基于MgO 磁性隧道結的五種隧穿磁電阻線性傳感單元性能比較*

韓秀峰 張雨 豐家峰 陳川 鄧輝 黃輝 郭經紅 梁云 司文榮 江安烽 魏紅祥

1) (中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家研究中心,北京 100190)

2) (國網智能電網研究院有限公司,北京 102209)

3) (國網上海市電力公司,上海 200437)

磁性隧道結經過結構優化和性能提升已成功應用于磁存儲、磁傳感、磁邏輯等多種自旋電子學器件中.磁傳感是利用磁性隧道結的自由層和釘扎層之間特殊的磁結構來實現隧穿磁電阻(TMR)隨外加磁場變化而呈現的線性輸出.迄今為止,人們基于MgO 磁性隧道結已經研發出五種TMR 線性傳感單元,分別是人工間接雙交換耦合型、磁場偏置型、面內/面外垂直型、超順磁型的TMR 線性傳感單元.本文梳理了這五種TMR線性傳感單元并對它們的磁傳感性能進行了系統比較,為人們探索和發現磁敏傳感器的相關應用提供了幫助.

1 引言

自從1975 年自旋極化的隧穿磁電阻(tunneling magnetoresistance,TMR)效應發現以來,磁性隧道結(magnetic tunnel junction,MTJ)的自旋輸運研究逐步深入[1-8].首先是1995 年在非晶AlOx勢壘的MTJ 中首次發現了室溫TMR 效應[2,3],隨后AlOx勢壘的MTJ 制備技術被越來越多的課題組掌握,并且室溫TMR 比值也越做越高[9,10].與此同時,理論預測了單晶勢壘的MTJ 中有更大的TMR 比值.如Oleinik 等[11]根據第一性原理計算方法研究了Co(111)/α-Al2O3(0001)/Co 三明治型MTJ 的輸運性質,緊接著Butler 等[5]以及Mathon和Umersky[6]在單晶Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)的MTJ 中預言了超過1000%的TMR 比值.由此可知,相比于非晶AlOx勢壘,單晶勢壘的MTJ 具有更高的室溫TMR 比值[7,8].由此,MTJ 的自旋輸運研究進入到單晶MgO 為勢壘的快車道,在理論預言7 年后,日本課題組就在高溫退火后的CoFeB/MgO/CoFeB 這種贗自旋閥型MTJ 中獲得了室溫超過600%(1100%@5 K)的TMR 比值[12].隨后,具有高TMR 的單晶MgO 勢壘的MTJ 被更多的實驗室做出來[13].緊接著,在高TMR 的MTJ 材料體系中有更多類型的單晶勢壘材料(如AB2O4型尖晶石氧化物MgAl2O4等)被預言[14]并且被證實.

在利用磁控濺射制備技術制備出的CoFeB/MgO/CoFeB 類型的MTJ 中[7,12,13],CoFeB在制備態是非晶的,經過高溫退火后在CoFeB/MgO界面處形成晶化的CoFe/MgO[15],從而大幅度提高這類MTJ 的TMR 比值[12].另外,在CoFeB/MgO/CoFeB 的MTJ 中鐵磁性金屬電極CoFeB 隨著厚度的降低能夠從面內各向異性轉變到垂直各向異性[16];在完全垂直的CoFeB/MgO/CoFeB MTJ中可以獲得超過120%的室溫TMR 比值[17].因此,如果能夠制備出CoFeB(面內各向異性)/MgO/CoFeB(垂直各向異性)類型的MTJ,則可以實現TMR 線性輸出的磁傳感功能[18].在單個MgO MTJ中,除了上述獲得磁傳感的方法外,還可以利用均具有面內各項異性的鐵磁性電極和MgO 勢壘組成的MTJ,經過二次退火等工藝技術[19,20]或利用鐵磁性金屬電極的形狀各向異性[21]后,實現TMR線性輸出的磁傳感功能[19-22].

