软击穿对压控磁各向异性磁隧道结及其读电路性能影响

为了解决软击穿导致的压控磁各向异性磁隧道结(voltage-controlled magnetic anisotropy magnetic tunnel junction,VCMA-MTJ)及其读电路性能下降的问题,在对VCMA-MTJ软击穿机理深入分析的基础上,修正了VCMA-MTJ的电学模型,设计了一种具有固定参考电阻的VCMA-MTJ读电路和一种具有参考电阻调控单元的VCMA-MTJ读电路,研究了软击穿对VCMA-MTJ电阻R_(t)、隧穿磁阻比率M、软击穿时间T_(s)以及VCMA-MTJ读电路读错误率的影响。结果表明:软击穿的出现会导致R_(t)和M均随应力时间t的增加而降低,T_(s)随氧化层厚度t_(ox)的增大而缓慢增加,却随脉冲电压V_(b)的增大而迅速减少,与反平行态相比,平行态的T_(s)更短且M降低50%所需时间更少;具有固定参考电阻的VCMA-MTJ读电路可有效避免读“0”错误率的产生,但读“1”错误率却随t的增加而上升,而具有参考电阻调控单元的VCMA-MTJ读电路可在保持读“0”正确率的同时,对读“1”错误率改善达54%,在一定程度上削弱了软击穿对VCMA-MTJ读电路的影响。

磁隧道结器件频率响应特性有限元仿真方法

磁隧道结(MTJ)器件是隧道磁电阻传感器的核心结构,其频率响应特性关乎传感器的性能。本文提出了一种“隧道结电路模型+分布式寄生电容”的MTJ器件频率响应特性有限元仿真方法,并对桥式结构MTJ器件进行了实验测试与仿真对比分析,验证了该仿真方法的有效性。基于所提方法,针对电极尺寸对器件频响特性的影响进行了系统仿真,验证了利用该方法进行优化设计的可行性。相关研究对MTJ器件的设计具有重要指导意义。

γ-石墨炔基分子磁隧道结的输运性能

对γ-石墨炔进行剪切可以得到零维γ-石墨炔纳米点(γ-GYND),采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法,利用γ-石墨炔纳米点和锯齿型石墨烯纳米带理论设计了三种连接方式的分子磁隧道结(MMTJ),并研究了这三种磁隧道结的输运性能。研究结果表明,γ-石墨炔纳米点和锯齿型石墨烯纳米带连接方式不同,所构建的几种分子磁隧道结输运性能不同,即随着电压的增加,三种分子磁隧道结中电流的变化趋势不同,虽然都观察到了明显的自旋过滤效应和巨磁阻效应,但自旋极化率和隧穿磁阻不同,其中隧穿磁阻最大可达10^(9)%量级,这一数值远高于传统磁隧道结,实验上这一数值只有18%。以上结果表明,γ-石墨炔纳米点和锯齿型石墨烯纳米带所组成的磁隧道结可以应用于自旋电子器件,也可用于通过改变电压或磁场信号得到相应的电流从而起到信息传递作用的分子传感器。

基于反铁磁的无外场辅助自旋轨道矩磁隧道结模型分析

自旋轨道转矩(spin-orbit torque,SOT)为超低功耗自旋电子器件提供新的实现方法,在反铁磁材料体系中面内交换偏置场可辅助SOT磁化翻转,同时利用电压调控磁各向异性(voltage-controlled magnetic anisotropy,VCMA)能有效降低翻转势垒,从而实现无外场辅助的磁隧道结.本文通过求解修正LandauLifshitz-Gilbert(LLG)方程,建立反铁磁/铁磁/氧化物构成的无外场辅助自旋轨道矩的磁隧道结模型,并对其磁化动力学过程进行分析.以IrMn/CoFeB/MgO材料体系为例,揭示了影响磁化翻转的因素,包括交换偏置(exchange bias,EB)效应对临界翻转电流ISOT的影响,VCMA效应和SOT类场转矩的影响机制;分析了实际应用中磁隧道结制作工艺偏差的影响.结果表明:EB效应与VCMA效应共同作用能极大降低临界翻转电流ISOT,从而实现完全无场开关切换;SOT类场转矩对磁化翻转起主导作用,且一定条件下可实现器件在ps量级的无场翻转;以及当氧化层厚度偏差γtf?10%或自由层厚度偏差γtox?13%时MTJ能实现有效切换.基于反铁磁的无场辅助自旋轨道矩器件将为新一代超低功耗、超高速度和超高集成度器件和电路提供极具前景的解决方案.

