电子科技大学自旋电子学第三章

1第三章自旋电子学的应用2自旋电子器件的发展:GMR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•GMR隔离器•传感器•GMR-typeMRAM3磁性隧道结的应用*磁性随机存储器MRAM*硬盘读出磁头*磁性传感器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。高灵敏磁场传感器4三大器件巨/隧道磁电阻传感器巨/隧道磁电阻读出磁头磁性随机存储器(MRAM)5第一节巨磁电阻传感器什么是传感器传感器是一种物理装置，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置。传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、流体传感器——触觉6什么是磁传感器感知磁场Compassing罗盘CurrentSensingPositionSensing位置传感器电流传感器RotationalDisplacement位移转动7感知磁场的传感器霍尔传感器各向异性磁阻传感器巨磁电阻传感8通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。霍尔效应是磁电效应的一种，是霍尔（A.H.Hall）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体中有也具有这种效应。霍尔效应示意图本质：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累9霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数；磁场大小测量的基本方法。zXHyBJREWVEHy/dwIJxx/dBIRVzxHH10各向异性磁阻（AMR）传感器各向异性磁电阻效应示意图机理：各向异性磁电阻效应来源于各向异性散射，而各向异性散射主要由自旋－轨道耦合和低对称性的势散射中心引起外加磁场方向平行于测试电流方向时测量得到的电阻率与外加磁场方向垂直于测试电流方向时测量得到的电阻率不相等的效应（θ:电流方向与磁场的夹角）)cos(0pfRRR巨磁电阻：11巨磁电阻传感器：具有灵敏度高、功耗低、工作频率高、探测磁场范围广、可集成化、小型化及热稳定性好等优点12一.巨磁电阻传感器的基本原理巨磁电阻多层膜反铁磁层钉扎铁磁层自由铁磁层自旋阀型的巨磁电阻13基于巨磁电阻多层膜的磁传感器：传感电压输出图电压的变化——检测外磁场的变化14基于自旋阀的巨磁电阻传感器——I)cos(0pfRRR响应曲线自旋阀型巨磁电阻传感器示意图自由层具有很小的单轴各向异性Ku,其磁矩方向取决于外磁场的大小和方向磁阻的变化——角度的变化15基于自旋阀的巨磁电阻传感器——IIHp自旋阀型巨磁电阻传感器示意图自由层易轴与钉扎层磁矩垂直)cos(0pfRRR90p)sin(0fRRRKffHH/sin满足：如果转动角磁阻的变化——线性的变化响应曲线16GMR薄膜面电阻较小,仅2~20Ω/□,直接将巨磁电阻多层膜或自旋阀薄膜作为传感器单元,要求有较大的工作电流才能得到足够的电压输出,且功率消耗也大;另外如果单元尺度太大,传感器的空间分辨率也受到限制。巨磁电阻传感器采用的形状：很容易增大其电阻至kΩ数量级,使其在较小工作电流下得到合适的电压输出；GMR电阻条的微米级尺度也保证了其足够的空间分辨率。17巨磁电阻传感器采用的电路具有一个较大的与磁场无关的直流背景信号惠斯通桥式电路可将与磁场无关的背景去除由于桥式结构的四臂材料、性能完全相同,温度系数也完全一样,GMR电阻条的温度效应的一级项被抵消掉,所以桥式结构基本上没有温度效应18R相邻电阻值之差：443221RRRVRRRVVoutRRRRRRR3241GMR惠斯通电桥传感器的示意图19常规惠斯通电桥R4R3R2R1用于测试电阻值当安培表度数为零时——20二.