МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ПОРОГОВЫЙ НАНОЭЛЕМЕНТ Российский патент 2009 года по МПК H01L43/08 B82B1/00 

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом.

Известны пороговые наноэлементы с гигантским магниторезистивным эффектом, в первую очередь двумя его разновидностями: спин-вентильным и спин-туннельным магниторезистивным эффектом (С.И.Касаткин, A.M.Муравьев. Магнитный инвертор. Патент РФ №2120142). Подобные магниторезистивные пороговые наноэлементы обладают большой величиной магниторезистивного эффекта, но используют для перемагничивания ферромагнитных пленок с осью легкого намагничивания (ОЛН) в плоскости пленки преимущественно вращение их векторов намагниченности. Этим обеспечивается минимальный гистерезис (влияние на перемагничивание ферромагнитных пленок движения доменных границ) и максимальный сигнал считывания. Платой за это стали большие токи перемагничивания при записи. Эта проблема все время обостряется с уменьшением размеров магниторезистивных наноэлементов из-за увеличения магнитных размагничивающих полей.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного порогового наноэлемента на основе магнитополупроводниковой наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, работающего на новом принципе действия при небольших магнитных полях, и обладающей малыми токами управления.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном пороговом наноэлементе, содержащем подложку с расположенным на ней первым изолирующим слоем, на котором расположена остроконечная многослойная магниторезистивная полоска, содержащая первый защитный слой, первую магнитомягкую пленку с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, разделительный немагнитный слой поверх первой магнитомягкой пленки, на котором расположены вторая магнитомягкая пленка с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, и второй защитный слой, поверх которого находится второй изолирующий слой с нанесенным на него проводником управления, рабочая часть которого расположена поперек длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, и третий изолирующий слой между второй магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем расположен полупроводниковый слой, а разделительный немагнитный слой имеет толщину, достаточную для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками. При этом полупроводниковый слой может быть выполнен из карбида кремния.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что наличие полупроводникового слоя, расположенного над верхней магнитомягкой пленкой магниторезистивной наноструктуры, между этими двумя слоями приводит к магнитному взаимодействию между ними. Это взаимодействие приводит к фиксации векторов намагниченности соседней со слоем карбида кремния магнитомягкой пленки, в результате чего перемагничивание магнитомягких пленок происходит раздельно. Для увеличения влияния магнитного взаимодействия между прилегающими друг к другу магнитомягкой пленкой и полупроводниковым слоем необходимо устранить обменное взаимодействие между двумя магнитомягкими пленками полоски. Это достигается использованием толщины разделительного немагнитного слоя, расположенного между магнитными пленками, достаточной для устранения обменного взаимодействия между магнитными пленками. Особенностью магнитного взаимодействия, возникающего между магнитомягкой пленкой и полупроводниковым слоем карбида кремния, является то, что оно проявляется только при воздействии на наноструктуру внешнего магнитного поля и зависит от его величины.

Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 представлен магниторезистивный пороговый наноэлемент в разрезе, на фиг.2 приведены осциллограммы сигналов перемагничивания в переменном магнитном поле (дифференциальная восприимчивость) FeNi-Ti-FeNi-SiC наноструктур с: a) d_Ti=1,5 нм; б) d_Ti=2,5 нм; в) d_Ti=5 нм; на фиг.3 представлены осциллограммы сигналов считывания FeNi-Ti-FeNi-SiC наноструктур (показана область поля одной полярности) с d_Ti=5 нм для: а) Н=8 Э; б) Н=12 Э, в) Н=20 Э, на фиг.4 приведена зависимость относительного изменения магнитосопротивления (ΔR/R)(H) магниторезистивного порогового наноэлемента от магнитного поля Н, на фиг.5 приведены временные диаграммы работы магниторезистивного порогового наноэлемента.

Магниторезистивный пороговый наноэлемент содержит подложку 1 (фиг.1) с изолирующим слоем 2, магниторезистивную наноструктуру в виде полоски, состоящей из двух защитных слоев 3, 4, между которыми расположены две магнитомягкие пленки 5, 6 с разделительным слоем 7 и полупроводниковым слоем 8, расположенным между второй магнитомягкой пленкой 6 и вторым защитным слоем 4. Сверху расположен первый изолирующий слой 9, на котором находится проводник 10. Конструкцию порогового наноэлемента заканчивает второй изолирующий слой 11.

