自旋电子学研究进展(磁学会议)讲课教案

《自旋电子学研究进展(磁学会议)讲课教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自旋电子学研究进展(磁学会议)讲课教案（65页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、自旋电子学研究进展自旋电子学研究进展(磁磁学会议学会议)一、一、序言二、二、巨磁电阻GMR三、三、隧道磁电阻TMR四、四、半导体自旋电子五、五、MRAM研究进展自旋自旋电子电荷自旋 在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种载流子的输运性质，1947年发明了晶体管，开创了信息时代。电子通过磁化的铁磁材料，产生自旋极化电子，极化电子有向上和向下的两种载流子，利用自旋向上或向下两种载流子的特性能否做成新的电子器件？更进一步能否利用四种载流子制造电子器件？电子一、序言一、序言电子在固体中的输运性质晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动波动方程解(布洛赫定理)：布洛赫函数 在严格的周

2、期性势场下(绝对零度00K，完整的单晶)，前进的电子波是完全“透明透明”的。一旦严格周期性势场被破坏(如：温度升高原子的振动，多晶体晶粒的晶界，晶体中的杂质或缺陷等)电子波受到散射。低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13 秒，平均自由程10nm。非弹性散射的平均时间间隔10-11 秒，相位干涉长度1m。极化电子自旋保持原有极化方向的平均间隔时间10-9 秒，自旋扩散长度100m。室温下自旋扩散长度钴 铁 FeNi 金银铜铝自旋向上 5.5nm 1.5nm 4.6nm 自旋向下 0.6nm 2.1nm 0.6nm 1-10m 电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋-轨道耦合

3、与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。电子自旋极化度电子自旋极化度 当电子通过铁磁金属时，电子由简并态，变成向上(+1/2)和向下(-1/2)的非简并态，极化度表示为自旋极化度实验结果：材料 Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16 自旋极化度()33 45 44 48 51 49N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。自旋电子学产生的背景：自旋电子学产生的背景：能在纳米尺度制备多层薄膜；3d4sP=45%P=100%微电子工艺能制备亚微米器件；纳米尺寸下新物理效应的发现；信息存储发展的需求。纳米柱器件纳米柱器件GMR=4.0%例如：例如：典型的两种效应：

4、巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR非磁金属Cu-GMR绝缘体Al2O3-TMRCo/Cu多层膜磁化强度平行，RP电阻小磁化强度反平行，RAP电阻大RPRPRPRPRAPRAPRAPRAP二流体模型自旋电子极化方向平行磁化强度方向自旋电子极化方向反平行磁化强度方向巨磁电阻GMR自旋极化度N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。电阻小 电阻大隧道磁电阻TMR自旋电子现象研究进程二、巨磁电阻二、巨磁电阻GMR纳米尺度的效应 1986年 Grunberg Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反反铁磁耦合铁磁耦合Phys.Rev.Lett.57(1986)2442Unguris.et al

5、.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeFeFeCrCr 1nm1nmFeFeFeFeCrCr(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大19881988年年 Baibich等 发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应 Phys.Rev.Lett.61(1988)2472Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304金属多层膜的巨磁电阻反铁磁耦合(H=0)R/R()随Cr厚度变化的振荡关系饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系GMR自旋阀自旋阀1990年 Shinjo 两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构1991年 Dieny 用反铁磁层钉扎

6、一层铁磁层的自旋阀结构用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构J.Appl.Phys.69(1991)4774Si/150NiFe/26Cu/150NiFe/150FeMn/20AgCIPCIPCPPCPP能否增加自旋阀磁电阻？能否增加自旋阀磁电阻？CPP;纳米氧化层纳米氧化层1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化Phys.Rev.Lett.66(1991)3060-70(1993)3343MR=7%反铁磁层反铁磁层钉扎铁磁层自由铁磁层SiFeNi15nmFeNi15nmCu2.6nmFeMn15nmAg2nmMR=2.2%增加纳米氧化层的自旋阀Kou

7、i.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001纳米氧化层NOL(Nanooxide layer)R/R=15 (10)-20246810121416-600-400-2000200400600H(Oe)MR(%)NOL15%8%GMR的部分应用的部分应用反铁磁层铁磁层 1铁磁层 2非磁性层硬盘读出磁头硬盘读出磁头GMR隔离器传感器GMR-typeMRAM(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM,估计军方是唯一用户)2004年年 170Gbit/in2预计不久到 1000 Gbit/in2,最终可能到 50 Tbit/in