巨磁电阻传感器实例1.磁场传感器1994年，NVE公司∆RR1R2最初：221RRR)(2121121221RRRRVRRRVRRRVVVinininABoutR1’R2’r应用一外场后R1和R2的变化量是一样AB21∆RR1R2R1’R2’)''(''2121RRRRVVVinABoutrRR11'rRR22'RrVVinout2输出电压磁阻曲线inoutVV(max)22磁通聚集器巨磁电阻传感器R2R2R1R1将处在对角位置的两个GMR电阻条覆盖一层高导磁率的材料,以屏蔽外磁场对它们的影响,使它们变成对外磁场无响应的参考电阻条,而另两个GMR电阻条在磁响应方面是激活的,于是桥式结构在磁场作用下产生正比于磁场大小的输出。23R1、R2R2’∆R)''(''2121RRRRVVVinABoutRRR11'rRrRR22'rRrVVinout2RinoutVV(max)24永磁偏置型可实现磁场大小和方向的探测屏蔽型仅能实现磁场大小的测试输出电压输出电压25∆RR1R2R1’R2’R1、R2R2’永磁偏置型屏蔽型)''(''2121RRRRVVVinABout''21RR外磁场为正方向：''21RR外磁场为负方向：''21RR∆R26L/D磁通聚集器处磁场与L/D之间的关系（实验值）HGap=HAP(0.6L/D)经验公式：L和D分别为400μm和100μm的巨磁电阻传感器,如果它暴露在1mT的外磁场下HAP,激活GMR电阻条所感受到的实际磁场接近2.4mT磁通聚合器起到了提高灵敏度的作用磁通聚集型传感器：272.角度传感器（方向传感器)1997年，德国西门子公司Co/Cu合成反铁磁层：硬磁层（参考层）Fe层：软磁层（测量层）测量层的磁矩方向，可以通过外磁场使其在传感器平面上任意转动当外场大于测量层的饱和场，转动过程中，巨磁电阻的大小与磁场大小无关，仅取决于磁场与参考层方向的夹角cosGMR基本原理：合成反铁磁层28GMR角度传感器应用实例GMR传感器角度响应曲线360度范围内：存在磁滞，滞后的典型值为2度；90度范围内：误差可以降至0.1度29B6型桥式电路合成反铁磁层单元结构示意图基本原理：合成反铁磁多层膜存在非常强的交换耦合,在中等强度的工作磁场下,其磁性层的磁矩几乎没有任何改变,而自由层磁矩方向随外磁场同步旋转,产生对应的输出。30B6型桥式电路转动磁场，可得到与角度同步的余弦响应曲线——实现角度的的探测B6型角度传感器响应曲线31C6型桥式电路C6型角度传感器响应曲线不足：由于合成反铁磁(或其它任何硬磁层)的磁矩在过大的外磁场作用下都将改变其初始设定状态,因而过大的外磁场将摧毁桥式结构的工作基础合成反铁磁层单元结构示意图32解决方法：采用自旋阀结构反铁磁层钉扎铁磁层自由铁磁层自旋阀结构示意图典型自旋阀磁滞回线H（Oe）新的问题：需设置不同方向的钉扎场B6型桥式电路C6型桥式电路33处理方法：1.分两步法沉积，沉积过程中应用不同方向的磁场设置不同的钉扎场方向B6型桥式电路34处理方法：2.将反铁磁层制备成人工反铁磁层，采用两步生长FMAFM常规反铁磁钉扎FM2FM1NMAFM被钉扎层被钉扎层人工反铁磁层FM2FM1NMAFM被钉扎层在同样的生长磁场下可使反铁磁耦合的磁化状态从↑/spacer/↓变成↓/spacer/↑MarrowsCH,StanleyFE,HickeyBJ.ApplPhysLett,1999,75:3847-3849.反铁磁耦合353.线性化的自旋阀传感器Hp自旋阀型巨磁电阻传感器示意图自由层易轴与钉扎层磁矩垂直KffHH/sin满足：转动角响应曲线36关键问题：如何使自由层和钉扎层垂直线性传感器示意图方法一：磁场下沉积后，再进行磁场下后退火处理方法二：两步沉积法，改变磁场取向37方法三：线性自旋阀结构示意1.