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TMR与GMR传感器1/f噪声的研究进展

吴少兵 陈实 李海 杨晓非

TMR与GMR传感器1/f噪声的研究进展

吴少兵, 陈实, 李海, 杨晓非
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  • 隧道结磁阻(TMR) 传感器及巨磁阻(GMR) 传感器的1/f噪声在低频段噪声功率密度较大, 是影响其低频下分辨率和灵敏度的主要噪声形式. 本文详细介绍了近年来TMR传感器及GMR传感器1/f噪声的特点、来源、理论模型、检测方法及降噪措施等方面的研究进展, 并就隧道结磁阻传感器1/f噪声的物理模型进行了详细解释. 通过纳米模拟软件Virtual NanoLab对不同MgO厚度的Fe/MgO/Fe型磁性隧道结(MTJ) 进行了隧穿概率和TMR变化率的模拟计算, 得到保守估计与乐观估计的TMR变化率, 分别为98.1%与10324.55%, 同时通过MTJ的噪声模型分析了MgO厚度对TMR传感器噪声的影响. 制备了磁屏蔽系数大于10000的磁屏蔽筒并搭建了磁阻传感器1/f噪声的测试平台, 通过测试验证了磁屏蔽系统对环境磁场具有较好的屏蔽效果, 为噪声检测提供了稳定的磁场空间. 最后分析了TMR与GMR中各种因素对传感器噪声的影响, 提出了影响MTJ传感器1/f噪声的因素及一些降噪措施.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60871018)资助的课题.
    [1]

    Scola J, Polovy H, Fermon C, Pannetier M, Feng G, Fahy K, Coey J M 2007 Appl. Phys. Lett. 90 252501

    [2]

    Kurt H, Oguz K, Niizeki T, Coey J M D 2010 J. Appl. Phys. 107 083920

    [3]

    Edelstein A S, Fischer G, Pulskamp J, Pedersen M, Bernard W 2006 J. Appl. Phys. 99 08B317

    [4]

    Stutzke N A, Russek S E, Pappas D P, Tondra M 2005 J. Appl. Phys. 97 10Q107

    [5]

    Peng S Q, Du L, Zhuang Y Q, Bao J L, He L, Chen W H 2008 Acta Phys. Sin. 57 5205 (in Chinese) [彭绍泉, 杜磊, 庄弈琪, 包军林, 何亮, 陈伟华 2008 物理学报 57 5205]

    [6]

    Du L, Zhuang Y Q, Xue L J 2002 Acta Phys. Sin. 51 2836(in Chinese) [杜磊, 庄弈琪, 薛丽君 2002 物理学报 51 2836]

    [7]

    Liang Z P, Dong Z C 2010 Acta Phys. Sin. 59 1288 (in Chinese) [梁志鹏, 董正超 2010 物理学报 59 1288]

    [8]

    Yu G Q, Diao Z, Feng J F, Kurt H, Han X F, Coey J M D 2011 Appl. Phys. Lett. 98 112504

    [9]

    Feng J F, Diao Z, Feng G, Nowak E R, Coey J M D 2010 Appl. Phys.Lett. 96 052504

    [10]

    Herranz D, Bonell F, Gomez-Ibarlucea A 2010 J. Appl. Phys. 96 202501

    [11]

    Guerrero R, Pannetier-Lecoeur M, Fermon C, Cardoso S, Freitas P P 2009 J. Appl. Phys. 105 113922

    [12]

    Egelhoff Jr W F, Pong P W T, Unguris J, McMichael R D, Nowakc E R, Edelsteind A S, Burnetted J E, Fischer G A 2009 Sens. Actuators 155 217

    [13]

    Nowak E R, Weissman M B, Parkin S S P 1999 Appl. Phys. Lett. 74 600

    [14]

    Jiang L, Nowak E R, Scott P E, Johnson J, Slaughter J M, Sun J J 2004 Phys. Rev. B 69 054407

    [15]

    Nowak E R, Merithew R D, Weissman M B, Bloom I, Parkin S S P 1998 J. Appl. Phys. 84 6195

    [16]

    Ingvarsson S, Xiao G, Parkin S S P, Gallagher W J, Grinstein G, Koch R H 2000 Phys. Rev. Lett. 85 3289

    [17]

    Gokce A, Nowak E R, Yang S H, Pankin S S P 2006 J. Appl. Phys. 99 08A906

    [18]

    Stearrett R, Wang W G, Shah L R, Gokce Aisha, Xiao J Q, Nowak E R 2010 J. Appl. Phys. 107 064502

    [19]

    Bhattacharya D K, Vaidyanathan S 1997 J. Magn. Magn. Mater. 166 111

    [20]

