1、巨磁电阻和自旋电子学巨磁电阻和自旋电子学詹文山中国科学院物理研究所 磁学国家 重点实验室 2007.12.2007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖克鲁伯格克鲁伯格1939年5月18日出生。从1959年到1963年，克鲁伯格在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理，1962年获得中级文凭，1969年在德国达姆施塔特技术大学获得博士学位。1988年，他在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；1992年被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在继续工作。他1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(Fert、Parkin共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖
2、；2007年获沃尔夫基金奖物理奖(与Fert共同获得)。Albert Fert-费尔费尔1938年3月7日出。1962年在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年从巴黎第十一大学获物理学博士学位，前在该校任物理学教授。他从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1988年，他发现巨磁电阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰出贡献。1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管,1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。一、序言一、序
3、言二、巨磁电阻二、巨磁电阻GMR三、隧道磁电阻三、隧道磁电阻TMR五五、物理所、物理所MRAMMRAM研究进展研究进展四、硬盘存储器四、硬盘存储器-垂直磁存储技术垂直磁存储技术自旋自旋一、序言一、序言电子电荷自旋191.60210 10exc291.16530 10/sMxWb m在半导体材料中有电子和空穴两种载流子极化电子有自旋向上和向下的两种载流子电子M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。室温下室温下自旋扩散长度自旋扩散长
4、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-轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。A.电子的输运性质电子的输运性质自旋极化电子的特性自旋极化电子的特性l lsdB.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NNPNN实验结果：材料 Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16 自旋极化度()33 45 44 48 51
5、49N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。在费密面自旋向上和向下的电子数。3d4sP=45%P=100%自旋极化电子的特性自旋极化电子的特性铁磁体铁磁体磁磁化化方方向向典型的两种效应：典型的两种效应：巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR非磁金属Cu-GMR绝缘体Al2O3-TMR量子隧道效应示意图铁磁体铁磁体中间层绝缘层势垒Rp=平行耦合时的电阻平行耦合时的电阻Rap=反平行耦合时的电阻反平行耦合时的电阻 1986 在在Fe/Cr/Fe纳米磁性多层膜发现纳米磁性多层膜发现反铁磁层间耦合效应反铁磁层间耦合效应二、二、巨磁电阻巨磁电阻GMR是自旋电子学产生的基石是自旋电子学产生的基石1986年
6、 P.Grnberg Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合反铁磁耦合Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeFeFeCrCr 1nm1nm反铁磁耦合与振荡效应的实验证明FeFeFeFeCrCr彼得格林贝格尔饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系铁磁耦合铁磁耦合反铁磁耦合反铁磁耦合19881988年年 Baibich,A.Fert等 发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应 金属多层膜的巨磁电阻反铁磁耦合(H=0)Phys.Rev.Lett.61(1988)2472Fe/CrCo/Cu阿尔贝费尔A.FertG.Binasch,P.Grn
7、berg,et al.,PRB 39(1989)4828.(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304R/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1990年Parkin et al 多层膜的交换耦合振荡效应交换耦合振荡效应和巨磁电阻效应巨磁电阻效应1020304051015Cr thickness()Saturation Field(kOe)饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系磁控溅射法(Co/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RPRPRPRPRAPRAP