Функционирование магниторезистивного порогового наноэлемента основывается на физических свойствах магнитополупроводниковой наноструктуры с различными полями перемагничивания магнитомягких пленок 5, 6. Рассмотрим вначале, как на перемагничивание наноструктуры при постоянных толщинах магнитомягких пленок 5, 6 влияет толщина разделительного немагнитного слоя 7. На фиг.2 представлены сигналы перемагничивания FeNi (2 нм)-Ti (d)-FeNi (2 нм)-SiC (2,1 нм) наноструктур при действии на них внешнего переменного магнитного поля Н, где толщина немагнитного разделительного слоя титана 5 d_Ti=1,5; 2,5 и 5,0 нм. Можно видеть (фиг.2а), что при d_Ti=1,5 нм обменное взаимодействие между магнитомягкими (пермаллоевыми) пленками 5, 6 превышает взаимодействие между слоем полупроводникового слоя карбида кремния 8 и прилегающей к нему пермаллоевой пленкой 6, и обе пермаллоевые пленки 5, 6 наноструктуры перемагничиваются как единое целое. С ростом толщины разделительного титанового слоя 7 (d_Ti=2,5 нм) происходит ослабление обменного взаимодействия между пермаллоевыми пленками 5, 6. При этом начинает сказываться взаимодействие между пермаллоевой пленкой 6 и полупроводниковым SiC слоем 8, что приводит к разделению на два сигнала перемагничивания (фиг.2b). Это означает, что магнитомягкие пленки 5, 6 начинают перемагничиваться раздельно - у них различные значения поля перемагничивания. При дальнейшем росте толщины разделительного немагнитного слоя титана 7 (d_Ti=5,0 нм) обменное взаимодействие между магнитомягкими пленками 5, 6 практически исчезает, в полную силу проявляется магнитное взаимодействие между магнитомягкой пленкой 6 и полупроводниковым слоем 8 и сигналы перемагничивания двух магнитомягких пленок 5, 6 полностью разделяются с сохранением тех же тенденций в изменении поля перемагничивания этих пермаллоевых пленок. Раздельное перемагничивание магнитомягких пленок 5, 6 говорит о том, что поле перемагничивания одной из магнитомягких пленок уменьшилась, а другой - увеличилось, что можно связать с проявлением магнитного взаимодействия между магнитомягкой пленкой 6 и немагнитным полупроводниковым слоем 8. При этом для наноструктур с разделительным немагнитным слоем 7 из титана его минимальная толщина составляет 5 нм. При использовании немагнитного разделительного слоя 7 из диэлектрика Аl₂О₃, как показали экспериментальные исследования, минимальная толщина такого разделительного слоя составляет 2 нм.

Нами установлено, что величина магнитного взаимодействия между магнитомягкой пленкой 6 и полупроводниковым слоем 8 зависит не только от толщины слоя полупроводника, но и от величины внешнего перемагничивающего поля. Для наноструктур с максимальной d_Ti (5,0 нм), при которой отсутствует обменное взаимодействие между магнитомягкими пленками 5, 6, перемагничивание происходит следующим образом. С увеличением амплитуды Н появляется одиночный сигнал перемагничивания с положением пика 2,7 Э (фиг.3а). Это говорит о совместном перемагничивании обеих магнитомягких пленок 5, 6, несмотря на отсутствие обменного взаимодействия между этими пленками и какого-либо влияния полупроводникового слоя 8 на магнитные параметры магнитомягких пленок 5, 6. Отметим, что совместное перемагничивание магнитомягких пленок 5, 6 происходит благодаря наличию размагничивающих магнитных полей на краях этих пленок. По мере увеличения амплитуды перемагничивающего поля происходит уменьшение амплитуды этого сигнала, а по обеим сторонам от него появляются и нарастают два других сигнала с положением пиков 1,6 и 3,5 Э (фиг.3b). Появление двух дополнительных сигналов свидетельствует о начале раздельного перемагничивания магнитомягких пленок 5, 6 из-за возрастающего воздействия на магнитомягкую пленку 5 прилегающего к ней полупроводникового слоя 8. При дальнейшем увеличении амплитуды внешнего магнитного поля Н начальный сигнал исчезает (фиг.3с), и магнитомягкие пленки 5, 6 перемагничиваются независимо, что свидетельствует о сильном магнитном взаимодействии между немагнитным полупроводниковым слоем 8 и магнитомягкой пленкой 6. Постепенный характер изменения сигналов перемагничивания наноструктуры объясняется неоднородностью ее свойств по площади.