    Hooge F N, Kleinpenning T G M, Vandamme L K J 1981 Rep. Prog. Phys. 44 31

    [21]

    Xiao M, Klaassen K B 2000 IEEE Trans. Magn. 36 5

    [22]

    Ren C, Liu X, Schrag B D, Xiao G 2004 Phys. Rev. B 69 104405

    [23]

    Klaassen K B, Van Peppen J C L, Xing X 2005 J. Appl. Phys. 93 8573

    [24]

    Ozbay A, Gokce A, Flanagan T, Stearrett R A, Nowak E R, Nordman C 2009 Appl. Phys. Lett. 94 023502

    [25]

    Smith N, Amett P 2001 Appl. Phys. Lett. 78 1448

    [26]

    Almeida J M, Ferreira R, Freitas P P, Langer J, Ocker B, Maass W 2006 J. Appl. Phys. 99 08B314

    [27]

    Jander A, Nordman C A, Pohm A V, Anderson J M 2003 J.Appl. Phys. 93 10

    [28]

    Tsang C, Fontana R E, Lin T, Heim D E 1994 IEEE Trans. Magn. 30 3801

    [29]

    Ferreira R, Wisniowski P, Freitas P P, Langer J, Ocker B, Maass W 2006 J. Appl. Phys. 99 08K706

    [30]

    Wang W G, Ni C, Rumaiz A, Wang Y, Fan X, Moriyama T, Cao R, Wen Q Y, Zhang H W, Xiao J Q 2008 Appl. Phys. Lett. 92 152501

    [31]

    Dutta P, Horn P M 1981 Rev. Mod. Phys. 53 497

    [32]

    Wang W G, Jordan-Sweet J, Miao G X, Ni C, Rumaiz A K, Shah L R, Fan X, Parsons P, Stearrett R, Nowak E R, Moodera J S, Xiao J Q 2009 Appl. Phys. Lett. 95 242501

    [33]

    Liou S H, Zhang R, Russek S E, Yuan L, Halloran S T, Pappas D P 2008 J. Appl. Phys. 103 07E920

    [34]

    Aliev F G, Guerrero R, Herranz D, Villar R 2007 Appl. Phys. Lett. 91 232504

    [35]

    Veloso A, Freitas P P, Wei P, Barradas N P, Soares J C, Almeida B, Sousa J B 2000 Appl. Phys. Lett. 77 1020

    [36]

    Hasegawa N, Koile F, Ikarashi K, Ishizone M, Lawamura M, Nakazawa Y, Takahashi A 2002 J. Appl. Phys. 91 8774

    [37]

    Park W K, Moodera J S, Taylor J, Tondra M, Daughton J M, Thomas A, Bruckl H 2003 J. Appl. Phys. 93 7020

    [38]

    Ferreira R, Wisniowski P, Freitas P P, Langer J, Ocker B, Maass W 2006 J. Appl. Phys. 99 08K706

    [39]

    Mazumdar D, Liu X, Schrag B D, Shen W, Carter M, Xiao G 2007 J. Appl. Phys. 101 09B502

    [40]

    Mazumdar D, Liu X, Schrag B D, Carter M, Shen W, Xiao G 2007 Appl. Phys. Lett. 91 033507

    [41]

    Schrag B D, Anguelouch A, Invarsson S, Xiao G, Lu Y, Trouilloud P L, Gupta A, Wanner R A, Gallagher W J, Rice P M, Parkin S S P 2000 Appl. Phys. Lett. 77 2373

    [42]

    Chaves R C, Freitas P P, Ocker B, Maass W 2007 Appl. Phys. Lett. 91 102504

    [43]

    Chaves R C, Freitas P P, Ocker B, Maass W 2008 J. Appl. Phys. 103 07E931

    [44]

    Lhermet H, Cuchet R, Rochaz L V, Vaudaine M H 2000 IEEE Trans.Magn. 36 5

    [45]

    Nor A F M, Hill E W 2002 IEEE Trans.Magn. 38 5

    [46]

    Diao Z, Feng J F, Kurt H 2010 Appl. Phys. Lett. 96 202506

    [47]

    Ikeda S, Hayakawa J, Ashizawa Y, Lee Y M, Miura K, Hasegawa H, Tsunoda M, Matsukura F, Ohno H 2008 Appl. Phys. Lett. 93 082508

  • [1]

    Scola J, Polovy H, Fermon C, Pannetier M, Feng G, Fahy K, Coey J M 2007 Appl. Phys. Lett. 90 252501

    [2]