MTJ 作為自旋電子學的一個重要研究方向,在磁傳感方面有著巨大的應用潛能[18-22](我國智能傳感器市場分析報告預計2022 年磁傳感器的全球商業市場達到25 億美元[23]).截至目前,磁敏傳感器已廣泛應用于包括工業、生物醫學、地球物理、航空航天和汽車等多個領域.鑒于磁敏傳感器的廣泛應用以及MTJ 線性磁傳感的重要性[24],本文主要針對五種基于單一MgO MTJ 結構的TMR 線性傳感單元的性能進行了系統比較,并且探討了TMR 線性傳感單元的設計優化方向.與文獻[24]中的結果相比,本文專注于五種基于MgO MTJ的TMR 線性傳感單元的性能參數比對以及它們各自在應用時的可能表現.可以發現,TMR 線性傳感單元在應用時需要考慮到它的綜合性能參數;另外,盡管每種類型的TMR 線性傳感單元的性能指標有差異,但不同TMR 線性傳感單元可適用于不同類型的TMR 磁敏傳感器,從而滿足TMR 磁敏傳感器多樣性的應用需求.

2 構成TMR 線性傳感單元的MTJ結構

截至目前,人們研發出的以MgO MTJ 結構為基礎的TMR 線性傳感單元主要有五種,分別是超順磁型、面外垂直型、面內垂直型、人工間接雙交換耦合型和磁場偏置型的TMR 線性傳感單元,如圖1 和表1 所示.這五種TMR 線性傳感單元的探測層在面內磁場的作用下可輸出線性磁傳感信號.下面在介紹這幾種TMR 線性傳感單元的同時根據TMR 磁敏傳感器的主要性能參數(TMR 比值、靈敏度、線性磁場范圍、噪聲指數、非線性度等)來對它們的性能進行比較.

表1 基于單一 MgO MTJ 的五種TMR 線性傳感單元的性能參數Table 1.Performance parameters of five TMR linear sensing units based on a single MTJ.

圖1 基于單一MTJ 結構的五種TMR 線性傳感單元的示意圖,其中反鐵磁性層、鐵磁性金屬層(超順磁性層)、勢壘層是構成MTJ 結構的主要材料層,(d) 圖中的彈簧結構代表的是人工交換耦合結構的交換相互作用強度,它決定了人工間接雙交換耦合型的TMR 線性傳感單元的諸多性能參數Fig.1.Sketch of five TMR linear sensing units based on a single MTJ,the antiferromagnetic layer,ferromagnetic metal layer (superparamagnetic layer) and barrier layer are the main layers of an MTJ structure.The spring structure in Fig.(d) represents the exchange interaction strength of the synthetic exchange-coupling structure,which determines many performance parameters of the synthetic indirect-double-exchange-coupling TMR linear sensing unit.

第一種超順磁型TMR 線性傳感單元,主要結構如圖1(a)所示,以超順磁性材料作為雙勢壘MTJ(反鐵磁性層1/鐵磁性金屬層1/勢壘層1/超順磁性層/勢壘層2/鐵磁性金屬層2/反鐵磁性層2)的自由層.該自由層的磁矩隨著外加磁場而改變,是TMR 線性傳感單元的探測層[25].在這類超順磁型的TMR 線性傳感單元中,在改變自由層厚度的情況下,可以實現TMR 比值、靈敏度、線性磁場范圍、噪聲指數等性能參數的大范圍調控.因此,隨著自由層厚度的改變,該類型的TMR 線性傳感單元不僅可以獲得高靈敏度和窄線性磁場范圍的結果,也可以得到低靈敏度和寬線性磁場范圍的結果.

第二種面外垂直型TMR 線性傳感單元,主要結構如圖1(b)所示,以具有面內和垂直各向異性的鐵磁性電極構成的MTJ (垂直各向異性鐵磁性電極/勢壘層/面內各向異性鐵磁性電極)為基礎的TMR 線性磁傳感結構[18,22],其中垂直各向異性鐵磁性電極作為線性傳感單元的探測層.垂直各向異性的鐵磁性電極能夠在一定厚度范圍內保持其垂直各向異性.因此,該類型的TMR 線性傳感單元的性能參數隨著垂直各向異性鐵磁性電極厚度的改變可實現性能參數大范圍的調控.不過,由于探測層自身的垂直各向異性,該類型的TMR 線性傳感單元的最小線性磁場范圍依然很大.

