ZAWORY SPINOWE JAKO ELEMENTY GłOWIC ODCZYTU I PAMIĘCI M-RAM

Maciej Czapkiewicz, Katedra Elektroniki AGH

PODSTAWOWE INFORMACJE NA TEMAT EFEKTÓW MAGNETOREZYSTANCYJNYCH


Efekty magnetorezystancyjne w wielowarstwowych układach cienkich warstw ferromagnetycznych są w ostatnich latach przedmiotem dużego zainteresowania ze strony przemysłu elektronicznego. Dzieki dużej zmianie rezystancji pod wpływem pola magnetycznego, wysokiej czułości polowej oraz możliwości kształtowania charakterystyki magnetorezystancyjnej w zależności od potrzeb, układy te znajdują rozliczne zastosowania w elektronice, jako:
detektory do odczytu gęsto upakowanej informacji, różnego rodzaju czujniki i przetworniki, komórki pamięci magnetycznej swobodnego dostępu.

W polu zainteresowań aplikacyjnych znajdują się dwa efekty: GMR (Giant MagnetoResistance) oraz TMR (Tunneling MagnetoResistance). Efekt GMR, odkryty w układzie wielowarstwowym Fe/Cr [1], polega na spinowo-zależnym rozpraszaniu elektronów przewodnictwa w układzie warstw ferromagnetycznych przedzielonych przekładką metalicznego nieferromagnetyka .
Efekt ten występuje tylko wtedy gdy istnieje różnica pomiędzy kątami wektorów namagnesowania poszczególnych warstw ferromagnetycznych, np. wtedy gdy warstwy są sprzężone antyferromagnetycznie. Efekt ten jest w wielu układach silniejszy [2] niż efekt anizotropowej magnetorezystancji AMR, występujący w każdym ferromagnetyku.
Typowa charakterystka magnetorezystancyjna sprzężonego antyferromagnetycznie układu wielowarstowego ma kształt paraboliczny c.i.p. GMR, ale dzięki metodom tzw. inżynierii spinowej można kształt tej charakterystyki modyfikować (tzw. zawory spinowe i pseudozawory spinowe).

Nowszym historycznie efektem jest efekt TMR [3], którego mechanizm związany jest ze spinowo-zależnym tunelowaniem elektronów przez cienką warstwę izolatora (np. Al2O3) c.p.p. TMR.
Efekt TMR może wykazywać większą amplitudę magnetorezystancji w porównaniu z GMR, większa jest także rezystancja struktury, aczkolwiek silnie ona zależy od grubości warstwy przekładkowej.

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA UKŁADÓW TYPU "ZAWÓR SPINOWY"

Układy wielowarstwowe typu "zawór spinowy" [4], oznaczane dalej skrótem SV, składają się z antyferromagnetycznej warstwy podmagnesowującej (exchange biased), która wymusza jednoosiową anizotropię jednozwrotową pierwszej warstwy ferromagnetycznej "zamocowanej" (FP, pinned), przekładki niemagnetycznej (spacer) oraz drugiej warstwy ferromagnetycznej "swobodnej" (FF, free) Spin Valve.
Struktura taka charakteryzuje się nieparzystą względem polaryzacji pola magnetycznego pętlą histerezy magnetycznej MS loop of FeMn/Co/Cu/Co SV, a co za tym idzie, niesymetryczną charakterystyką magnetorezystancyjną MR loop of FeMn/Co/Cu/Co SV

Więcej informacji na temat procesu przemagnesowania zaworu spinowego znajduje się w oddzielnym dokumencie >>.

Innym rodzajem magnetycznych struktur wielowarstwowych są tzw. PSV (Pseudo Spin Valve), ktore charakteryzują się parzystą pętlą przemagnesowania MS loop of PyCo/Cu/Co PSV i symetryczną pętlą magnetorezystancji MR loop of PyCo/Cu/Co PSV.
Struktura PSV składa się z twardej magnetycznie (wykazującej dużą koercję) warstwy ferromagnetycznej FP, przekładki nieferromagnetycznej oraz miękkiej magnetycznie (o małej koercji) warstwy ferromagnetycznej FF Pseudo Spin Valve.

PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ

PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ ZAWORÓW SPINOWYCH JAKO CZUJNIKI I DETEKTORY

Elementy SV zastosowane jako magnetorezystory odczytujące pozwoliły na dalszą miniaturyzację głowic odczytująco-zapisujących w magnetycznych pamięciach masowych [6], a co za tym idzie, zwiększenie gęstości zapisu do 15 Gbit/cal2 [7].
Zasadę działania magnetorezystancyjnej głowicy odczytującej zawarto w oddzielnym dokumencie >>.