Приведенные результаты показывают, что между магнитомягкой пермаллоевой пленкой 6 и полупроводниковым слоем из карбида кремния 8 существует магнитное взаимодействие, зависящее от величины внешнего магнитного поля. Можно дать предположительное объяснение наблюдаемой полевой зависимости процессов перемагничивания, состоящее в том, что благодаря взаимной диффузии слоев полупроводника и магнитомягкой пленки образуется тонкий, порядка одного - двух атомных слоев, интерфейс с намагниченностью, возрастающей при увеличении амплитуды перемагничивающего переменного поля. Это магнитное взаимодействие зависит от величины внешнего магнитного поля и нелинейно (порогово) меняет поле перемагничивания магниторезистивной наноструктуры. Физически, описанное нами перемагничивание наноструктуры осуществляется движением доменных границ в магнитомягких пленках 5, 6, т.е. изменение поля перемагничивания означает изменение скорости движения этих границ. Несмотря на то, что при анизотропном магниторезистивном эффекте изменение сопротивления полоски фиксируется только при отклонении вектора намагниченности магнитомягкой пленки пропорциоционально cos²φ, где φ - угол между вектором намагниченности и протекающим сенсорным током, а направления векторов намагниченности в перемагничивающихся областях полоски антипараллельны и не дают сигнала, но благодаря изменению направления векторов намагниченности в доменной границе сигнал существует. На фиг.4 показан сигнал, возникающий в магнитомягкой пермаллоевой полоске при действии на нее переменного магнитного поля. Разница между двумя пиками сигналов, возникающих при противоположном направлении внешнего магнитного поля, соответствует удвоенному полю перемагничивания полоски. В случае спин-вентильной магниторезистивной полоски, в которой сигнал пропорционален cos2φ, где φ - угол между векторами намагниченности соседних магнитных пленок, проблемы с сигналом существенно упрощаются.

С учетом вышеописанных физических свойств магнитополупроводниковой наноструктуры работа магниторезистивного порогового наноэлемента происходит следующим образом. Его разделительный Та слой имеет толщину не менее 5 нм. При подаче импульса тока, создающего Н<Н_СТ, перемагничивание наноэлемента не происходит и сигнала не будет. При подаче импульса тока, создающего Н_СТ<Н<Н₀, где Н₀ - поле, при котором начинается раздельное перемагничивание пленок полоски, перемагничивание наноэлемента происходит однородно и на выходе будет один сигнал (фиг.5а). При подаче импульса тока, создающего Н₀<Н<H₁, где H₁ - поле, при котором исчезает первый сигнал полоски, перемагничивание наноэлемента происходит неоднородно и на выходе будет три сигнала (фиг.5б). Так как средний сигнал полоски сохраняется только благодаря неоднородности магнитных свойств наноструктуры, то в полоске с резко уменьшенной площадью возможен случай, когда этого сигнала не будет. Ввиду большей скорости доменных заряженных границ все сигналы будут расположены ближе к началу координат (времени подачи импульса тока). При подаче импульса тока, создающего H₁<Н, перемагничивание наноэлемента происходит неоднородно каждой ферромагнитной пленкой и на выходе будет два сигнала (фиг.5в). Ввиду большей скорости доменных заряженных границ все сигналы будут расположены еще ближе к началу координат.

Таким образом, предложенный магниторезистивный пороговый наноэлемент на основе магнитополупроводниковой наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока работает на новом принципе действия при небольших магнитных полях и обладает малыми токами управления.

Изобретение может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом. В магниторезистивном пороговом наноэлементе, содержащем подложку с расположенным на ней первым изолирующим слоем, на котором расположена остроконечная многослойная магниторезистивная полоска, содержащая первый защитный слой, первую магнитомягкую пленку с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, разделительный немагнитный слой поверх первой магнитомягкой пленки, на котором расположены вторая магнитомягкая пленка с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, и второй защитный слой, поверх которого находится второй изолирующий слой с нанесенным на него проводником управления, рабочая часть которого расположена поперек длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, и третий изолирующий слой между второй магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем расположен полупроводниковый слой. Разделительный немагнитный слой имеет толщину, достаточную для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками. Изобретение обеспечивает создание магниторезистивного порогового наноэлемента на основе магнитополупроводниковой наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, работающего на новом принципе действия при небольших магнитных полях, и обладающей малыми токами управления. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Магниторезистивный пороговый наноэлемент, содержащий подложку с расположенным на ней первым изолирующим слоем, на котором расположена остроконечная многослойная магниторезистивная полоска, содержащая первый защитный слой, первую магнитомягкую пленку с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, разделительный немагнитный слой поверх первой магнитомягкой пленки, на котором расположены вторая магнитомягкая пленка с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, и второй защитный слой, поверх которого находится второй изолирующий слой с нанесенным на него проводником управления, рабочая часть которого расположена поперек длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, и третий изолирующий слой, отличающийся тем, что между второй магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем расположен полупроводниковый слой, а разделительный немагнитный слой имеет толщину, достаточную для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками.

2. Магниторезистивный пороговый наноэлемент по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый слой выполнен из карбида кремния.