第三種面內垂直型TMR 線性傳感單元,主要結構如圖1(c)所示,以利用二次退火工藝技術實現兩個面內各向異性鐵磁性電極的磁矩相互垂直的MTJ (反鐵磁性層/鐵磁性金屬層1/勢壘層/鐵磁性金屬層2)作為TMR 線性傳感單元[21],其中鐵磁性金屬層2 作為TMR 線性傳感單元的探測層.該類型的TMR 線性傳感單元利用探測層的軛形(Yoke shape)形狀及其尺寸變化來改變探測層的形狀各向異性大小,從而達到調控該類型TMR線性傳感單元的靈敏度、線性磁場范圍、噪聲指數等性能參數的目的.

第四種人工間接雙交換耦合型TMR 線性傳感單元,主要結構如圖1(d)所示,以人工間接雙釘扎磁性耦合結構構成的MTJ(反鐵磁性層1/非磁性金屬層1/鐵磁性金屬層1/勢壘層2/鐵磁性金屬層2/非磁性金屬層2/反鐵磁性層2)作為TMR線性傳感單元[19,20,26],其中鐵磁性金屬層2 作為TMR 線性傳感單元的探測層.圖1(d)中的Ru(t1)和Ru(t2)代表的是人工間接雙交換耦合磁性結構中的非磁性金屬層Ru,其厚度分別是t1和t2.該類型的TMR 磁敏傳感器單元在經過兩次退火工藝技術后兩個面內各向異性的鐵磁性電極(鐵磁性金屬層1 和2)的磁矩形成相互垂直的磁結構.該類型的TMR 線性傳感單元的性能參數也是可以調控的,主要通過改變非磁性金屬層的厚度來實現.

第五種磁場偏置型TMR 線性傳感單元,主要結構可以是上述第一到第四種TMR 線性傳感單元的任意一種[26],也可以是正常的MgO MTJ[27],如圖1(e)所示.該類型的TMR 線性傳感單元的實現條件是在垂直于探測層易軸方向人為地施加一個偏置場(HB),并且可以通過改變HB的大小來實現其性能參數的調控.除了人為施加HB的方法外,也可以利用永磁材料來提供一個HB[28].相比于永磁材料,人為施加的HB更具有優勢,可以大幅度調控傳感器的性能參數.另外,磁場偏置型的TMR線性傳感單元可以有效降低探測層的磁滯現象[26],這在TMR 線性傳感單元設計、優化中尤為重要.

3 五種TMR 線性傳感單元的性能比較

這五種TMR 線性傳感單元在磁傳感性能上各有優缺點,如表1 所列.除磁場偏置型外,表1列出的其余四種TMR 線性傳感單元的性能參數是經過優化后的結果.這五種TMR 線性傳感單元的TMR 比值都很高,除了面外垂直型,其余四種TMR 線性傳感單元的TMR 比值均超過100%.高的TMR 比值是信噪比的基礎.而對于靈敏度而言,超順磁型、面內垂直型、人工間接雙交換耦合型、磁場偏置型的TMR 線性傳感單元的最高靈敏度都比較大,遠遠大于面外垂直型的0.02%/Oe.由于靈敏度和線性磁場范圍是一對矛盾體,因此,雖然面外垂直型的TMR 線性傳感單元的靈敏度低,但是其線性磁場范圍很大,可達到600 Oe,比其他四種類型的TMR 線性傳感單元的線性磁場范圍大幾倍;同時在面外垂直型的傳感器單元中非線性度也比較小(≤1%).

