ТУННЕЛЬНЫЙ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2010 года по МПК H01L43/08 

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к элементной базе спинтроники - новой области развития современной электроники, поскольку в его работе используются механизмы спин-зависимого электронного транспорта. И может быть использовано при создании принципиально новых элементов, предназначенных для хранения, обработки и передачи информации.

Известно, что для создания магниторезистивных (МР) устройств используют материалы манганитов с эффектом колоссального магнитосопротивления [Э.Л.Нагаев. Манганиты лантана и другие магнитные полупроводники. УФН, Т.166, В.8, С.833-853 (1996)]. Величина магнитосопротивления MR=(R(H)-R(0))/R(0) в них может достигать больших значений.

Но с практической точки зрения они оказались малопригодны из-за больших величин магнитного поля Н, в которых достигаются приемлемые для практических приложений величины магниторезистивного эффекта, и сильной зависимости эффекта от температуры.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является МР элемент на основе многослойных наноструктур с ферромагнитными (ФМ) слоями, в основе работы которого лежат механизмы спин-зависимого электронного транспорта [A.Barthelemy, A.Fert, J-P. Contour, et al. Magnetoresistance and spin electronics. J. Magn. Magn. Mater, v.242-245, pp.68-76 (2002)]. Структуры типа ФМ метал/нормальный металл/ФМ металл (FM/N/FM структуры) обладают эффектом гигантского магнитосопротивления - зависимостью сопротивления структуры от взаимной ориентации намагниченностей магнитных слоев структуры. Указанные структуры уже нашли свое применение в качестве магниторезистивных считывающих головок для дисков магнитной памяти.

Большие величины МР эффекта, что необходимо для многих практических приложений, можно реализовать в магнитных туннельных структурах типа ФМ металл/диэлектрик/ФМ металл (FM/I/FM структуры). Такие структуры рассматриваются как перспективные элементы для реализации оперативной магнитной памяти, всевозможных магниточувствительных датчиков, магнитоуправляемых детекторов СВЧ-излучения [Springer Series in Surface Science: Giant Magnetoresistance Device / Ed. Hirota E., Springer, 2002. - 177 p.; A.A.Tulapurkar, Y.Suzuki, A.Fukushima, H.Kubota, H.Maehara, К.Tsunekawa, D.D.Djayaprawira, N. Watanabe & S. Yuasa, Spin-torque diode effect in magnetic tunnel junctions. Nature (London) v.438, N 17, p.339-342 (2005)]. Ток в МР элементах на основе туннельных структур пропускается перпендикулярно интерфейсам слоев, СРР (current perpendicular to the plane) геометрия, магнитное поле прикладывается в плоскости структуры. В основе работы МР элемента на основе магнитной туннельной структуры лежит механизм спин-зависимого туннелирования между двумя ферромагнитными слоями с металлической проводимостью через потенциальный барьер (тонкий слой диэлектрика). В ФМ металлах носители заряда оказываются поляризованными по спину - из-за обменного расщепления число носителей со спином «вверх» (вдоль направления намагниченности материала) и спином «вниз» (антипараллельно намагниченности) различается. Это приводит к тому, что сопротивление туннельного перехода R_T зависит от взаимной ориентации намагниченностей М₁ и М₂ ФМ слоев

здесь и - единичные векторы вдоль намагниченностей первого и второго ферромагнитных слоев, М₁ и М₂, ΔR=R_↑↓-R_↑↑ - изменение сопротивления при изменении состояния с антипараллельного расположения М₁ и М₂ на параллельное. Если коэрцитивные поля ФМ электродов различны, то взаимной ориентацией и, следовательно, сопротивлением R_T можно эффективно управлять с помощью внешнего магнитного поля, т.е. реализуется магниторезистивный эффект. Для туннельного перехода CoFeB/MgO/CoFeB получены величины магнитосопротивления при комнатной температуре, достигающие 500% в магнитных полях, не превышающих несколько эрстед [Shinji Yuasa Giant Tunneling Magnetoresistance in MgO-Based Magnetic Tunnel Junctions. Journal of the Physical Society of Japan, v.77, N3, 0313001 (13 p.)]. Величина и знак туннельного магнитосопротивления определяется особенностями функции плотности состояний вблизи уровня Ферми ФМ электродов. Различаются два типа ФМ металлов: MASC ферромагнетики, у которых носители заряда преимущественно имеют спины, параллельные намагниченности; и MISC ферромагнетики, носители заряда у которых ориентированы антипараллельно намагниченности. Если у туннельной структуры ферромагнитные слои одинакового типа, туннельное сопротивление минимально при параллельной ориентации намагниченностей электродов. Напротив, если при изготовлении структуры используются разные типы ферромагнетиков, то сопротивление минимально при антипараллельной ориентации намагниченностей.

