自旋電子學研究進展(磁學會議)(編輯修改稿)
2025-02-13 22:20 本頁面
【文章內容簡介】 過4000C,有利于與CMOS配合 MgO:立方晶體 (100)織構； CoFe： .(100)織構； IrMn： .(100)織構 CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結的 TMR Djayaprawira. et (2022) 退火溫度 TA=3600C (2h， H=8kOe) 採用磁控濺射技術制備 MTJ (1?mx1?m) MgO用射頻 rf濺射制備 CoFeB/MgO界面清晰、平滑， MgO有很好的 (001)纖維晶體織構 Ru (7) Ta (10) MgO () Si基片 Ta (10) PtMn (15) Co70Fe30 () Ru () Co60Fe20B20 Co60Fe20B20 實驗結果 室溫 : MR=230％ 20K: MR=294％ RA=420??m2 RA=440??m2 MgO 隧道勢壘的優(yōu)點： 高自旋極化率， TMR值大， 室溫達到 230％ 熱穩(wěn)定性高，可超過 4000C 結電阻較小， RA~300??m2 加快 MRAM進入市場的時間 室溫 Coey Nature Mater 4(2022)9 ● TMR與自旋極化率的關系 (實線是 Julliere模型期待值 ) 磁性隧道結的應用 * 動態(tài)隨機存儲器 MRAM * 硬盤讀出磁頭 * 磁性傳感器 高靈敏磁場傳感器 SQUIDs 2低溫 1fT/Hz1/2；用高溫超導材料，靈敏度約為 30fT/Hz1/2。 MTJ+超導環(huán)： 40pT/Hz1/2( GMR )。理論預言用 TMR靈敏度可達 。 MTJ結的面積 10?m2。 1997年 MIT報道用磁隧道閥做成的磁頭，硬盤的磁存儲密度為 幾十 Gbit/in2。 ( 1fT =1x1015T ) Science 304(2022)1648 Motorola MTJ MRAM structure 寫入 讀出 位線 字線 寫線 寫線 位線 字線 WWL RWL GND BL MTJ CMOS MRAM與現行各存儲器的比較（ F為特征尺寸） 技術 DRAM FLASH SRAM MRAM 容量密度 256 GB 256 GB 180 MB/cm2 256 GB 速度 150 MHz 150 MHz 913 MHz 500 MHz 單元尺寸 25 F2/bit 2 F2/bit 2 F2/bit 聯接時間 10 ns 10 ns ns 2 ns 寫入時間 10 ns 10 ?s 10 ns 擦除時間 1 ns 10 ?s 10 ns 保持時間 s 10 years 無窮 循環(huán)使用次數 無窮 105 無窮 無窮 工作電壓 (V) V 5 V V 1 V 開關電壓 V 5 V 50 mV MRAM DRAM FLASH 256Kb MRAM chip Courtesy of Motorola 非揮發(fā)性 高的集成度 高速讀取寫入能力 重復可讀寫次數近乎無窮大 功耗小 ● ● ● ● ● ● 基于 TMR構建的磁存儲器 (MRAM)具有 MRAM具有抗輻照能力 （ 國防、航天至關重要） ● MRAM 內存儲器 ：非揮發(fā)性；抗輻照；速度快 外存儲器 ：比 Flash存取速度快 1000倍 。 功耗小；壽命長；密度高 可能取代閃存 Flash和硬盤 Progress in MRAM 國外研究現狀和發(fā)展趨勢 2022年在日本文部省和通產省支持下己基本完成 100200Gbit/in2磁讀出頭 原型器件的研制。并又投入數十億日元開展 256M容量的 MRAM演示芯片的研制。 四、半導體自旋電子 金屬 半導體界面勢壘 金屬 真空界面 ?m ： 功函數 ,金屬中的電子逸出到真空中所 需要的最低能量 ??B ：外加電場使勢壘降低值 Ex ：外加電場 熱電子發(fā)射：金屬中的電子靠熱運動能量逸出 金屬的電子。 金屬 半導體界面 Χs ： 電子親和能，導帶底的電子進入真空所需 要的能量 ?s ： 半導體功函數，從真空能級到費米能級的 能量差 肖特基效應：外加電場導致金屬勢壘降 低的現象 例如：外加電場為 E=106(V/m)，那么，勢壘 的頂點出現在 x=， ??=39(meV) 金屬 半導體整流結稱為肖特基勢壘 對于 p型半導體： ?mχs?s 時形成整流接觸 ?mχs?s 時形成歐姆接觸 n 型半導體與金屬接觸形成的肖特基勢壘 ?B=?mχs??, ??是由于界面電場導致勢壘的降低 肖特基勢壘 ?B ： 自旋注入方式： ( STM ) 1. 2. 3. 4. 歐姆接觸 彈道點接觸 隧道注入 熱電子注入 ( STM ) I v MR~％ 通過鐵磁層把自旋電子注入二維電子氣 ( 實驗 ) 接觸尺寸 2x16?m2 例一 Reported spin injection efficiency :2% T=25K Zhu etal.， PRL (2022) 例二 1. 2. 3. 自旋檢測 自旋閥檢測 電位計檢測 n,p type PGaAs(100) PAlGaAs 570nm AlGaAs 75nm GaAs 50nm AlGaAs 15nm AlGaAs 100nm GaAs 5nm MgO 3nm CoFe 5nm Ta 10nm LEDs Optical Detection 光檢測 自旋注入的電極材料解決肖特基勢壘問題 高自旋極化率材料 為什么要研究半金屬材料和稀磁半導體 ? 混合價鈣鈦礦 CMR 稀磁半導體 ? ? 稀磁半導體 EF ?? ?sf Type M? Fe3O4, Sr2FeMoO6 ?Mn2VAl Type M? EF ?? ?sf ?? Examples: CrO2。 NiMnSb (Co1xFex)S2 () O3 Type I half me
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