    Kurt H, Oguz K, Niizeki T, Coey J M D 2010 J. Appl. Phys. 107 083920

    [3]

    Edelstein A S, Fischer G, Pulskamp J, Pedersen M, Bernard W 2006 J. Appl. Phys. 99 08B317

    [4]

    Stutzke N A, Russek S E, Pappas D P, Tondra M 2005 J. Appl. Phys. 97 10Q107

    [5]

    Peng S Q, Du L, Zhuang Y Q, Bao J L, He L, Chen W H 2008 Acta Phys. Sin. 57 5205 (in Chinese) [彭绍泉, 杜磊, 庄弈琪, 包军林, 何亮, 陈伟华 2008 物理学报 57 5205]

    [6]

    Du L, Zhuang Y Q, Xue L J 2002 Acta Phys. Sin. 51 2836(in Chinese) [杜磊, 庄弈琪, 薛丽君 2002 物理学报 51 2836]

    [7]

    Liang Z P, Dong Z C 2010 Acta Phys. Sin. 59 1288 (in Chinese) [梁志鹏, 董正超 2010 物理学报 59 1288]

    [8]

    Yu G Q, Diao Z, Feng J F, Kurt H, Han X F, Coey J M D 2011 Appl. Phys. Lett. 98 112504

    [9]

    Feng J F, Diao Z, Feng G, Nowak E R, Coey J M D 2010 Appl. Phys.Lett. 96 052504

    [10]

    Herranz D, Bonell F, Gomez-Ibarlucea A 2010 J. Appl. Phys. 96 202501

    [11]

    Guerrero R, Pannetier-Lecoeur M, Fermon C, Cardoso S, Freitas P P 2009 J. Appl. Phys. 105 113922

    [12]

    Egelhoff Jr W F, Pong P W T, Unguris J, McMichael R D, Nowakc E R, Edelsteind A S, Burnetted J E, Fischer G A 2009 Sens. Actuators 155 217

    [13]

    Nowak E R, Weissman M B, Parkin S S P 1999 Appl. Phys. Lett. 74 600

    [14]

    Jiang L, Nowak E R, Scott P E, Johnson J, Slaughter J M, Sun J J 2004 Phys. Rev. B 69 054407

    [15]

    Nowak E R, Merithew R D, Weissman M B, Bloom I, Parkin S S P 1998 J. Appl. Phys. 84 6195

    [16]

    Ingvarsson S, Xiao G, Parkin S S P, Gallagher W J, Grinstein G, Koch R H 2000 Phys. Rev. Lett. 85 3289

    [17]

    Gokce A, Nowak E R, Yang S H, Pankin S S P 2006 J. Appl. Phys. 99 08A906

    [18]

    Stearrett R, Wang W G, Shah L R, Gokce Aisha, Xiao J Q, Nowak E R 2010 J. Appl. Phys. 107 064502

    [19]

    Bhattacharya D K, Vaidyanathan S 1997 J. Magn. Magn. Mater. 166 111

    [20]

    Hooge F N, Kleinpenning T G M, Vandamme L K J 1981 Rep. Prog. Phys. 44 31

    [21]

    Xiao M, Klaassen K B 2000 IEEE Trans. Magn. 36 5

    [22]

    Ren C, Liu X, Schrag B D, Xiao G 2004 Phys. Rev. B 69 104405

    [23]

    Klaassen K B, Van Peppen J C L, Xing X 2005 J. Appl. Phys. 93 8573

    [24]

    Ozbay A, Gokce A, Flanagan T, Stearrett R A, Nowak E R, Nordman C 2009 Appl. Phys. Lett. 94 023502

    [25]

    Smith N, Amett P 2001 Appl. Phys. Lett. 78 1448

    [26]

    Almeida J M, Ferreira R, Freitas P P, Langer J, Ocker B, Maass W 2006 J. Appl. Phys. 99 08B314

    [27]

    Jander A, Nordman C A, Pohm A V, Anderson J M 2003 J.Appl. Phys. 93 10

    [28]

    Tsang C, Fontana R E, Lin T, Heim D E 1994 IEEE Trans. Magn. 30 3801

    [29]

    Ferreira R, Wisniowski P, Freitas P P, Langer J, Ocker B, Maass W 2006 J. Appl. Phys. 99 08K706

    [30]

    Wang W G, Ni C, Rumaiz A, Wang Y, Fan X, Moriyama T, Cao R, Wen Q Y, Zhang H W, Xiao J Q 2008 Appl. Phys. Lett. 92 152501

    [31]

    Dutta P, Horn P M 1981 Rev. Mod. Phys. 53 497

    [32]