8、RAPRAP二流体模型自旋电子极化方向平行磁化强度方向-平均自由程长自旋电子极化方向反平行磁化强度方向-平均自由程短巨磁电阻 GMRCuCo%APPPRRMRRGMR自旋阀自旋阀SV1990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/20Ag-400-300-200-10001002003004000246 MR(%)H(Oe)Co/Cu/Co/FeMnMR=7%反铁磁层反铁磁层钉扎
9、铁磁层自由铁磁层S iFeNi 15 nmFeNi 15 nmCu 2.6 nmFeMn 15 nmAg 2 nm MR=2.2%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-type MRAM(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/in2(100nm65Gbit/in2)2000100硬磁盘读出头的发展硬磁盘读出头的发展TMR磁头磁头-300 Gbit/in2 (2006)CompassingG
10、lobal Position SystemsVehicle DetectionNavigationRotational DisplacementPosition SensingCurrent SensingCommunication Products 通信产品The World of Magnetic Sensors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TMR1975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/N
11、iO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应IEEE Trans.Magn.18(1982)707钉扎铁钉扎铁磁层磁层非磁绝缘层非磁绝缘层可变铁可变铁磁层磁层电流方向电流方向电流方向电流方向自旋极化电流自旋极化电流磁化强度方向磁化强度方向自旋极化度NNPNNN和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。121221PPTMRPP 电阻RP小 电阻RAP大隧道磁电阻 TMR量子隧道效应示意图(Fe/Al2O3/Fe)%APPPRRMRR1995年年 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。Al2O3FeFeAl2O3FeF
12、eJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231-151(1995)403Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化Fe/Al2O3/Fe磁滞回线(一一)氧化铝为绝缘层的磁隧道电阻氧化铝为绝缘层的磁隧道电阻自由复合自由复合铁磁层铁磁层绝缘层绝缘层反铁磁层反铁磁层钉扎铁磁层钉扎铁磁层隧道结典型示例隧道结典型示例(二二)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
13、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(100)MgO 3.9MLFe(100)MgO 2MLFe 5MLFe(100)MgO 5MLAu2001.1实验结果2001.9 A.Fert小组用氧化镁做绝缘层，在30K得到TMR60CoFeB/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=3600C(2h，H=8kOe)採用磁控濺射技术制备MTJ(1mx1m)MgO用射频rf濺射制备CoF
14、eB/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=440m220062006年年1212月日本日立月日本日立公司和东北大学发表公司和东北大学发表：TMR472TMR472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WWLRWLGNDBLMTJCMOS磁性隧道结的应用磁性隧道结的应用-MRAMMotorola MTJ MRA
15、M structureMRAM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256 GB256 GB180 MB/cm2256 GB速度150 MHz150 MHz913 MHz500 MHz单元尺寸25 F2/bit2 F2/bit 2 F2/bit联接时间10 ns10 ns1.1 ns2 ns写入时间 10 ns10 s 10 ns擦除时间1 ns10 s 10 ns保持时间2.4 s10 years 无穷无穷循环使用次数无穷105无穷无穷工作电压(V)0.5-0.6 V 5 V 0.6-0.5 V 1 V开关电压0.
16、2 V5 V 50 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；密度高功耗小；寿命长；密度高可能取代闪存Flash和硬盘四、四、硬盘存储器硬盘存储器
