Спин-зависимое туннелирование

По сути, структура SDT -элемента (от англ. Spin-Dependent Tunneling – спин-зависимое туннелирование) в первом приближении сходна со структурой GMR, рассмотренной на рис. 5.2, а, б. Разница заключается в том, что в отличие от GMR, вместо металлической немагнитной прослойки в устройствах, построенных на базе SDT -эффекта присутствует тончайший слой диэлектрического материала. Таким образом, существует достаточная вероятность прохождения электронов проводимости ферромагнитных пленок через прослойку изолятора. Такое явление в литературе также известно как «квантовое механическое туннелирование». Вероятность туннелирования электронов через изолятор зависит от взаимной ориентации намагниченностей магнитных пленок по обеим сторонам, относительно прослойки (что в конечном итоге и объясняет название данного эффекта).

В целом, зависимость сопротивления SDT -элемента от магнитного поля объясняется следующим образом. Электроны проводимости со спином, направление которого совпадает с направлением магнитного поля ферромагнитных пленок, испытывают меньшее сопротивление при движении и имеют большую свободу перемещения, чем электроны со спином, ориентированным против внутреннего магнитного поля, которые испытывают большее сопротивление при движении и чаще сталкиваются с атомами среды. В первом случае вероятность туннелирования электронов через межслойный изолятор выше, а, следовательно, сопротивление SDT -элемента меньше.

Для того чтобы сопротивление SDT -элемента зависело от внешнего магнитного поля необходимо, чтобы изменялась взаимная ориентация намагниченностей магнитных пленок с разных слоев изолятора. Для этого SDT -резистор изготавливают таким образом, чтобы направление намагниченности одного из слоев изменялось под воздействием внешнего поля, а у другого слоя было зафиксировано. Обычно такие пленки называют «свободный слой» и «закрепленный слой» соответственно.

Более детализированная структура SDT -элемента представлена на рис. 5.4, а. Здесь 1 – «свободный слой», изготовленный из ферромагнитного сплава (NiFeCo). Этот слой намагничен в направлении, как показано на рисунке, причем направление вектора намагниченности M может изменяться под воздействием внешнего магнитного поля B. Слой 2 – слой изолятора (Al₂O₃) толщиной 1–2 нм (туннельный эффект возможен лишь при такой толщине). Слой 3 – «закрепленный слой». Выше него расположены слои 4–6, необходимые для фиксации направления намагниченности в слое 3. Ферромагнитные пленки (CoFe) 3 и 5 намагниченны в противоположных направлениях. Они совместно с тонкой пленкой 4 из рутения (Ru) образуют так называемую антиферромагнитную сопряженную пару.

Рис. 5.4. Структура SDT -магниторезистора

Приведенная структура обеспечивает стабильное направление намагниченности в «закрепленном слое» и минимальное внешнее магнитное поле. Антиферромагнитная пленка 6 (IrMn) улучшает временную стабильность намагниченных слоев 3 и 5, а также защищает их от спонтанного перемагничивания [18].

Относительная ориентация векторов намагничивания «свободного» и «закрепленного» слоев определяет сопротивление SDT -резистора, причем это сопротивление минимально при одинаковом направлении векторов намагничивания и максимально при противоположном направлении. Поэтому при изготовлении SDT -преобразователей векторы намагничивания в «свободном» и «закрепленном» слоях при отсутствии внешнего магнитного поля устанавливают ортогонально.

Итак, пусть на магниторезистор воздействует некоторое измеряемое поле B, имеющее направление как показано на
рис. 5.4, б, тогда вектор намагничивания «свободного слоя» M установится в положение M’. Угол между векторами намагничивания пленок 1 и 3 уменьшится с 90 ° до α, и следовательно, увеличится сопротивление датчика. При изменении направления измеряемого поля B на противоположное, сопротивление преобразователя будет увеличиваться. Таким образом, SDT -резисторы в отличие от GMR -устройств чувствительны к направлению измеряемого поля. Зависимость SDT -сопротивления от угла между векторами намагничивания «свободного» (M) и «закрепленного» (M_┴ ) слоев показана на рис. 5.5, а.

Чувствительность SDT -резистора определяется материалом ферромагнитных слоев и особенностями взаимодействия между ними. Существующие ферромагнитные материалы позволяют создавать SDT -устройства, у которых направление намагниченности «свободного» слоя изменяется под воздействием магнитного поля в доли мТл, тем самым обеспечивая возможность создания достаточно чувствительных (для некоторых областей применения) магнитных датчиков. Из-за гистерезиса ферромагнетика пленки, зависимость изменения сопротивления от магнитного поля также имеет гистерезис (кривая 1 на рис. 5.5, а).

Рис. 5.5. Характер функциональной зависимости сопротивления
SDT -элемента от взаимной ориентации векторов намагничивания
и гистерезиса

Для улучшения метрологических характеристик датчиков, SDT -магниторезисторы выпускаются в виде мостовых схем, детально рассмотренных далее (глава VI). Причем, также как и у GMR -элементов, два магниторезистора в составе моста подвергаются воздействию измеряемого магнитного поля, а два других помещаются в электромагнитные экраны, которые одновременно выполняют функцию концентраторов поля для повышения чувствительности. Обычно рядом с элементами моста интегрируют две катушки для создания поля смещения. У одной из них вектор индукции магнитного поля направлен параллельно вектору намагничивания в «закрепленном» слое (вектор M_┴ ), а у другой – параллельно чувствительной оси датчика, т.е. вектору M [18], [20]. Поля первой и второй катушек далее будем называть ортогональным и параллельным полями смещения соответственно. Обе катушки необходимы для улучшения характеристик датчика.

Как упоминалось, характеристика SDT -устройства имеет гистерезис (кривая 1, рис. 5.5, б). Если же увеличивать ортогональное поле смещения, то характеристика датчика становится более линейной и гистерезис уменьшается (кривая 2, рис. 5.5, б). Еще большего уменьшения гистерезиса можно добиться, сделав параллельное поле смещения переменным. При одной полярности параллельное поле смещения будет суммироваться с измеряемым магнитным полем, а при другой – вычитаться из него. Гистерезисное же смещение в первом случае будет прибавляться, а во втором случае вычитаться из выходного сигнала. Благодаря этому на выходе датчика будет иметь место сигнал с переменной составляющей, усреднив который с помощью ФНЧ, можно получить безгистерезисную характеристику SDT -элемента (кривая 3, рис. 5.5, в). Очевидно, что частота параллельного поля смещения должна быть значительно больше частоты измеряемого магнитного поля.

При отсутствии внешнего магнитного поля на выходе SDT -датчика присутствует сигнал смещения. Это происходит из-за того, что векторы намагничивания «свободного» и «закрепленного» слоев установлены не совсем перпендикулярно. Пропуская через вспомогательную катушку, создающую параллельное поле смещение, ток определенной величины и полярности, добиваются устранения данного недостатка. Вспомогательную катушку часто используют и для введения отрицательной обратной связи, которая существенно улучшает метрологические характеристики SDT -устройства. Отличительной особенностью датчиков SDT - от GMR -устройств является возможность изготовления их с широким диапазоном начального сопротивления. Современная индустрия производит SDT -магниторезисторы с начальным сопротивлением от единиц до десятков килоом. Но существует возможность изготавливать датчики и с более высоким сопротивлением, благодаря чему значительно уменьшается ток, протекающий через мост SDT -элементов, а значит, пропорционально снижается потребляемая им мощность.