    Wang W G, Jordan-Sweet J, Miao G X, Ni C, Rumaiz A K, Shah L R, Fan X, Parsons P, Stearrett R, Nowak E R, Moodera J S, Xiao J Q 2009 Appl. Phys. Lett. 95 242501

    [33]

    Liou S H, Zhang R, Russek S E, Yuan L, Halloran S T, Pappas D P 2008 J. Appl. Phys. 103 07E920

    [34]

    Aliev F G, Guerrero R, Herranz D, Villar R 2007 Appl. Phys. Lett. 91 232504

    [35]

    Veloso A, Freitas P P, Wei P, Barradas N P, Soares J C, Almeida B, Sousa J B 2000 Appl. Phys. Lett. 77 1020

    [36]

    Hasegawa N, Koile F, Ikarashi K, Ishizone M, Lawamura M, Nakazawa Y, Takahashi A 2002 J. Appl. Phys. 91 8774

    [37]

    Park W K, Moodera J S, Taylor J, Tondra M, Daughton J M, Thomas A, Bruckl H 2003 J. Appl. Phys. 93 7020

    [38]

    Ferreira R, Wisniowski P, Freitas P P, Langer J, Ocker B, Maass W 2006 J. Appl. Phys. 99 08K706

    [39]

    Mazumdar D, Liu X, Schrag B D, Shen W, Carter M, Xiao G 2007 J. Appl. Phys. 101 09B502

    [40]

    Mazumdar D, Liu X, Schrag B D, Carter M, Shen W, Xiao G 2007 Appl. Phys. Lett. 91 033507

    [41]

    Schrag B D, Anguelouch A, Invarsson S, Xiao G, Lu Y, Trouilloud P L, Gupta A, Wanner R A, Gallagher W J, Rice P M, Parkin S S P 2000 Appl. Phys. Lett. 77 2373

    [42]

    Chaves R C, Freitas P P, Ocker B, Maass W 2007 Appl. Phys. Lett. 91 102504

    [43]

    Chaves R C, Freitas P P, Ocker B, Maass W 2008 J. Appl. Phys. 103 07E931

    [44]

    Lhermet H, Cuchet R, Rochaz L V, Vaudaine M H 2000 IEEE Trans.Magn. 36 5

    [45]

    Nor A F M, Hill E W 2002 IEEE Trans.Magn. 38 5

    [46]

    Diao Z, Feng J F, Kurt H 2010 Appl. Phys. Lett. 96 202506

    [47]

    Ikeda S, Hayakawa J, Ashizawa Y, Lee Y M, Miura K, Hasegawa H, Tsunoda M, Matsukura F, Ohno H 2008 Appl. Phys. Lett. 93 082508

