GMR, spin valve & pseudo spin valve T.Stobiecki Katedra Elektroniki AGH 10 wykład

Historia spintroniki odkrycie międzywarstwowego oscylacyjnego sprzężenia wymiennego ferro-antyferromagnetycznego w układzie wielowarstwowym Fe/Cr/Fe P. Grünberg et al. Phys Rev.Lett. 57 (1986), – odkrycie Gigantycznej Magnetorezystancji - GMR (Giant Magnetoresistivity) w układzie wielowarstwowym Fe/Cr/Fe M. N. Baibich,..., A.Fert,.. et.al. Phys Rev.Lett. 61 (1988), 2472

Giant Magnetoresistivity - GMR I = const ferromagnet nonferromagnet (Cu) UpUp I = const UaUa % 1005       pp pa p pa R R R RR U UU magnetoresistance  10 nm

Thickness dependence of spacer layer

Below, structure of Fe film/ Cr wedge/ Fe whisker illustrating the Cr thickness dependence of Fe-Fe exchange. Above, SEMPA image of domain pattern generated from top Fe film. (J. Unguris et al., PRL 67(1991)140.)

Spinowo zależne przewodnictwo elektryczne M Analogia do równoległego połączenia dwóch rezystancji R duże I M R małe I

Density of states in 3-d metals GMR  due scattering into the empty quantum states above the Fermi level    D(E F ) For ferromagnetic 3d metals D  (E F )  D  (E F )      

Spinowa polaryzacja ferromagnetyka Gęstość stanów Energia d s d s Magnetyzacja Energia d s Spin EFEF

Pseudo spin valve (PSV) M(H) & R(H) Two stages charactristics

Spin-Valve (SV) M(H) magnetization R(H) magnetoresistance

Spin valve (SV) – M(H) & R(H) high magnetoresistance field sensitivity

Zastosowania pseudo-zaworów spinowych Nieulotne pamięci magnetyczne o dostępie swobodnym (Magnetic Random Access Memory) –matryca złożona z komórek pamięciowych: elementów PSV –bit informacji reprezentowany poprzez wzajemną orientację wektorów namagnesowania warstw ferromagnetycznych twardej i miękkiej; –zapis poprzez przemagnesowanie silniejszym prądem; –odczyt poprzez detekcję rezystancji lub zmiany rezystancji; –informacja przechowywana jest po zaniku zasilania; –szybki zapis i odczyt, mały pobór mocy; –cykle zapisujące są nieniszczące; –odporność na EMP, promieniowanie jonizujące. „a new class of device based on the quantum of electron spin, rather than on charge, may yield the next generation of microelectronics”.

Magnetic Random Access Memory (MRAM) antyferromagnetyk ferromagnetyki nieferromagnetyczna międzywarstwa ścieżka przewodząca 0 1  150 nm

Zasada działania pamięci M-RAM

Modele elektryczne Zastępczy model elektryczny SV i PSV dla potrzeb programu P-SPICE Odtwarzanie charakterystyki magnetorezystancyjnej pozwala na projektowanie układów scalonych współpracujących z elementami SV i PSV.

Wyniki dopasowania do danych doświadczalnych Pętle histerezy przemagnesowania dla SV i PSV

Przykłady rozwiązań komórek pamięci MRAM Scanning electron microscope image of typical metal-masked magnetic tunnel junction, 80  m x 80  m in area

Co (4nm) Cu (3nm) NiFe (6nm) Kropki magnetyczne

Urządzenie do nanoszenia układów wielowarstwowych – EMRALD II