малой прозрачности туннельного барьера. Впервые ГМС в туннельных переходах был обнаружен в работе [6] и с тех пор активно исследуется с различных точек зрения.

Поскольку в туннельных переходах сопротивление на единицу площади может быть достаточно большим, то возникает интересная возможность увеличения площади контакта. Фактически были реализованы площади порядка 10 мм2 и более, вплоть до 1 см2 [7, 8]. Такие переходы представляют интерес, например, с той точки зрения,

(а)

I-1

_(б)_

::::

Рис. 1. Конфигурации масок для напыления металлических слоев.

(а) Я, кОм

Я, кОм 1.340

1.335

1.330

1.325 I-

1.320 I— 1—1-

1.505 г (б)

1.500 -

1.495 -

1.490 -

1.485 1—1-1-1-1-1— 0.6220 —1-

0 200 400 0 200

0° 0°

400

Рис. 2. Угловые зависимости сопротивления Я слоев пермаллоя (1) и кобальта (2) для образца № 7(а) и № 47(6). Угол 6° отсчитывается от направления оси электрода из Ру.

что на большой площади может разместиться магнитная доменная структура. Подобные доменные структуры исследовались методами просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения [9] и, как оказалось, имеют линейные размеры порядка единиц и десятков микрон. Кроме того, в указанных работах было продемонстрировано, что границы доменов смещаются во внешнем магнитном поле, так что за счет движения границ возможно перемагничивание ферромагнитных слоев.

Текущий в переходе поляризованный по спину ток также способен сдвигать доменные границы и перемагничивать переход. Это было впервые показано теоретически в работах [10-13]. При этом

было также показано, что для перемагничивания путем движения доменных границ требуются гораздо меньшие плотности тока, чем для перемагничивания путем вращения момента внутри одного домена [13]. Если предположить, что при большой площади контакта возникает (или может быть создана) неоднородность толщины диэлектрического слоя, то легко представить себе образование внутри перехода токовых струй. Плотность тока внутри таких струй существенно выше, чем средняя плотность по сечению перехода, и это дополнительно облегчает достижение порога перемагничивания.

В данной работе сообщается о результатах экспериментального исследования ГМС в тун-

АЯ/Я, % 0.04

0.02

-40

0.8

0.4

0

АЯ/Я, % Ру, 0 = 0° 0.12

0.08 0.04 Ь 0

-300 0.04

0.02

0

40

Ру, 0 = 90°

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 -300 Я, Э

-100

Со, 0 = 0°

100

300

Со, 0 = 90°

-100 100 Я, Э

300

Рис. 3. Зависимость магнитосопротивления электродов образца № 7 от магнитного поля. Угол отсчитывается от направления тока.

АЯ/Я, % 0.4

0.3 0.2 0.1 0

АЯ/Я, %

-20

0

Я, Э

20

40 -300

Со, 0 = 0°

-100 100 Я, Э

300

Рис. 4. Зависимость магнитосопротивления электродов образца № 47 от магнитного поля. Угол отсчитывается от направления тока.

0

0

0

нельных переходах большой площади, порядка 160 х 160 мкм2, изготовленных магнетронным и термическим напылением с применением теневых масок.

1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ

Магнитные туннельные переходы состава №80Ре20 (30 нм)/А1203/Со (30 нм) были изготовлены методом магнетронного распыления на постоянном токе в плазме Аг при давлении (3...5) х 10-3 Торр. В скобках указаны измеренные толщины металлических ферромагнитных слоев. Все металлические слои наносили на подложку термически окисленного кремния (81/8Ю2). Подложку охлаждали до температуры, слегка превышающей 0°С. При нанесении использовали теневые маски. Конфигурации масок показаны на рис. 1а, 16, размеры длинной плоски составляли ~1 см и 100 мкм (а), а размеры короткой ~0.3 см и 100 мкм (б).