  • [1] 董正超, 邢定钰, 董锦明. 铁磁-超导隧道结中的散粒噪声. 物理学报, 2001, 50(3): 556-560. doi: 10.7498/aps.50.556
    [2] 陈海鹏, 曹军胜, 郭树旭. 高功率半导体激光器结温与1/f噪声的关系研究. 物理学报, 2013, 62(10): 104209. doi: 10.7498/aps.62.104209
    [3] 宋志军, 吕昭征, 董全, 冯军雅, 姬忠庆, 金勇, 吕力. 极低温散粒噪声测试系统及隧道结噪声测量. 物理学报, 2019, 68(7): 070702. doi: 10.7498/aps.68.20190114
    [4] 孙 涛, 陈兴国, 胡晓宁, 李言谨. HgCdTe长波光伏探测器的表面漏电流及1/f噪声研究. 物理学报, 2005, 54(7): 3357-3362. doi: 10.7498/aps.54.3357
    [5] 张振国, 郜峰利, 郭树旭, 李雪妍, 于思瑶. 一种估计半导体激光器1/f噪声参数的新方法. 物理学报, 2009, 58(4): 2772-2775. doi: 10.7498/aps.58.2772
    [6] 林丽艳, 杜磊, 何亮, 包军林. 光电耦合器电离辐射损伤电流传输比1/f噪声表征. 物理学报, 2011, 60(4): 047202. doi: 10.7498/aps.60.047202
    [7] 李扬, 郭树旭. 基于稀疏分解的大功率半导体激光器1/f噪声参数估计的新方法. 物理学报, 2012, 61(3): 034208. doi: 10.7498/aps.61.034208
    [8] 陈文豪, 杜磊, 殷雪松, 康莉, 王芳, 陈松. PbS红外探测器低频噪声物理模型及缺陷表征研究. 物理学报, 2011, 60(10): 107202. doi: 10.7498/aps.60.107202
    [9] 刘庆纲, 胡小唐, 匡登峰, 胡留长, 郭维廉. 纳米隧道结的制备和特性研究. 物理学报, 2006, 55(1): 80-83. doi: 10.7498/aps.55.80
    [10] 包军林, 庄奕琪, 杜 磊, 李伟华, 万长兴, 张 萍. N/P沟道MOSFET1/f噪声的统一模型. 物理学报, 2005, 54(5): 2118-2122. doi: 10.7498/aps.54.2118
    [11] 李瑞珉, 杜 磊, 庄奕琪, 包军林. MOSFET 辐照诱生界面陷阱形成过程的1/f噪声研究. 物理学报, 2007, 56(6): 3400-3406. doi: 10.7498/aps.56.3400
    [12] 杨丽侠, 杜 磊, 陈晓东, 李群伟, 张 莹, 赵志刚, 何 亮, 包军林, 庄奕琪. 60Co γ-射线辐照对肖特基二极管1/f噪声的影响. 物理学报, 2008, 57(9): 5869-5874. doi: 10.7498/aps.57.5869
    [13] 代煜, 张建勋. 基于小波变换和维纳滤波的半导体器件1/f噪声滤波. 物理学报, 2011, 60(11): 110516. doi: 10.7498/aps.60.110516
    [14] 赵启凤, 庄奕琪, 包军林, 胡为. 基于1/f噪声的NPN晶体管辐照感生电荷的定量分离. 物理学报, 2015, 64(13): 136104. doi: 10.7498/aps.64.136104
    [15] 彭绍泉, 杜 磊, 何 亮, 陈伟华, 庄奕琪, 包军林. 基于辐照前1/f噪声的金属-氧化物-半导体场效应晶体管辐照退化模型. 物理学报, 2008, 57(8): 5205-5211. doi: 10.7498/aps.57.5205
    [16] 孙鹏, 杜磊, 陈文豪, 何亮. 基于辐照前1/f噪声的金属-氧化物-半导体场效应晶体管潜在缺陷退化模型. 物理学报, 2012, 61(6): 067801. doi: 10.7498/aps.61.067801
    [17] 刘宇安, 庄奕琪, 杜磊, 苏亚慧. 氮化镓基蓝光发光二极管伽马辐照的1/f噪声表征. 物理学报, 2013, 62(14): 140703. doi: 10.7498/aps.62.140703
    [18] 胡 瑾, 杜 磊, 周 江, 庄奕琪, 包军林. 发光二极管可靠性的噪声表征. 物理学报, 2006, 55(3): 1384-1389. doi: 10.7498/aps.55.1384
    [19] 杜永胜, 严 辉, 应启明, 张国成, 于敦波, 丰家峰, 韩秀峰. 成分调制的La1-xSrxMnO3复合隧道结. 物理学报, 2005, 54(10): 4903-4908. doi: 10.7498/aps.54.4903
    [20] 崔广霁, 孟小凡, 邵凯. 谐振型Josephson隧道结与外加微波的磁耦合(Ⅰ). 物理学报, 1982, 31(12): 1-7. doi: 10.7498/aps.31.1
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-07-11
  • 修回日期:  2012-05-10
  • 刊出日期:  2012-05-05

TMR与GMR传感器1/f噪声的研究进展

  • 1. 华中科技大学 电子科学与技术系, 武汉 430074
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 60871018)资助的课题.

摘要: 隧道结磁阻(TMR) 传感器及巨磁阻(GMR) 传感器的1/f噪声在低频段噪声功率密度较大, 是影响其低频下分辨率和灵敏度的主要噪声形式. 本文详细介绍了近年来TMR传感器及GMR传感器1/f噪声的特点、来源、理论模型、检测方法及降噪措施等方面的研究进展, 并就隧道结磁阻传感器1/f噪声的物理模型进行了详细解释. 通过纳米模拟软件Virtual NanoLab对不同MgO厚度的Fe/MgO/Fe型磁性隧道结(MTJ) 进行了隧穿概率和TMR变化率的模拟计算, 得到保守估计与乐观估计的TMR变化率, 分别为98.1%与10324.55%, 同时通过MTJ的噪声模型分析了MgO厚度对TMR传感器噪声的影响. 制备了磁屏蔽系数大于10000的磁屏蔽筒并搭建了磁阻传感器1/f噪声的测试平台, 通过测试验证了磁屏蔽系统对环境磁场具有较好的屏蔽效果, 为噪声检测提供了稳定的磁场空间. 最后分析了TMR与GMR中各种因素对传感器噪声的影响, 提出了影响MTJ传感器1/f噪声的因素及一些降噪措施.

English Abstract

参考文献 (47)

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