К недостаткам МР элементов на основе туннельного магнитосопротивления следует отнести:

1) быстрое подавление МР эффекта при увеличении напряжения смещения на структуре [J.S.Moodera, J.Nowak and R.J.M. van Veedonk. Interface Magnetism and Spin Wave Scattering in Ferromagnet-Insulator-Ferromagnet Tunnel Junctions. Phys. Rev. Lett. v.80, p.2941-2944 (1998)];

2) CPP геометрия, при которой ток перпендикулярен плоскости интерфейсов структуры, что не всегда удобно для практических приложений, например, при разработке гибридных структур ФМ/полупроводник, совместимых с традиционной планарной полупроводниковой технологией.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в реализации большой величины МР эффекта в туннельной структуре при использовании CIP (current in plane) геометрии, когда ток параллелен плоскости интерфейсов слоистой структуры и в возможности эффективного управления величиной МР эффекта током смещения, протекающим через структуру.

Указанный технический результат достигается тем, что в туннельном магнито-резистивном элементе, содержащем подложку с двумя ферромагнитными проводящими слоями, разделенными тонким слоем диэлектрика, новым является то, что токовые контакты крепятся к верхнему ферромагнитному слою структуры, который имеет проводимость, меньшую, чем проводимости нижнего слоя, а магниторезистивный эффект реализуется за счет переключения токового канала между слоями с различной проводимостью, управляемого воздействием магнитного поля на магнитные туннельные переходы под токовыми контактами.

В CIP геометрии, в отличие от прототипа, в котором используется CPP геометрия, токовые контакты крепятся к верхнему слою туннельной структуры - ФМ пленке с проводимостью, меньшей, чем у нижнего ФМ слоя структуры; при низких величинах тока напряжение смещения на туннельных переходах между ФМ проводящими слоями под токовыми контактами мало, сопротивление туннельных переходов велико и ток течет по верхнему слою структуры; увеличение тока влечет за собой увеличение напряжения смещения на туннельных переходах, в результате их сопротивление становится меньше сопротивления верхнего слоя, и происходит переключение токового канала из верхнего слоя структуры в нижний с низким сопротивлением; внешнее магнитное поле, как и в случае прототипа, изменяет сопротивление туннельных переходов, управляя тем самым процессом переключения токовых каналов; с учетом разницы в транспортных характеристиках слоев, переключение токовых каналов, вызванное изменением магнитного поля, приводит к МР эффекту, величина которого зависит от величины тока через структуру.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве используется туннельная структура в CIP геометрии, а МР эффект реализуется за счет переключения магнитным полем токовых каналов между ФМ слоями туннельной структуры с различными транспортными характеристиками, а туннельные магнитные Переходы под токовыми контактами играют роль элементов, управляющих процессом переключения токовых каналов. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна». При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 приведен пример конструкции предлагаемого туннельного МР элемента: 1 - подложка; 2 - ферромагнетик с металлической проводимостью; 3 - слой диэлектрика; 4 - ферромагнетик с проводимостью, меньшей, чем у ферромагнетика 2; 5 - токовые контакты; 6 - область туннельного перехода для тока, текущего через структуру; стрелками показаны токовые пути. На фиг.2 показана типичная ВАХ структуры: 7 - ВАХ верхнего слоя структуры; 8 - ВАХ туннельного перехода; 9 - результирующая ВАХ структуры; 10 - величина тока I_th, при которой сопротивление верхнего слоя структуры становится больше сопротивления нижнего слоя; на вставке к фиг.2 приведена эквивалентная электрическая схема структуры; R₁ - сопротивление верхнего слоя в структуре; R₂ - сопротивление нижнего слоя; R_T - сопротивление туннельного перехода между слоями; I_M - ток по верхнему слою структуры; I_T - ток через туннельные переходы в структуре. На фиг.3 дана схематичная иллюстрация переключения токовых каналов при изменении тока I через структуру и магнитного поля H (черные стрелки - токовые пути; белые стрелки - намагниченности слоев): показаны при режима работы структуры: а) I<I_th, H=0, намагниченности слоев антипараллельны; б) I>I_th, H=0, намагниченности слоев антипараллельны; в) I>I_th, в магнитном поле H намагниченности слоев ориентированы параллельно. Фиг.4 показывает типичную ВАХ структуры без магнитного поля (H=0) и в магнитном поле (H), и соответствующее поведение магнитосопротивления; кружками помечены участки ВАХ, соответствующие различным режимам работы структуры (см. фиг.3). На фиг.5 ВАХ практически реализованной структуры La_0.7Sr_0.3MnO₃/обедненный слой манганита/MnSi без магнитного поля (11) и в магнитном поле (12) и соответствующее поведение магнитосопротивления при температуре Т=5К. Отрицательное магнитосопротивление, независящее от тока, в области малых токов связано со свойствами манганита и в предлагаемом устройстве не используется.