下面討論一下這幾種TMR 線性傳感單元的噪聲指數.如表1 所列,這五種TMR 線性傳感單元的噪聲指數都不低,10 Hz 的時候均在nT 量級以上.在不使用磁通聚集器[29]的情況下,這幾乎是單一MTJ 作為TMR 線性傳感單元所能達到的噪聲指數的最好水平(～10 nT@1 Hz).需要說明一下,超順磁型TMR 線性傳感單元的噪聲指數比較高,達到了90 nT@10 Hz,這主要是因為較薄的鐵磁性金屬材料CoFeB 的磁噪聲增加的緣故.另外,表1 給出了兩種人工間接雙交換耦合型的TMR線性傳感單元,從中可以發現通過優化探測層實現了噪聲指數的大幅度降低.CoFeSiB(30 nm)/Ru/CoFeB[26]作為探測層的噪聲指數只有CoFeB(3 nm)/Ru/IrMn[19]作為探測層的噪聲指數的1/20,同時靈敏度提升了約50%,盡管線性磁場范圍縮小了1/2 左右.由此也可以得出一個結論,以單一的MTJ 結構為基礎的TMR 線性傳感單元的優化有著很長的路可走.

從應用的角度來說,對于需要滿足寬線性磁場范圍(幾百Oe)同時靈敏度不高的應用場景,建議采用面外垂直型的TMR 線性傳感單元;如果需要滿足高磁場靈敏度和相對寬線性磁場范圍(上百Oe),則建議使用磁場偏置型的TMR 線性傳感單元;如果需要滿足高磁場靈敏度(約4%/Oe)和低噪聲指數(約10 nT@1 Hz),則建議使用人工間接雙交換耦合型和面內垂直型的TMR 線性傳感單元;如果需要非線性度小(約1%),則建議以面外垂直型或者人工間接雙交換耦合型的TMR 線性傳感單元為主.因此,需要根據實際應用場景來選擇不同類型的TMR 線性傳感單元.據了解,人工間接雙交換耦合型和面內/面外垂直型等類型的TMR 線性傳感單元的磁敏傳感器均到達了產品應用階段,這充分說明TMR 磁敏傳感器存在著多樣化的應用需求.

4 TMR 線性傳感單元的設計、優化方向建議

從材料結構的角度來說,構成TMR 磁敏傳感器的基本單元就是TMR 線性傳感單元.因此,TMR 線性傳感單元的性能在一定程度上決定了TMR 磁敏傳感器的性能,尤其是TMR 線性傳感單元在進行了串并聯和橋式結構設計集成之后.由此可見,只有選擇好的MTJ 材料結構,才有可能獲得高質量的TMR 線性傳感單元;同時,只有選擇綜合性能良好的TMR 線性傳感單元,才有可能設計優化出高性能的TMR 磁敏傳感器.

圖2 給出了MTJ 材料結構,TMR 線性傳感單元和TMR 磁敏傳感器的各項性能參數關系圖.從圖2 可以知道,MTJ 材料結構僅關注TMR 比值和噪聲指數,而TMR 線性傳感單元和TMR 磁敏傳感器還關注更多的性能參數.另外,根據圖2,可以了解TMR 線性傳感單元和TMR 磁敏傳感器設計、優化的方向.例如,針對TMR 磁敏傳感器的性能設計、優化,人們會想辦法來提升TMR線性傳感單元的TMR 比值、靈敏度、線性磁場范圍、噪聲指數、非線性度等多項性能參數.

圖2 MTJ 材料結構,TMR 線性傳感單元和TMR 磁敏傳感器的性能參數關系圖Fig.2.Performance parameter diagram of an MTJ,a TMR linear sensing unit,and a TMR magnetoresistive sensor.

TMR 比值是MTJ 的基本性能參數.如引言部分所述,非晶AlOx勢壘的MTJ 的TMR 比值比單晶MgO 為勢壘的MTJ 低很多,在選擇勢壘材料時會優先選擇單晶MgO 為勢壘的MTJ 作為TMR 線性傳感單元.另外,在為TMR 線性傳感單元選擇鐵磁性金屬電極時,不是自旋極化率越高的鐵磁性金屬電極就越適合,而是需要滿足矯頑力小、飽和磁化強度低的鐵磁性金屬材料.通常情況下,會在單一鐵磁性金屬材料的基礎上組成復合磁性多層膜結構[25]作為TMR 線性傳感單元的探測層.