8、2(100nm65Gbit/in2)2000100硬磁盘读出头的发展硬磁盘读出头的发展GMR隔离器原理与实物2000年引入，目前速度为光隔离器的10倍，最终100倍Courtesy of NVECompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProducts通信产品TheWorldofMagneticSensors罗盘全球定位车辆检测导航位置传感器电流传感器转动位移三、隧道磁电阻三、隧道磁电阻TMR19

9、75年 Julliere 在Fe/Ge/Co中发现两铁磁层中磁化平行和反 平行 的电导变化在4.2K为14。Phys.Lett.54A(1975)2251982年 Maekawa等 在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应IEEE Trans.Magn.18(1982)7071995年 Miyazaki在Fe/Al2O3/Fe三明治结构，在室温下有15.6的磁隧道电导变化，磁场灵敏度为8/Oe。Al2O3FeFeAl2O3FeFeJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231-151(1995)403Fe/Cr/Fe电阻隧磁场变化Fe/Cr/Fe磁滞回线制备态和

10、热处理后77K和4.2KX.F.Han et all.Jpn.J.Appl.Phys.39(2000)L441.2000年 TMR达到50 (Al2O3为0.8nm)Ta(5nm)Ni79Fe21(3nm)Cu(20nm)Ni79Fe21(3nm)IrMn(10nm)Co75Fe25(4nm)Al2O3(0.8nm)Co75Fe25(4nm)Ni79Fe21(20nm)Ta(5nm)SiTMR=22%TMR=50%制备态退火态单晶MgO做底层，相邻铁形成单晶的 TMREurophys Lett.,52(3),pp.344-350(2000)各向异性的磁隧道电阻硅基片上的MgO单晶做底层，高取向

11、织构Fe的隧道结TEM的断面像。Fe晶轴 TMR(T=2K)T=290K(100)13%7%(110)32%18%(211)42%23%当电子波矢k逐渐偏离势垒法线方向，电子隧穿几率急剧减小,这就是自旋极化的各向异性起因。MgO单晶势垒的磁隧道效应w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509(2001.1)用MBE制备单晶磁隧道结MgO(001)基片Fe MgO(001)Fe(001)Fe(001)MgO(001)-5ML/Fe(001)STM测量隧道效应，黑线对应灰色区域，虚线对应黑点(较低的隧道势垒)。镀上金Au电极层实验为理论提供条件实验为理论提供条件Fe(

12、100)MgO 3.9MLFe(100)MgO 2MLFe 5MLFe(100)MgO 5MLAu2001.1实验结果Spin-dependent tunneling conductance of Fe/MgO/Fe sandwichesSpin-dependent tunneling conductance of Fe/MgO/Fe sandwiches W.H.Butler Phys.Rev.B.Vol 63.054416(2001.1)用第一性原理计算隧道电导和磁电导 小原子是镁，大原子是铁，大原子上的黑球是氧。Fe100平行MgO(100)面上的110方向。多数电子和少数电子在费米面

13、附近态密度完全不同。结构模型结构模型Mg1oFe0101001102100FeMgO 多数电子和少数电子在费米面 附近态密度大体相同。MgO界面附近的Fe在费米面附近的态密度Fe界面附近的MgO在费米面附近的态密度计算：计算：计算 Fe/MgO/Fe(k/=0)隧道态密度TDOS多数电子少数电子磁矩平行磁矩反平行 对于k/=0 Fe(100)有四个布洛赫态：一个1，两重简并态5 ，一个2 在MgO中有不同的衰减，1只在多数电子时在费米面附近有较高态密度。结论：多数电子的隧道电导由对称的1态决定，由于1态对多数电子在费米面附近有态密度，对少数电子在费米面附近没有态密度，类似于半金属的能态，因此自

14、旋极化率为100%。理论预言理论预言TMR可达到可达到1000相干自旋极化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道结S.Yuasa Jpn J Appl phys vol 43 L588(2004.4)MgO(001)基片Fe(001)MgO(001)2nmFe(001)室温：TMR=88%3x12m2超过Al2O3非晶势垒(TMR70%)最大的输出电压380mv1相当于半金属能相当于半金属能带带380mv88%2004.4实验结果 单晶 Fe/MgO/Fe磁隧道结的TMRYuasa.s.et al.Nature Mater.3,868-871(2004.10)垂直方向：MgO001(Fe001)轴，00

