上世紀(jì)80年代末菊值，隨著磁性多層膜中巨磁電阻(GMR)的發(fā)現(xiàn)，以及對(duì)其巨大應(yīng)用潛力的認(rèn)識(shí)育灸，對(duì)該效應(yīng)的系統(tǒng)研究開(kāi)始了腻窒。他們還對(duì)多層結(jié)構(gòu)的磁性進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，如果想為基于巨磁阻的設(shè)備提供合適的操作條件磅崭，這一點(diǎn)非常重要儿子。從發(fā)現(xiàn)到商業(yè)化利用，用了不到10年的時(shí)間砸喻。1997年底柔逼，第1批配備新技術(shù)讀頭的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器被賣(mài)給了客戶(hù)。如今割岛，基本上整個(gè)硬盤(pán)磁頭生產(chǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向多層磁阻器件愉适。
磁阻設(shè)備
圖1.1概述了這種磁讀頭傳感器的原理，以及隨后的一些發(fā)展和設(shè)想蜂桶。圖(a)給出了面內(nèi)電流GMR傳感器的原理圖儡毕，因?yàn)樗谟脖P(pán)讀磁頭中使用過(guò)一段時(shí)間。由非磁性但導(dǎo)電的間隔層隔開(kāi)的至少兩個(gè)鐵磁層(FM)堆疊的電導(dǎo)率可以在兩個(gè)磁性層的磁化方向彼此更平行或更反平行的情況下發(fā)生顯著變化扑媚。從技術(shù)上講腰湾，其中一層通常被設(shè)計(jì)為硬磁層，它受通常的外部磁場(chǎng)的影響很小疆股，而另一層被稱(chēng)為軟磁層费坊，它很容易對(duì)外加磁場(chǎng)的變化做出反應(yīng)。這種效應(yīng)的巨大尺寸使得我們可以檢測(cè)到硬盤(pán)上的雜散磁場(chǎng)的微小變化旬痹，就像軟磁層的磁排列中的微小偏差一樣附井，這反過(guò)來(lái)又使磁盤(pán)制造商能夠減少檢測(cè)單個(gè)比特信息所需的磁盤(pán)上方雜散場(chǎng)的數(shù)量，并相應(yīng)地減小其尺寸两残。這導(dǎo)致了磁性硬盤(pán)存儲(chǔ)密度的年增長(zhǎng)率的變化永毅，在1997年之前，它以每年60%的速度快速增長(zhǎng)人弓，從那時(shí)起沼死，它以每年驚人的100%的速度加速增長(zhǎng)。
一個(gè)相關(guān)的效應(yīng)崔赌，隧道磁阻(TMR)意蛀，如圖1.1b所示耸别。雖然在GMR效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之前，但在90年代县钥，當(dāng)它被討論在磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面的可能應(yīng)用時(shí)秀姐，它經(jīng)歷了復(fù)興。這種效應(yīng)依賴(lài)于電子在兩個(gè)鐵磁層之間的自旋極化隧穿若贮，穿過(guò)薄的絕緣屏障省有，通常是超薄的氧化物間隔層。如果考慮隧道過(guò)程中的自旋守恒兜看，則在兩個(gè)FM層磁化方向平行的情況下锥咸，隧道效應(yīng)發(fā)生在多數(shù)態(tài)和多數(shù)態(tài)之間，以及少數(shù)態(tài)和少數(shù)態(tài)之間细移。如果它們是反平行的搏予，大多數(shù)電子從一個(gè)調(diào)頻層隧穿到另一層的少數(shù)態(tài)，反之亦然弧轧。一般情況下雪侥，在這兩種情況下，參與態(tài)的密度和隧道概率會(huì)不同精绎，從而導(dǎo)致隧道磁電阻速缨。系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究zui終幫助將室溫下的隧道磁阻比提高到220%。
圖1.1基于薄膜磁性器件的一些現(xiàn)代概念代乃。a巨磁阻:兩個(gè)或更多鐵磁層堆疊中金屬電導(dǎo)率與磁化方向的相對(duì)方向的關(guān)系旬牲。在它被發(fā)現(xiàn)后不久，這一效應(yīng)就被應(yīng)用于設(shè)備搁吓，例如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的讀磁頭原茅。b隧道磁阻:兩個(gè)鐵磁層之間穿過(guò)絕緣阻擋層的隧道電流依賴(lài)于磁層中磁化方向的相對(duì)方向。例如堕仔，這種效應(yīng)目前應(yīng)用于數(shù)字磁記錄的讀磁頭擂橘，并將用于目前正在開(kāi)發(fā)的未來(lái)磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。