在TMR 線性傳感單元中,靈敏度、線性磁場范圍是一對矛盾體,有沒有破解的方法可循呢? 有,更多的是在探測層的磁性結構上進行優化.如在表1 中,針對人工雙交換耦合型的TMR 線性傳感單元,這里仔細比較一下CoFeB(1 nm)/Ru(0.2 nm/CoFeSiB(30 nm)[26]和CoFeB(2 nm)/ Ru(0.3 nm)/IrMn(6 nm)[19]作為探測層的性能參數.在TMR相近的情況下,文獻[26]中的TMR 線性傳感單元的靈敏度、線性磁場范圍分別是3.9%/Oe,～28 Oe;而文獻[19]中的結果分別是2.6%/Oe,～60 Oe.很顯然,軟磁性材料作為探測層能夠大幅提升靈敏度,雖然這也是犧牲了一定的線性磁場范圍為代價.因此,文獻[26]中的TMR 線性傳感單元不僅靈敏度得到提升,而且噪聲指數也得到大幅抑制,從而導致以軟磁性材料作為探測層的人工間接雙交換耦合型的TMR 線性傳感單元幾乎完勝.眾所周知,噪聲指數在實際的應用場景中是越低越好,然而受限于TMR 線性傳感單元的背景噪聲,并不是每一種TMR 線性傳感單元都擁有較低的噪聲指數.

一般情況下,人們對TMR 線性傳感單元的非線性度討論得較少,只有針對TMR 磁敏傳感器的應用時,才會給出非線性度的結果.這主要是因為鐵磁性金屬材料本身的磁滯效應導致任何的TMR磁敏傳感器均無法完全克服非線性度.而且,非線性度是隨著磁場變化的[18],這更增加了非線性度的優化難度.因此,針對不同類型的TMR 線性傳感單元及磁敏傳感器,非線性度的優化是一個長期的過程.另外,由于TMR 磁敏傳感器的應用場景對其性能的嚴格要求,溫度穩定性是其中一個很重要的參數(圖2).盡管溫度在實際的應用場景中,更多時候是作為環境變量存在的.在考慮溫度穩定性的情況下,人們會發現當作為探測層的鐵磁性金屬材料較薄時,如表1 中的超順磁型TMR 線性傳感單元,由于其溫度穩定性差,是不利于在TMR磁敏傳感器中應用的.

綜合而言,TMR 線性傳感器無論從自身性能還是從應用角度,都需要考慮TMR 線性傳感單元在經過橋式設計集成之后的綜合性能,單一的TMR 線性傳感單元的性能指標只能作為初始的參考.盡管如此,我們通過對表1 中五種TMR 線性傳感單元的性能比對，不難發現哪些類型的TMR線性傳感單元更有應用價值.對于有應用價值的TMR線性傳感單元,需要結合TMR 磁敏傳感器的應用場景去全力優化其綜合性能 (除上述已討論的諸多性能外,還包括圖2 所示的抗強磁干擾、空間抗輻射、環境減振等),這樣更有利于TMR磁敏傳感器的實際應用.

5 結論

本文回顧了基于單一MgO MTJ 材料結構的五種(超順磁型、面外垂直型、面內垂直型、人工間接雙交換耦合型、磁場偏置型)TMR 線性傳感單元,并比較了這五種TMR 線性傳感單元的性能,同時討論了這五種TMR 線性傳感單元在應用時的可能表現.發現TMR 線性傳感單元的性能設計優化主要是以MTJ 材料結構的綜合性能為基礎,并根據TMR 線性傳感器的應用場景需要來設計優化的.這完全不同于MTJ 材料結構本身的設計優化,如引言部分所述,它是以TMR 比值、噪聲指數等為優化依據的.