Inne zastosowanie magnetorezystorów to olbrzymi rynek różnego rodzaju czujników i przetworników, stosowanych głównie w przemyśle samochodowym [8].
Nietypowe charakterystyki magnetorezystancyjne zawory spinowych umożliwiają stworzenie nie spotykanych dotąd rozwiązań.

W osobnym dokumencie opisane są przykładowo dwa zastosowania zaworów spinowych: >>
przetwornik kąt-rezystancja oraz przetwornik prąd-napięcie z izolacją galwaniczną [9].

ZASTOSOWANIE PSEUDO-ZAWORÓW SPINOWYCH W PAMIĘCIACH M-RAM

Idea zastosowania ferromagnetyka jako komórki pamięci RAM nie jest nowa (np. pamięci ferrytowe), problemem były duże rozmiary i prądy związane ze sposobem detekcji namagnesowania i niemonolityczną budową.
Natomiast zastosowanie pseudo-zaworów PSV, których rezystancja zależy od wzajemnego ułożenia namagnesowania warstwy FF i FP, umożliwia stworzenie matrycy pamięci o bardzo małych komórkach, w technologii monolitycznej.
Poglądowy schemat takiej pamięci pokazano na rysunku: MRAM matrix

Bit informacji reprezentowany jest poprzez równoległą lub antyrównoległą orientację wektorów namagnesowania warstw miękkiej i twardej magnetycznie.
Odczyt wybranej komórki następuje poprzez detekcję jej rezystancji.
Zapis następuje poprzez takie podwyższenie prądów, aby pole magnetyczne powstałe w wyniku superpozycji pól na skrzyżowaniu linii słowa i bitu było wystarczające do przemagnesowania struktury PSV.
Przykład rzeczywistej komórki, wykorzystującej efekt TMR, pokazano na poniższym zdjęciu:
Real MRAM cell

Magnetyczne pamięci masowe o dostępie swobodnym (M-RAM) są obecnie celem intensywnych prac badawczo-rozwojowych [10] ze względu na ich zalety:
nieulotność, mały pobór mocy, szybkość, skalowalność. Porównanie własności M-RAM z własnościami innych typów pamięci przedstawiono w oddzielnej tabelce >>.

ODNOŒNIKI

  1. M.N.Baibich, J.M.Broto, A.Fert, F.Hguyen Van Dau, F.Petroff, P.Etienne, G.Creuzet, A.Friedrich, J.Chazelas, Phys Rev. Lett. 61 (1988), 2472
  2. S.S.P.Parkin, R.Bhadra, K.P.Roche, Phys. Rev. Lett 66 (1991), 2152
  3. T.Miyazaki, T.Tezuka, J.Magn.Magn.Mater. 139 (1995), L231
  4. B. Dieny, V.S. Speriosu, B.A. Gurney, S.S.P. Parkin, D.R. Wilhoit, K.P. Roche, S.Metin, D.T. Peterson and S.Nadimi - "Spin Valve Effect in soft ferromagnetic sandwiches". J. Magn. Magn. Mat. 93 (1991), 101
  5. M.Czapkiewicz - "Badania zjawisk galwanomagnetycznych w strukturach wielowarstwowych metali przejściowych pod kątem zastosowania na detektory i głowice magnetyczne" - praca doktorska AGH, Kraków 1999.
  6. J.C.Mallinson - "Magnetoresistive heads fundamentals and applications", Academic Press San Diego (1996)
  7. H.C.Tong et al., IEEE Trans. Magn. 35 (1999), 2574
  8. E.Zalber, R.Dietz, A.Dukart, F.Jost, K.Marx - "Berührungslose Weg- und Winkelsensoren für das Kraftfahrzeug auf magnetischer Basis", Sensoren und Messysteme, VDI-Berichte 1255, Düsseldorf (1996)
  9. T.Hermann, T.W.Black Jr., W.L. Hui, IEEE Trans. on. Mag. 33 (1997), 4029-4031
  10. S.Tehrani , J.M.Slaughter, E.Chen, M.Durlam, J.Shi, M.De Herrera, IEEE Trans. Magn. 35 (1999), 2574

    Strony WWW:

     MRAM - New Ways to Store More
    MRAM - ICFAB
    ATIP Report: MRAM Development in Japan
    Motorola - neue Speichertechnologie MRAM
    Field Programmable Logic Gates Using GMR Devices
    IBM Think Research - Computing Unplunged
    The future of magnetic data storage technology - D. A. Thompson, J. S. Best