15、1方向MgO晶格常数为0.221nm水平方向：MgO100(Fe110)轴，100方向MgO晶格常数为0.208nmtMgO=1.8nm 隧道结是用MBE技术制备的单晶隧道结。(3x3m2;3x12m2)Fe(001)MgO(001)Fe(001)单晶MgO(001)基片MgO厚度tMgO=2.3nm;测试偏压为10mV.室温：MR=18020K：MR=247低结电阻：RA30010km22004.10实验结果CoFe/MgO/CoFe磁隧道结的TMR4K：MR=300室温：MR=220Parkin.S.S.P.et al.Nature.Mater.3,862-867(2004)TaNIrMn

16、CoFeCoFeMgOCoFeTaN用磁控濺射制备的MgO磁隧道(80 x80m2)三种样品的TMR与退火温度的关系，图中所示为样品的退火温度TA=3800CTA=3600CTA=3700C2004.10实验结果 热稳定性可超过热稳定性可超过4000C,有利于与有利于与CMOS配合配合MgO:立方晶体(100)织构；CoFe：b.c.c.(100)织构；IrMn：f.c.c.(100)织构CoFeB/MgO/CoFeBCoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结的磁隧道结的TMRTMRDjayaprawira.et al.Appl phys.lett.86.092502(2005)退火温度TA=36

17、00C(2h，H=8kOe)採用磁控濺射技术制备MTJ(1mx1m)MgO用射频rf濺射制备CoFeB/MgO界面清晰、平滑，MgO有很好的(001)纤维晶体织构Ru(7)Ta(10)MgO(1.8)Si基片Ta(10)PtMn(15)Co70Fe30(2.5)Ru(0.85)Co60Fe20B20Co60Fe20B202005.2实验结果室温:MR=23020K:MR=294RA=420m2RA=440m2MgO MgO 隧道势垒的优点：隧道势垒的优点：1、高自旋极化率，TMR值大，室温达到2302、热稳定性高，可超过4000C3、结电阻较小，RA300m2加快MRAM进入市场的时间室温Co

18、ey Nature Mater 4(2005)9TMR与自旋极化率的关系(实线是Julliere模型期待值)磁性隧道结的应用磁性隧道结的应用*动态随机存储器MRAM*硬盘读出磁头*磁性传感器高灵敏磁场传感器SQUIDs 1.5厘米2低温4.2K的灵敏度约1fT/Hz1/2；用高温超导材料，灵敏度约为30fT/Hz1/2。MTJ+超导环：4.2K的灵敏度为40pT/Hz1/2(GMR)。理论预言用TMR灵敏度可达0.01fT/Hz1/2。MTJ结的面积10m2。1997年 MIT报道用磁隧道阀做成的磁头，硬盘的磁存储密度为 几十Gbit/in2。(1fT=1x10-15T)Science 304

19、(2004)1648MotorolaMTJMRAMstructure写入写入读出读出位线位线字线字线写线写线写线写线位线位线字线字线WWLRWLGNDBLMTJCMOSMRAM与现行各存储器的比较（与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）为特征尺寸）技术DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256GB256GB180MB/cm2256 GB速度150MHz150MHz913MHz500 MHz单元尺寸25F2/bit2F2/bit2F2/bit联接时间10ns10ns1.1ns2ns写入时间10ns10s10ns擦除时间1ns10s10ns保持时间2.4s10years无穷无穷循环使用次数无穷

20、105无穷无穷工作电压(V)0.5-0.6V5V0.6-0.5V1V开关电压0.2V5V50 mVMRAMDRAMFLASH256Kb MRAM chipCourtesy of Motorola 非挥发性 高的集成度 高速读取写入能力 重复可读写次数近乎无穷大 功耗小基于基于TMR构建的磁存储器构建的磁存储器(MRAM)具有具有MRAMMRAM具有抗辐照能力具有抗辐照能力（国防、航天至关重要）国防、航天至关重要）MRAM内存储器内存储器：非挥发性；抗辐照；速度快：非挥发性；抗辐照；速度快外存储器外存储器：比：比FlashFlash存取速度快存取速度快10001000倍倍;功耗小；寿命长；密度高

21、功耗小；寿命长；密度高可能取代闪存Flash和硬盘Progress in MRAM国外研究现状和发展趋势国外研究现状和发展趋势 2003年在日本文部省和通产省支持下己基本完成100-200Gbit/in2磁读出头原型器件的研制。并又投入数十亿日元开展256M容量的MRAM演示芯片的研制。四、半导体自旋电子四、半导体自旋电子金属-半导体界面势垒金属-真空界面m：功函数,金属中的电子逸出到真空中所需要的最低能量B：外加电场使势垒降低值-Ex：外加电场热电子发射：金属中的电子靠热运动能量逸出金属的电子。金属-半导体界面s：电子亲和能，导带底的电子进入真空所需要的能量s：半导体功函数，从真空能级到费米