Устройство представляет собой трехслойную структуру. На подложку последовательно наносятся: слой ФМ с металлическим типом проводимости; тонкий (несколько нм) слой диэлектрика; верхний слой с проводимостью, меньшей проводимости нижнего слоя, фиг.1. Два токовых контакта крепятся на верхнем слое структуры. Для определенности рассматриваем случай структуры со слоями, изготовленными из различного типа ФМ (MASC и MISC ферромагнетиков). Тогда в отсутствие магнитного поля намагниченности верхнего М₁ и нижнего М₂ слоев антипараллельны, и сопротивление туннельного перехода меньше, чем при параллельной ориентации М₁ и М₂. Для одинаковых типов ФМ слоев принципиально механизм реализации МР остается прежним, изменится только знак МР эффекта при воздействии магнитного поля.

Работает устройство следующим образом. При малых токах I через структуру, меньших некоторой величины I_th, сопротивление туннельных переходов под токовыми контактами R_T больше сопротивления верхнего слоя R₁ и ток течет по верхнему слою структуры, имеющему линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ), фиг.2. При увеличении 7 происходит увеличение напряжения смещения V_b на туннельных переходах под токовыми контактами (V_b≠V, V_b=V_b(I)), что влечет за собой уменьшение R_T, типичная ВАХ туннельного перехода показана на фиг.2. При I больше I_th, R_T становится меньше R₁ и ток начинает течь преимущественно по нижнему слою, сопротивление которого R₂ много меньше R₁. Результирующую ВАХ структуры (фиг.2), отражающую процесс переключения токовых контактов при I>I_th, можно представить, используя эквивалентную электрическую схему устройства (вставка на фиг.2). Описанный сценарий реализуется в отсутствие магнитного поля, когда М₁ и М₂ антипараллельны, и R_T в зависимости от поля имеет минимальное значение. Магнитное поле, приложенное в плоскости структуры стремится выстроить М₁ и М₂ параллельно R_T при увеличении поля растет, становится больше R₁ и токовый канал переключается в верхний слой структуры с линейной ВАХ, что означает увеличение сопротивления структуры в целом при увеличении поля, т.е. реализуется эффект положительного магнитосопротивления с величиной магнитосопротивления, зависящей от величины тока через структуру, фиг.3 и 4.

Пример практически реализованной структуры соответствует фиг.1, где 1 -подложка SiO₂; 2 - слой MnSi; 3 - обедненный слой манганита; 4 - пленка La_0.7Sr_0.3MnO₃. Такая структура La_0.7Sr_0.3MnO₃/обедненный слой манганита/MnSi изготовлена методом лазерного напыления на подложке SiO₂. Обедненный слой манганита играет роль потенциального барьера между слоями La_0.7Sr_0.3MnO₃ и MnSi с полупроводниковой и металлической проводимостью соответственно. Оба проводящих слоя ниже 30 К находятся в ФМ состоянии, формируя тем самым магнитный туннельный переход. На фиг.5 приведена реальная ВАХ структуры в CIP геометрии и соответствующее поведение магнитосопротивления в зависимости от величины тока. Видно, что МР эффект имеет пороговый характер, наблюдается только при I>I_th, и зависит от величины тока.

В данном примере величина магнитосопротивления может превышать 300%, к тому же не наблюдается насыщение эффекта, что принципиально позволяет рассчитывать на получение еще больших величин магниторезистивного эффекта. Насыщение магниторезистивного эффекта имеет место уже в магнитных полях полях ~1 кЭ. Подбором материалов слоев в структуре можно увеличить температуры, при которых наблюдается МР эффект, и уменьшить величины рабочих магнитных полей магниторезистивного элемента.

Туннельный магниторезистивный элемент относится к микроэлектронике, а именно к элементной базе спинтроники - новой области развития современной электроники, поскольку в его работе используются механизмы спин-зависимого электронного транспорта, и может быть использован при создании принципиально новых элементов, предназначенных для хранения, обработки и передачи информации. В туннельном магниторезистивном элементе, содержащем подложку с двумя ферромагнитными проводящими слоями, разделенными тонким слоем диэлектрика, токовые контакты крепятся к верхнему ферромагнитному слою структуры, который имеет проводимость, меньшую, чем проводимости нижнего слоя, а магниторезистивный эффект реализуется за счет переключения токового канала между слоями с различной проводимостью, управляемого воздействием магнитного поля на магнитные туннельные переходы под токовыми контактами. Изобретение обеспечивает реализацию большой величины магниторезистивного (МР) эффекта в туннельной структуре при использовании СЕР (current in plane) геометрии, когда ток параллелен плоскости интерфейсов слоистой структуры и в возможность эффективного управления величиной МР эффекта током смещения, протекающим через структуру. 5 ил.

Туннельный магниторезистивный элемент, содержащий подложку с двумя ферромагнитными проводящими слоями, разделенными тонким слоем диэлектрика, отличающийся тем, что токовые контакты крепятся к верхнему ферромагнитному слою структуры, который имеет проводимость, меньшую, чем проводимости нижнего слоя, а магниторезистивный эффект реализуется за счет переключения токового канала между слоями с различной проводимостью, управляемого воздействием магнитного поля на магнитные туннельные переходы под токовыми контактами.