Co基Heusler合金:磁性、半金属性,sp元素掺杂及在磁隧道结中的应用和发展

首先致力于介绍Co基Heusler合金的结构特征、磁性来源以及独特的半金属能带结构,以揭示这些合金独特的电磁性质和在磁隧道结中的应用潜力。在此基础上,进一步讨论了sp元素掺杂对调整Heusler合金电子结构和稳定其半金属性的重要意义。最后,通过分析Co基Heusler合金磁隧道结的电子输运原理,描述了Co基Heu-sler合金磁隧道结的研究现状和发展方向。

用于制备磁隧道结的模板套准新方法及装置

简述了现有掩模技术制备磁隧道结的过程 ;指出了采用定位图形套准模板存在的弊端 ;介绍了 1种将基片固定 ,利用定位螺栓套准模板的装置。实践表明 :采用该装置可显著提高制备磁隧道结的完好率 。

氧化镁磁隧道结磁电阻效应的研究进展

概述了近年来关于氧化镁磁隧道结磁电阻效应的最新研究进展,介绍了势垒层厚度、偏压、温度以及微结构等因素对磁电阻效应的影响。氧化镁磁隧道结的磁电阻效应与铁磁电极层和势垒层间的界面化学态与磁状态密切相关,势垒层厚度、偏压和温度等对磁电阻效应的影响关系表现出与传统氧化铝磁隧道结不同的变化特点。根据氧化镁磁隧道结磁电阻效应的研究状况,对其将来的发展进行了展望。

磁隧道结机理及其应用研究

本文主要概述了磁隧道结的机理,可知隧道结电阻的产生并非源于传导电子自旋相关散射,而是自旋相关遂穿过程。在此基础上,介绍了该材料的应用。

磁控溅射制备Co/Al_2O_3/FeNi磁隧道结

利用磁控溅射设备和光刻技术,采用金属等离子体氧化法,设计制作了10μm×15μm的Co/Al2O3/FeNi磁隧道结,并在77K下对其输运特性进行了研究。测得了11%的隧道磁电阻。随着外加电压增加,隧道结的磁电阻单调减小。测量了样品的I-V特性曲线,发现随着外加电压的增加,曲线逐渐偏离线性,电阻变小,这与理论相符合。电阻随温度变化曲线表明电阻随温度升高而减小,而且在210K处有一个拐点。表现出典型的隧穿过程的特征。

形状各向异性对垂直磁隧道结磁化动态的影响

纳米磁性结构内磁矩翻转动态特性对于磁存储以及自旋电子学的研究具有十分重要的意义。基于Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程,研究了垂直磁各向异性(PMA)磁隧道结(MTJ)的自由层尺寸及磁矩倾角对磁矩翻转动力学特性的影响。具体讨论了宏自旋(Macrospin)模型中自由层的形状和尺寸对磁矩翻转特性的影响,给出了自由层磁矩翻转时间与阈值电流密度随自由层长度、厚度变化的特征。同时也分析了自由层磁矩倾角对磁矩翻转时间及阈值电流密度的影响。结果表明,在垂直MTJ结构中,小的磁矩倾角及合适的自由层长厚比可以大幅度地缩短磁矩翻转时间及减小所需阈值电流密度。

磁隧道结传感器噪声自动测试系统设计

磁隧道结(MTJ)虽然可以实现相当大的磁阻变化率,但是其噪声尤其是低频下的1/f噪声十分严重。为分析MTJ的噪声来源及大小,设计一套基于LabVIEW的噪声自动测试系统。通过综合分析测试系统噪声来源、建立放大器等效噪声模型,测试得到系统在不同放大倍数下的等效输入噪声电压和噪声电流,并确定最优放大倍数。在此基础上,利用软件运算对放大器噪声进行剔除,以提高测试系统准确度。经过测试标准电阻噪声,验证系统误差可以维持在±5%以内。最后对AlO_x基MTJ和磁传感器TMR9002进行测试,得出并解释磁传感器噪声随偏置电流和磁场的变化规律。

Ni_(80)Fe_(20)/Al_2O_3/Ni_(80)Fe_(20)磁隧道结电磁特性研究

采用磁控溅射技术制备了Ni80Fe20/Al2O3/Ni80Fe20磁性多层膜隧道结样品,并使样品在不同的温度下退火,研究了不同退火条件对样品隧道结磁电阻效应的影响.结果表明,磁电阻值随退火温度发生变化,并在230℃左右达到最大.为提高磁隧道结磁电阻性能提供了新的尝试.

CoFeB/MgO磁隧道结的低电流密度磁矩翻转特性

基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程,研究平面型Co Fe B/Mg O磁隧道结的磁矩翻转特性.数值计算结果表明,Co Fe B与Mg O间的界面各向异性,可降低磁矩翻转的阈值电流密度,达到106A/cm2量级.固定层磁矩方向和类场自旋转移力矩对自由层磁矩的翻转时间有重要影响.当固定层磁矩与自由层磁矩之间有一个小角度时,可显著加快自由层磁矩翻转.当类场自旋转移力矩与自旋转移力矩之比为负值时,类场自旋转移力矩与自旋转移力矩将促进自由层磁矩翻转;当相应的类场自旋转移力矩与自旋转移力矩之比为正值时,类场自旋转移力矩将阻碍自由层磁矩翻转.该研究可供自旋转移力矩驱动的磁性随机存储器件设计借鉴.