22、能级的能量差肖特基效应：外加电场导致金属势垒降低的现象例如：外加电场为E=106(V/m)，那么，势垒的顶点出现在x=23.5nm处，=39(meV)金属-半导体整流结称为肖特基势垒对于p型半导体：msss时形成欧姆接触n型半导体与金属接触形成的肖特基势垒B=m-s-,是由于界面电场导致势垒的降低肖特基势垒B：自旋注入方式：自旋注入方式：(STM)1.2.3.4.欧姆接触欧姆接触弹道点接触弹道点接触隧道注入隧道注入热电子注入热电子注入(STM)IvMR0.55通过铁磁层把自旋电子注入二维电子气(实验)接触尺寸2x16m2例一Reported spin injection efficiency:

23、2%T=25K2%T=25KZhuetal.，PRL87.016601(2001)例二1.2.3.自旋检测自旋检测自旋阀检测电位计检测n,p typeP-GaAs(100)P-AlGaAs 570nmAlGaAs 75nmGaAs 50nmAlGaAs 15nmAlGaAs 100nmGaAs 5nmMgO 3nmCoFe 5nmTa 10nmLEDsOptical Detection光检测自旋注入的电极材料解决肖特基势垒问题高自旋极化率材料为什么要研究半金属材料和稀磁半导体?混合价钙钛矿CMR稀磁半导体稀磁半导体EFsfTypeMFe3O4,Sr2FeMoO6Mn2VAlTypeMEFsfE

24、xamples:CrO2;NiMnSb(Co1-xFex)S2(La0.7Sr0.3)O3Type I half metals半金属特征：少数自旋在费米面态密度为零Crystal structuresCrystal structuresCrystal structuresCrystal structuresAnataseStructureSpacegroup=I4/amda=3.79Ac=9.51ATiradius=0.62ANradius=1.35ARutileStructureSpacegroup=P42/mnma=4.75Ac=3.18ASnradius=0.74AOradius=1.3

25、5AWurtziteStructureSpacegroup=P63/mca=3.25Ac=5.21AZnradius=0.80AOradius=1.21AZnOTiO2SnO2稀磁半导体金红石锐钛矿纤锌矿TiOZnOSnO4x1/48x1/88x1/88x1/88x1/42x14x1/28x1/24x1/21x12x11x11x11x1Moments in SnO2ZnO:Co films (Zn 1-xCox)OSn 1-xMxO2 thin filmsRoom temperature magnetization curves of Sn 0.85M 0.15O2 (M=Co,Mn,Fe)f

26、ilmsCo实验数据混乱TCSn 1-xMxO2MomentsinTiO2andZnODiluteferromagneticoxides;TCRT能隙MaterialEg(eV)DopingMoment(B)TC (K)ReferenceGaN3.5Mn 9%Cr0.9-940 400S.Sonoda et al(2002)M.Hashimoto et al(2002)AlN4.3Cr 7%1.2600Wu et al(2003)TiO23.2V 5%Co 1-2%Co 7%Fe 2%4.20.31.42.4400300650-700 300Hong et(2004)Matsumoto et

27、al(2001)Shinde et al(2003)Wang et al(2003)SnO23.5Fe 5%Co 5%1.87.5610650Coey et al(2004)Ogale et al(2003)ZnO3.3V 15%Mn 2.2%Fe5%,Cu1%Co 10%Ni 0.9%0.50.160.752.00.06350 300550280-300300Saeki et al(2001)P.Sharma et al(2003)Han et al(2002)Ueda et al(2001)Radovanovic et al(2003)Cu2O2.0C5%,Al0.5%0.2 300Kal

28、e et al(2003)Calculated Curie temperatures of semiconductors with 5 at%MnC(diamond)SiGaNGaAsInAsZnOZnTe0 200 400 T(K)MagneticsemiconductorsDietl et al Science 287 1019(2000)l llsdsemiconductors2002000semimetals50500s-bandmetals30300d-bandmetals5.00.930Spindiffusionlengths(nm)自旋扩散长度自旋扩散长度lsd00C半导体自旋电