Непосредственно после напыления нижнего ферромагнитного электрода (слоя пермаллоя, Ру) наносили слой А1, который имел, как правило, толщину 1.1.5 нм. Затем производили напуск кислорода 02 в камеру. Образец переносили на установку плазмохимической обработки в среде кислорода при давлении 0.5.1 Торр в течение 10 мин. На следующем этапе меняли маску и производили магнетронное напыление верхнего электрода (слоя Со).

Конструкция подложкодержателя позволяла использовать постоянные магниты для создания в растущих слоях магнитного поля ~200 Э. Такое поле было предназначено для наведения в ферромагнитном слое оси легкого намагничивания.

В статье описаны результаты измерений гальваномагнитных параметров двух образцов туннельных переходов: образца № 7, для которого ростовое магнитное поле было направлено вдоль длинной стороны соответствующего слоя и образца № 47, для которого при напылении нижнего ферромагнитного электрода ростовое поле было направлено вдоль полоски, а при напылении верхнего ферромагнитного электрода (Со) ростовое поле не включалось.

2. ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ

После изготовления первоначальная характе-ризация образцов туннельных переходов проводилась по двум параметрам: а) по угловой и полевой зависимостям магнитосопротивления ферромагнитных электродов; б) по высоте и ширине туннельного барьера.

Обсудим вначале угловые зависимости сопротивления ферромагнитных слоев в насыщающем

магнитном поле 250 Э. Такие зависимости представлены на рис. 2а и 26. Стрелки на рисунках указывают сопротивления слоев без включения внешнего магнитного поля (Н = 0).

Естественно предположить, что в исследуемых ферромагнитных металлах основной вклад в маг-нитосопротивление дает спин-орбитальное взаимодействие носителей тока с намагниченностью решетки. В таком случае даже в отсутствие внешнего магнитного поля эффект магнитосопротивления должен наблюдаться, если вектор намагниченности составляет с током отличный от нуля угол. Кроме того, в пленках Ру и Со знак магнитосопротивления должен быть отрицательным [14]. Поэтому можно считать, что зависимость сопротивления от угла ф между током и намагниченностью достаточно хорошо описывается формулой

К = Ямин + (Я макс - Ямин)^2ф, (1)

где Ямин и Ямакс - минимальное и максимальное сопротивление, достигаемые при осцилляциях на рис. 2а и 26. Пользуясь (1), нетрудно оценить направление намагниченности в ферромагнитных слоях. Расчет показывает, что в отсутствие магнитного поля (стрелки указывают на соответствующие значения Я) углы ф для образцов № 7 и № 47 соответственно равны для Ру-электродов 11° и 25°, а для Со - 72° и 56°.

При включении насыщающего магнитного поля можно так подобрать угол б (см. рис. 2а и 26), что намагниченность электрода станет параллельна току. В таком случае сопротивление Я = = Кмакс. Ферромагнитный слой можно характери-

I

Рис. 5. Четырехзондовая схема измерений.

АЯ/Я, % 6

-60

(а)

^тхнгнзсппсззаоаосоо!:

-40

-20

0 Я, Э

20

40

60

Рис. 6. Магнитосопротивление перехода при направлении поля вдоль (а) и перпендикулярно (б) оси электрода из Ру: 1 - прямая ветвь, 2 - обратная ветвь. Образец № 7.

зовать наибольшим относительным магнитосо-противлением, которое определим как

Р =

Ямин х 100%.

(2)

АЯ

Я

х 100%

Я ( Н ) - я м

Я'

■ х 100%,

(3)

1 и 1.5%, а для

Тогда для слоя Ру получаем р слоя Со р - 0.14 и 0.6%.

Перейдем теперь к обсуждению полевых зависимостей магнитосопротивления электродов при совпадении направлений тока в электроде и магнитного поля (угол 6 = 0) и при взаимно перпендикулярных направлениях (угол 6 = 90°). Результаты измерений для образцов № 7 и № 47 приведены на рис. 3 и 4. Величина магнитосопротивления в данном случае определялась по формуле

где значения Я(Н) и Я^ин равны соответственно сопротивлению при поле Н и минимальному соп

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком