磁阻设备

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磁阻设备

图1.1概述了这种磁读头传感器的原理，以及随后的一些发展和设想。图(a)给出了面内电流GMR传感器的原理图，因为它曾在硬盘读磁头中使用过一段时间。由非磁性但导电的间隔层隔开的至少两个铁磁层(FM)堆叠的电导率可以在两个磁性层的磁化方向彼此更平行或更反平行的情况下发生显着变化。从技术上讲，其中一层通常被设计为硬磁层，它受通常的外部磁场的影响很小，而另一层被称为软磁层，它很容易对外加磁场的变化做出反应。这种效应的巨大尺寸使得我们可以检测到硬盘上的杂散磁场的微小变化，就像软磁层的磁排列中的微小偏差一样，这反过来又使磁盘制造商能够减少检测单个比特信息所需的磁盘上方杂散场的数量，并相应地减小其尺寸。这导致了磁性硬盘存储密度的年增长率的变化，在1997年之前，它以每年60%的速度快速增长，从那时起，它以每年惊人的100%的速度加速增长。

一个相关的效应，隧道磁阻(TMR)，如图1.1b所示。虽然在GMR效应发现之前，但在90年代，当它被讨论在磁性数据存储方面的可能应用时，它经历了复兴。这种效应依赖于电子在两个铁磁层之间的自旋极化隧穿，穿过薄的绝缘屏障，通常是超薄的氧化物间隔层。如果考虑隧道过程中的自旋守恒，则在两个FM层磁化方向平行的情况下，隧道效应发生在多数态和多数态之间，以及少数态和少数态之间。如果它们是反平行的，大多数电子从一个调频层隧穿到另一层的少数态，反之亦然。一般情况下，在这两种情况下，参与态的密度和隧道概率会不同，从而导致隧道磁电阻。系统的基础研究zui终帮助将室温下的隧道磁阻比提高到220%。

图1.1基于薄膜磁性器件的一些现代概念。a巨磁阻:两个或更多铁磁层堆叠中金属电导率与磁化方向的相对方向的关系。在它被发现后不久，这一效应就被应用于设备，例如硬盘驱动器的读磁头。b隧道磁阻:两个铁磁层之间穿过绝缘阻挡层的隧道电流依赖于磁层中磁化方向的相对方向。例如，这种效应目前应用于数字磁记录的读磁头，并将用于目前正在开发的未来磁随机存取存储器。c自旋转矩传递:由两个铁磁层组成的纳米结构堆栈中，由自旋极化电子对其中一层磁化所施加的转矩引起的铁磁层磁化的电流感应开关。这是一种在磁阻器件中转换磁化强度的方法，目前正在深入研究中。d自旋晶体管:三端器件，其中发射极(E)和集电极(C)之间的电流取决于发射极和基极(B)之间的电流，此外，还取决于两个铁磁层的相对方向。e带隧道势垒的自旋晶体管:像(d)一样的三端器件，其中发射极偏置电压可以用来调节注入集电极的电子的能量。zui后两个装置仅仅代表了所谓的自旋电子学领域的许多方法中的两种，在未来的设备中，电荷和电子的自旋都被用于信息处理

 

与GMR相比，TMR元件具有更高的电阻，这在某些应用中是理想的，但TMR的使用要求电流垂直通过堆栈。2005年，基于tmr的自旋阀由于具有更高的磁阻比而取代了记录磁头中的GMR读取元件，并一直使用至今。然而，进一步缩小尺寸可能会在不久的将来强制使用电流垂直平面GMR传感器，因为TMR元件的高绝对电阻是缩小此类传感器的关键障碍[56]。与TMR效应有关的另一个可能的应用是磁性随机存取存储器(MRAM)(见图1.2)。这个想法是有一个小的TMR元素阵列，它构成了存储信息的位，其中“磁化平行”代表，例如，“0”，而“磁化反平行”代表“1”。工作原理其实很相似到早期计算机时代的磁芯存储器。zui显著的区别显然是大小。mram被宣传为在取代传统的随机存取存储器芯片时使计算机的启动过程过时，因为在电源关闭后磁性信息仍被保留。第1个mram原型机可用于商业应用。

读取TMR-MRAM中的信息意味着通过堆栈测量电阻。寻址三层堆叠阵列中某个元件的电阻需要一种集成的方案，即在每个堆叠下方使用附加二极管交叉字和位线，以便读取特定元件的隧穿电阻。“0”和“1”状态然后由一些读出电子设备来区分。技术上要求更高的是写过程。它需要在元件从“0”切换到“1”的地方有一个非常局部和非常高的磁场，反之亦然，这意味着反转软层的磁化方向。提出的书写方案包括书写字和位线的交叉排列，通过它可以运行相对高的电流。要切换的元件是在电流作用下的两条线的交叉处，因为只有在那里，两条线的奥斯特场加起来才能达到并超过磁开关的临界场。显然，为了实现高度集成的MRAM器件，必须满足元件的开关场分布和避免相邻元件之间的串扰的严格要求。为此，必须使用分析工具来表征这些元件的开关特性。

在发现电流对磁化强度的影响后，提出了另一种写入的可能性，即在小元件中改变磁化强度。如图1.1c所示，如果高电流垂直穿过多层堆叠，则电流在穿过第1层磁层后将部分自旋极化。这种自旋极化电流对另一层的磁化施加转矩，反之亦然。这可以用来逆转软层的磁化，前提是电流密度足够高。通常需要107-108 A/cm2;这只有在元素的面积足够小的情况下才能实现。

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