类场STT对非共线磁隧道结动态特性的影响

研究了类场自旋转移力矩(STT)和极化层磁矩偏角对CoFeB-MgO-CoFeB磁隧道结中阈值电流密度以及翻转时间的影响。基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程,运用微磁模拟的方法研究了非共线磁性多层膜结构中的STT效应,着重考察了Slonczewski项和类场STT的影响情况。结果表明,在给极化层磁矩一个小的偏角时,阈值电流密度会大幅减小,减小幅度可达37%。而且类场STT和Slonczewski项对阈值电流密度和翻转时间有着重要影响。分析表明,类场STT和Slonczewski项在一定条件下可以明显地改善磁隧道结的翻转特性,此时类场STT有效地促进了自由层磁矩翻转的进程,从而使阈值电流密度减小,翻转时间进一步缩短。

基于工艺偏差的电压调控磁各向异性磁隧道结电学模型及其在读写电路中的应用

电压调控磁各向异性磁隧道结(voltage controlled magnetic anisotropy magnetic tunnel junction, VCMA-MTJ)作为磁随机存储器(magnetic random access memory, MRAM)的核心器件,具有读写速度快、功耗低、与CMOS工艺相兼容等优点,现已得到国内外学者的广泛关注.然而随着VCMA-MTJ尺寸不断缩小、MRAM存储容量不断增大,工艺偏差对MTJ性能的影响变得越来越显著,甚至会引起VCMA-MTJ电路的读写错误.本文在充分考虑磁控溅射薄膜生长工艺中自由层厚度偏差(γtf)、氧化势垒层厚度偏差(γtox)以及离子束刻蚀工艺中由侧壁再沉积层引入的刻蚀工艺稳定因子(α)偏差影响的情况下,给出了基于工艺偏差的VCMA-MTJ电学模型,并将该模型应用到VCMA-MTJ读写电路中,研究了工艺偏差对上述电路读写错误率的影响.结果表明:当γtf≥13%, γtox≥11%时, VCMA-MTJ将无法实现磁化状态的有效切换;当α≤0.7时, VCMA-MTJ磁化方向的进动过程变得不稳定.进一步地, VCMA-MTJ电路的读错误率和写错误率也将随着工艺偏差的增大而增大.研究表明,通过增大外加电压(Vb)和减小外加电压脉冲宽度(tpw)可有效降低VCMA-MTJ电路的写错误率,增大电路的读驱动电压(Vdd)可有效降低VCMA-MTJ电路的读错误率.

基于工艺偏差的自旋转移矩辅助压控磁各向异性磁隧道结电学模型及其应用研究

自旋转移矩辅助电压调控磁各向异性磁隧道结(STT辅助VCMA-MTJ)作为非易失性全加器(NV-FA)中的核心部件,具有切换速度快、功耗低,稳定性好等优点,将在物联网、人工智能等领域具有良好的发展前景.然而随着磁隧道结(MTJ)尺寸的不断缩小以及芯片集成度的不断提高,工艺偏差对MTJ及NV-FA电路性能的影响将变得越来越显著.本文基于STT辅助VCMA-MTJ磁化动力学,在充分考虑薄膜生长工艺偏差以及刻蚀工艺偏差影响的情况下,建立了更为精确的STT辅助VCMA-MTJ电学模型,研究了上述两种工艺偏差对MTJ及NV-FA电路性能的影响.结果表明,当自由层厚度偏差γ_(tf)≥6%或氧化层厚度偏差γ_(tox)≥0.7%时,MTJ将无法实现状态切换;当隧穿磁阻率偏差β增大到30%时,读取裕度SM将下降高达17.6%.对于NV-FA电路,通过增大电压V_(b1)以及写‘0’时增大电压V_(b2)或写‘1’时减小V_(b2),可有效降低非易失性加数写入错误率;通过增大逻辑运算驱动电压V_(dd),可有效降低逻辑运算结果输出错误率.

自由层厚度对CoFeB/MgO磁隧道结动态特性的影响

研究了在自由层厚度影响下的界面垂直各向异性和磁矩偏角,对水平CoFeB/MgO磁隧道结阈值翻转电流密度、翻转时间动态特性的作用。基于LLGS方程的宏自旋模型的模拟,结果显示,由于界面垂直各向异性随着自由层厚度的减小而增大,阈值翻转电流密度和翻转时间会明显的降低,当磁矩的偏角随厚度的减小而增大时,翻转的动态特性会有进一步优化,在阈值翻转电流密度和翻转时间上都有体现。

电子全息对磁隧道结势垒层的研究

利用电子全息显微学方法,从理论和实验两方面,系统研究了磁隧道结势垒层的内势分布,指出了一些在实验过程中应予以注意的实验现象,提出了可能的解决方法.

退火对IrMn基磁隧道结多层膜热稳定性的影响

采用磁控溅射方法制备了结构为IrMn/CoFe/AlOx/CoFe的磁性隧道结多层膜,样品置于真空磁场中进行退火处理.将在不同温度退火的磁隧道结结构多层膜置于负饱和场中等待,研究退火温度对样品热稳定性的影响.结果表明:退火提高了多层膜反铁磁层的单轴各向异性能,增加了样品的交换偏置;随着负饱和场等待时间的延长,被钉扎层的磁滞回线向正场偏移,交换偏置单调减小,但退火减弱了这种趋势.