17、-垂直磁存储技术垂直磁存储技术磁头磁头磁盘磁盘(表面的多层磁存储材料薄膜也表面的多层磁存储材料薄膜也称为磁媒称为磁媒)基片基片(铝质或钢化玻璃铝质或钢化玻璃)硬盘存储器成机硬盘存储器成机(驱动器驱动器)IBM RAMAC 19552 kbits/in250 x24”dia disksMicrodrive 20041 x 1”dia diskSize:430.5cm8 Gbyte5 Mbyte Seagate 2004108 Gbits/in23 x 3.5”disks目前目前总量总量:750 Gbyte密度密度:150 Gbit/in2 400 Gbyte磁盘片发展过程磁盘片发展过程硬盘磁记录
18、发展历史薄膜磁头磁电阻磁头巨磁电阻磁头磁记录介质的超顺磁效应磁记录介质的超顺磁效应100Gb面密度 Mbit/in21GbDeskstar 7K1000 *1000/750 GB SATA *最大磁录密度为每平方英寸148GB *最大磁碟数据传输速率为1,070Mb/s *平均寻道时间（包括指令执行时间）为8.7毫秒 *转速7200RPM，平均延迟时间为4.17毫秒 *高26.1毫米（最大）*重700g（最大）*5/4 磁碟，10/8 录写磁头 SATA *300 G/1 ms震动（非作业避震）*9.0（5磁碟）/8.1（4磁碟）瓦特省电空闲 SATA *一般空闲声量：2.9贝尔 *作业温度：
19、摄氏5至60度 Deskstar 7K1000 SATA版本将于版本将于2007年第一季度上市，有年第一季度上市，有750GB和和1TB两种容量。两种容量。1TB容量硬盘的建议零售价为容量硬盘的建议零售价为399美元。美元。日立环球存储科技（Hitachi GST）公司 硬磁盘硬磁盘硬磁盘可能的竞争对手硬磁盘可能的竞争对手(垂直磁记录垂直磁记录)闪存 FlashFlashMRAM读写速度机械运动连续磁介质连续磁介质非连续磁介质非连续磁介质图形磁介质热辅助垂直记录氧化物存储相变存储高存储密度高存储密度读写速度快读写速度快无运动部件无运动部件完全是微电子工艺完全是微电子工艺闪存闪存 Flash价格
20、偏高价格偏高读写循环次数少读写循环次数少寿命？寿命？浮动栅用量子点或纳米颗粒氧化物存储技术氧化物存储技术有可能成为信息存储器件的新原理有可能成为信息存储器件的新原理SrTiO3La0.67Ca0.33MnO3RI I100nmAB2030405060468101214161820-2.50.02.5 Fig.3&Y.W.Xie et al.Resistance(k)Pulse NumberVoltage(V)处处理理电电脉脉冲冲电电阻阻变变化化“1”“0”+-大电流处理大电流处理小电流测量小电流测量 首先通入大电首先通入大电流处理样品，然流处理样品，然后撤掉处理电流，后撤掉处理电流，通入小电流
21、沿不通入小电流沿不同方向测量电阻。同方向测量电阻。发现和处理电流发现和处理电流同向时电阻较小，同向时电阻较小，反之电阻大的多。反之电阻大的多。类似类似p-n结的整流结的整流行为。表明行为。表明电致电致各向异性电阻效各向异性电阻效应。应。相变存储技术相变存储技术Tx：晶化温度晶化温度Tm：熔点熔点Tg：玻璃化温度玻璃化温度相变材料的特性：相变材料的特性：从熔点冷却到室温形成非晶态；从室温升到晶化温度以上，低于熔点，冷却下来为晶态。晶态电阻小晶态电阻小(读为读为“0”)，非晶态电阻大，非晶态电阻大(读为读为“1”)。电极电极相变材料相变材料绝热层绝热层绝热层绝热层电极电极大电流擦除；中电流写入；小
22、电流读出大电流擦除；中电流写入；小电流读出TgTmTx写入写入读出读出擦除擦除GeSbTe五、物理所五、物理所MRAM研究进展研究进展IOP/CASMTJ研究进展Head and MRAM 对性能的要求对性能的要求室温物理所IOP/CAS磁性隧道结研究进展磁性隧道结研究进展4x4 MRAM DEMO16x16(6)制备磁隧道结，完成制备磁隧道结，完成 MRAM的封装的封装Integrated 16x16 MRAM DEMOTa 5Ru 10Ta 5Co40Fe40B20 3Al 1.3-OxideCo40Fe40B20 1Co75Fe25 2Ru 0.8Co75Fe25 4Ir22Mn78 1
23、0Ta 20完成完成三十批次共三十批次共33片片磁性隧道结磁性隧道结阵列的制备阵列的制备 封装出封装出150余个余个4 4 MRAM演示演示芯片和芯片和150 余个余个16 16 MRAM演演示芯片示芯片 新型环形隧道结新型环形隧道结为减小驱动电流，包覆软磁层聚束磁场为减小驱动电流，包覆软磁层聚束磁场。MM 2、漏磁大，单元间磁干扰增加，、漏磁大，单元间磁干扰增加，存存 储密度减小储密度减小3、尺寸减小，矫顽力增大，增加、尺寸减小，矫顽力增大，增加 反转的驱动电流反转的驱动电流2、磁路闭合，漏磁小、磁路闭合，漏磁小3、矫顽力小，随尺寸减小，矫顽力、矫顽力小，随尺寸减小，矫顽力 变化不大，驱动电
24、流小变化不大，驱动电流小传统磁隧道结传统磁隧道结环形磁隧道结环形磁隧道结1、电流驱动写入、电流驱动写入1、磁场驱动写入、磁场驱动写入+-To draw comparisons between two prototype MRAMs(I)(II)环形磁隧道结环形磁隧道结传统磁隧道结传统磁隧道结WWLRWLGNDBLMTJ123SiRWLGNDBLMTJSi21输出线输出线输入线A输入线B输入线C正向磁化反向磁化非磁性隔离层上层下层磁逻辑门的工作原理上层和下层平行为“1”上层和下层反平行为“0”输入线A,B同时加电流可改变上层磁化强度方向，即读“0”或“1”磁双极自旋晶体管自旋阀（MTJ)型晶体管自旋晶体管自旋晶体管半导体自旋电子半导体自旋电子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例一半导体自旋电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)PRL 87(2001)026602磁隧道三极管 (隧道热电子注入),%c Pc APc APIIMCIIc 集电极电流CoFe 300Al2O3 50CoFe 25GaAs 30Ta 50IrMn 50科学进步提出需求谢谢 谢谢