c自旋轉(zhuǎn)矩傳遞:由兩個(gè)鐵磁層組成的納米結(jié)構(gòu)堆棧中摩骨，由自旋極化電子對(duì)其中一層磁化所施加的轉(zhuǎn)矩引起的鐵磁層磁化的電流感應(yīng)開(kāi)關(guān)通贞。這是一種在磁阻器件中轉(zhuǎn)換磁化強(qiáng)度的方法，目前正在深入研究中恼五。d自旋晶體管:三端器件昌罩，其中發(fā)射極(E)和集電極(C)之間的電流取決于發(fā)射極和基極(B)之間的電流，此外灾馒，還取決于兩個(gè)鐵磁層的相對(duì)方向峡迷。e帶隧道勢(shì)壘的自旋晶體管:像(d)一樣的三端器件，其中發(fā)射極偏置電壓可以用來(lái)調(diào)節(jié)注入集電極的電子的能量。zui后兩個(gè)裝置僅僅代表了所謂的自旋電子學(xué)領(lǐng)域的許多方法中的兩種绘搞，在未來(lái)的設(shè)備中，電荷和電子的自旋都被用于信息處理
與GMR相比傅物，TMR元件具有更高的電阻夯辖，這在某些應(yīng)用中是理想的，但TMR的使用要求電流垂直通過(guò)堆棧董饰。2005年蒿褂，基于tmr的自旋閥由于具有更高的磁阻比而取代了記錄磁頭中的GMR讀取元件，并一直使用至今卒暂。然而啄栓，進(jìn)一步縮小尺寸可能會(huì)在不久的將來(lái)強(qiáng)制使用電流垂直平面GMR傳感器，因?yàn)門(mén)MR元件的高絕對(duì)電阻是縮小此類(lèi)傳感器的關(guān)鍵障礙[56]也祠。與TMR效應(yīng)有關(guān)的另一個(gè)可能的應(yīng)用是磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)(見(jiàn)圖1.2)昙楚。這個(gè)想法是有一個(gè)小的TMR元素陣列，它構(gòu)成了存儲(chǔ)信息的位诈嘿，其中“磁化平行”代表堪旧，例如，“0”奖亚，而“磁化反平行”代表“1”淳梦。工作原理其實(shí)很相似到早期計(jì)算機(jī)時(shí)代的磁芯存儲(chǔ)器。zui顯著的區(qū)別顯然是大小昔字。mram被宣傳為在取代傳統(tǒng)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器芯片時(shí)使計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程過(guò)時(shí)爆袍，因?yàn)樵陔娫搓P(guān)閉后磁性信息仍被保留。第1個(gè)mram原型機(jī)可用于商業(yè)應(yīng)用作郭。
讀取TMR-MRAM中的信息意味著通過(guò)堆棧測(cè)量電阻陨囊。尋址三層堆疊陣列中某個(gè)元件的電阻需要一種集成的方案，即在每個(gè)堆疊下方使用附加二極管交叉字和位線所坯，以便讀取特定元件的隧穿電阻谆扎。“0”和“1”狀態(tài)然后由一些讀出電子設(shè)備來(lái)區(qū)分芹助。技術(shù)上要求更高的是寫(xiě)過(guò)程堂湖。它需要在元件從“0”切換到“1”的地方有一個(gè)非常局部和非常高的磁場(chǎng)，反之亦然状土，這意味著反轉(zhuǎn)軟層的磁化方向无蜂。提出的書(shū)寫(xiě)方案包括書(shū)寫(xiě)字和位線的交叉排列，通過(guò)它可以運(yùn)行相對(duì)高的電流蒙谓。要切換的元件是在電流作用下的兩條線的交叉處斥季，因?yàn)橹挥性谀抢铮瑑蓷l線的奧斯特場(chǎng)加起來(lái)才能達(dá)到并超過(guò)磁開(kāi)關(guān)的臨界場(chǎng)。顯然酣倾，為了實(shí)現(xiàn)高度集成的MRAM器件舵揭，必須滿(mǎn)足元件的開(kāi)關(guān)場(chǎng)分布和避免相鄰元件之間的串?dāng)_的嚴(yán)格要求。為此躁锡，必須使用分析工具來(lái)表征這些元件的開(kāi)關(guān)特性午绳。
在發(fā)現(xiàn)電流對(duì)磁化強(qiáng)度的影響后，提出了另一種寫(xiě)入的可能性映之，即在小元件中改變磁化強(qiáng)度拦焚。如圖1.1c所示，如果高電流垂直穿過(guò)多層堆疊杠输，則電流在穿過(guò)第1層磁層后將部分自旋極化赎败。這種自旋極化電流對(duì)另一層的磁化施加轉(zhuǎn)矩，反之亦然蠢甲。這可以用來(lái)逆轉(zhuǎn)軟層的磁化僵刮，前提是電流密度足夠高。通常需要107-108 A/cm2;這只有在元素的面積足夠小的情況下才能實(shí)現(xiàn)峡钓。
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