它产生的磁场在相邻的电阻条处将被钉扎层的磁矩转动至初始自由层易轴的垂直角度且方向相反；2.它产生的焦耳热使电阻条的温度升高至反铁磁材料的Blocking温度,然后适当减小电流,使电阻条冷却至Blocking温度以下,相邻自旋阀电阻条的被钉扎层磁矩于是被钉扎在垂直自由层易轴的相反方向。电桥电路层电流分合回路电流分合回路的作用：输出曲线SpongJK,SpenosuVS,FontanaRE.Jr.IEEETransMagn,1996,32:366-371.（IBM公司）384.GMR/TMR生物传感器GMR生物传感器组成由免疫磁性微球(IMB)、高灵敏度的GMR传感器和相关读出电路构成GMR生物传感器原理39美国海军实验室GMR生物传感器输出曲线被测生物分子绑定过程示意405.巨磁电阻隔离器为什么需要隔离：信息传送数据通道里,不同的接地回路,其电势位往往不同光隔离器工作原理：利用输入电流流经一个光发射二极管(LED)发出相应的光,光经过绝缘介电物质激活半导体光探测器,产生和输入电流强度成比例的输出41巨磁电阻隔离器将输入电流流经一个线圈产生对应的磁场,该磁场经过高绝缘的介电薄膜被巨磁电阻单元检出,产生和输入电流成比例的输出光隔离器和巨磁电阻隔离器最终都能将输入与输出回路通过介电物质在电性上完全隔离开,两者的信号走向都单向传送42光隔离器的不足：光隔离器具有体积大、速度慢、能耗高、温度范围窄等先天不足1997年NVE公司的Hermann与Iowa州立大学的Black和Hui首次提出基于巨磁电阻效应的磁耦合线性隔离器,并通过原型器件予以实验论证。NVE公司于2000年推出商用巨磁电阻隔离器,跨越了光隔离器在许多方面无法跨越的极限。单元占据面积小于1mm2；与通讯电子元件一起集成化实现单一芯片的多通道隔离；磁电阻隔离器的传输速度达到每秒200兆比特，信号传播延迟小于10纳秒，抗瞬态干扰高达25kV/μs,最高工作温度至少100°C。43GMR隔离器原理GMR隔离器结构图GMR隔离器俯视图最底层是联结成惠斯通电桥的四个全同的迂回的微米级GMR电阻条电桥之上是一层数微米厚的高绝缘介电材料,这层介电薄膜可耐压3000~6000V介电薄膜之上是厚度数百纳米的铝铜合金或其它金属材质的螺绕平面线圈螺绕平面线圈之上是一层微米级的钝化绝缘层最后一层10微米左右的高磁导率材料44类型AMR多层膜GMRSV-GMRTMR磁场范围(kA/m)0.258-2000.4-40.4-2MR(%)2-3108-15350灵敏度[%/(kA/m)]1.01.01025温区(℃)200-40-150-40-180-温度系数(ppm/k)35001100800-各种MR传感器性能的比较45GMR传感器的应用领域46第二节巨磁电阻硬盘读出磁头2007年诺贝尔物理学奖：皮特-克鲁伯格和艾尔伯-费尔瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术”,这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。47一.计算机硬盘技术的发展历程IBM公司，1956年信息的写入与读出依赖感应式单一元件记录头（块状铁氧体软磁芯绕上线圈而成）写入：线圈通电在气隙处产生磁场,可将信息写入磁记录介质读出：记录比特的漏磁场使线圈产生感生电动势,于是记录信息便被读出48利用高磁导率的软磁材料替代铁氧体材料49二.磁存储及读写原理磁存储示意图1.磁盘存储原理磁头驱动机构2面旋转机构1面0面硬盘是由多个盘片叠加在一起，互相之间由垫圈隔开。硬盘盘片是以坚固耐用的材料为盘基，其上在附着磁性物质502.感应式磁头的读写原理感应式TFI磁头结构：主要由线圈、软磁性磁芯和磁路间隙等部分组成51记录时：通过线圈的电流在磁芯的前间隙处产生记录磁场，磁化记录媒体以存储位信息磁头磁性层52磁头磁带运动方向工作缝隙磁带读出时：在记录媒体上，代表位信息的剩余磁通，经磁头磁芯通过线圈