29、子器件半导体自旋电子器件全半导体隧道结Ga1-xMnxAs(x=3.3%)Ga1-xMnxAs(x=4.0%)AlAs50nm50nm3nm低温8K测量TMR70(铁磁半导体电极)PRL87(2001)026602磁隧道三极管 (隧道热电子注入)Ic集电极电流CoFe 300Al2O3 50CoFe 25GaAs 30Ta 50IrMn 50科学进步提出需求五、五、MRAM研究进展研究进展4硅片硅片上上MTJ检测结构示意图检测结构示意图Piece 0#13#for VSM measurement.Piece A#E#for TMR measurement.For AFM measurement

30、.4-inch waferAs-grownMRAM原型器件研制的原型器件研制的进展进展SiSiO2Ta(5)NiFe(40)IrMn(10)CoFe(4)Al(1)-oxideCoFe(4)NiFe(20)Ta(5)Structure of MTJ Sampleunitunit：nmnmVSM 测量结果测量结果1818171819171818TMR(%)1615151617151616RA(k m2)2525 m2 磁性隧道结的结电阻和磁性隧道结的结电阻和TMR值值4硅片M(a.u.)2x2磁隧道结矩阵性能磁隧道结矩阵性能列-行电阻TMR1-122.2137%1-221.5138%2-121.

31、338%2-221.2238%磁隧道结 15x30m2VSM测量磁滞回线测量磁滞回线室温最近的最近的MTJ性能性能IOP/CASCo60Fe20B20/Al2O3/Co60Fe20B20(新)TMR=58.5%Junction size:4x8mMask&structureSi/SiO2 subRu 5nmNi78Fe22 10nmCo60Fe20B20 4nmCo60Fe20B20 4nmRu 0.7nmCo75Fe25 3nmIr20Mn80 12nmNi78Fe22 10nmRu 5nmCu 5nmRu 5nm0.485 0.490 0.491 0.480 0.480 0.4890.47

32、4 0.472 0.471 0.450 0.500 0.481 0.485 0.479 0.483 0.483 0.372 0.431 0.436 0.434 0.446 0.473 0.469 0.475 0.475 0.481 0.443 0.402 0.433 0.439 0.433 0.423 0.414 0.420 0.422 0.415 0.421 0.434 0.434 0.437 0.5500.5500.454 0.464 0.474 0.481 0.498 0.478 0.461 0.461 0.462 0.467 0.464 0.467 0.467 0.469 0.467

33、0.482 0.486 0.487 0.486 0.484 0.491 0.483 0.445 0.448 0.437 0.443 0.446 0.445 0.442 0.441 0.448 0.447 0.440 0.436 0.438 0.437 0.445 0.442 0.437 0.435 0.436 0.438 0.437 0.439 0.435 0.436 0.431 0.441 0.439 0.442 0.441 0.438 0.436 0.431 0.436 0.4380.4350.426 0.439 0.438 0.437 0.428 0.451 0.426 0.435 0.

34、438 0.431 0.428 0.429 0.428 0.478 0.474 0.476 0.488 0.471 0.481 0.473 0.476 0.472 0.400 0.482 0.456 0.460 0.473 0.472 0.472 0.462 0.461 0.463 0.468 0.4620.468 0.459 0.453 0.461 0.468 0.467 0.458 0.452 0.467 0.467 0.468 0.430 0.436 0.435 0.438 0.429 0.437 0.432 0.436 0.438 0.438 0.461 0.439 0.426 0.4

35、38 0.429 0.437 0.454 0.452 0.461 0.455 0.458 0.457 0.451 0.458 0.456 0.449 0.448 0.451 0.458 0.461 0.449 0.452 0.472 0.473 0.475 0.477 0.469 0.468 0.445 0.481 0.476 0.472 0.482 0.473 0.474 0.475 0.467 0.465 0.468 0.467 0.461 0.462 0.459 0.456 0.465 0.462 0.467 0.471 0.474 0.459 0.472 0.477 0.468 0.4

36、66 0.439 0.438 0.437 0.426 0.451 0.436 0.438 0.447 0.429 0.435 0.426 0.446 0.428 0.436 0.451 0.434 MR distributionDestroyed by line break画图处理数据需要人为加上的,实际电阻很小，短路R distributionMR distributionHc(Oe)Hc distributionVgs栅电压；Ids源漏电流；Vds源漏电压 每一个单元6x7mm2，含有2个16x16阵列；8个4x4阵列；1x4阵列等CMOS研制性能研制性能-300-200-10001002003006.06.26.46.66.87.07.27.47.67.8H(Oe)R(K)S=200 x200nm2TMR=26.3%RA=2502纳米尺寸的磁隧道结