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磁性隧道结经过结构优化和性能提升已成功应用于磁存储、磁传感、磁逻辑等多种自旋电子学器件中. 磁传感是利用磁性隧道结的自由层和钉扎层之间特殊的磁结构来实现隧穿磁电阻(TMR)随外加磁场变化而呈现的线性输出. 迄今为止, 人们基于MgO磁性隧道结已经研发出五种TMR线性传感单元, 分别是人工间接双交换耦合型、磁场偏置型、面内/面外垂直型、超顺磁型的TMR线性传感单元. 本文梳理了这五种TMR线性传感单元并对它们的磁传感性能进行了系统比较, 为人们探索和发现磁敏传感器的相关应用提供了帮助.
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关键词:
- 磁性隧道结 /
- 隧穿磁电阻线性传感单元 /
- 磁敏传感器
Magnetic tunnel junction (MTJ) has been successfully used in spintronic devices, such as magnetoresistive random access memory, tunneling magnetoresistance (TMR) sensor, magnetic logic. In the TMR sensor a special magnetic structure is used between the free layer and the pinned layer of an MTJ to realize a linear output. So far, five types of TMR linear sensing units (TMR-LSNs) have been developed based on MgO MTJs, which are artificial-indirect-double-exchange-coupling-, magnetic-field-biased-, in-plane-, perpendicular-, and superparamagnetic-TMR-LSN, respectively. In this paper, the five types of TMR-LSNs are combed and their magnetic sensing performances are systematically compared with each other. First, the five types of TMR-LSNs each have a linear resistance response to the external magnetic field with a changeable sensitivity, a linear field range and a low frequency noise level. Second, in the five types of TMR-LSNs different magnetic structures are used to realize the same aim that is to obtain the optimized performance parameters, which is of significance for putting TMR sensors into practical applications. Third, the five types of TMR-LSNs are suitable for different application scenarios due to their respective performance parameters. Therefore, we believe that our summarized discussion in this paper will help people to explore and find the relevant applications of TMR sensors based on the five types of TMR-LSNs.-
Keywords:
- magnetic tunnel junction /
- tunneling magnetoresistance linear sensing unit /
- magnetoresistive sensors
1. 引 言
自从1975年自旋极化的隧穿磁电阻(tunneling magnetoresistance, TMR)效应发现以来, 磁性隧道结(magnetic tunnel junction, MTJ)的自旋输运研究逐步深入[1-8]. 首先是1995年在非晶AlOx势垒的MTJ中首次发现了室温TMR效应[2,3], 随后AlOx势垒的MTJ制备技术被越来越多的课题组掌握, 并且室温TMR比值也越做越高[9,10]. 与此同时, 理论预测了单晶势垒的MTJ中有更大的TMR比值. 如Oleinik等[11]根据第一性原理计算方法研究了Co(111)/α-Al2O3(0001)/Co三明治型MTJ的输运性质, 紧接着Butler等[5]以及Mathon和Umersky[6]在单晶Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)的MTJ中预言了超过1000%的TMR比值. 由此可知, 相比于非晶AlOx势垒, 单晶势垒的MTJ具有更高的室温TMR比值 [7,8]. 由此, MTJ的自旋输运研究进入到单晶MgO为势垒的快车道, 在理论预言7年后, 日本课题组就在高温退火后的CoFeB/MgO/CoFeB这种赝自旋阀型MTJ中获得了室温超过600%(1100%@5 K)的TMR比值[12]. 随后, 具有高TMR的单晶MgO势垒的MTJ被更多的实验室做出来[13]. 紧接着, 在高TMR的MTJ材料体系中有更多类型的单晶势垒材料(如AB2O4型尖晶石氧化物MgAl2O4等)被预言[14]并且被证实.
在利用磁控溅射制备技术制备出的CoFeB/MgO/CoFeB类型的MTJ中[7,12,13], CoFeB在制备态是非晶的, 经过高温退火后在CoFeB/MgO界面处形成晶化的CoFe/MgO[15], 从而大幅度提高这类MTJ的TMR比值[12]. 另外, 在CoFeB/MgO/CoFeB的MTJ中铁磁性金属电极CoFeB随着厚度的降低能够从面内各向异性转变到垂直各向异性[16]; 在完全垂直的CoFeB/MgO/CoFeB MTJ中可以获得超过120%的室温TMR比值[17]. 因此, 如果能够制备出CoFeB(面内各向异性)/MgO/CoFeB(垂直各向异性)类型的MTJ, 则可以实现TMR线性输出的磁传感功能[18]. 在单个MgO MTJ中, 除了上述获得磁传感的方法外, 还可以利用均具有面内各项异性的铁磁性电极和MgO势垒组成的MTJ, 经过二次退火等工艺技术[19,20]或利用铁磁性金属电极的形状各向异性[21]后, 实现TMR线性输出的磁传感功能[19-22].
MTJ作为自旋电子学的一个重要研究方向, 在磁传感方面有着巨大的应用潜能[18-22](我国智能传感器市场分析报告预计2022年磁传感器的全球商业市场达到25亿美元[23]). 截至目前, 磁敏传感器已广泛应用于包括工业、生物医学、地球物理、航空航天和汽车等多个领域. 鉴于磁敏传感器的广泛应用以及MTJ线性磁传感的重要性[24], 本文主要针对五种基于单一MgO MTJ结构的TMR线性传感单元的性能进行了系统比较, 并且探讨了TMR线性传感单元的设计优化方向. 与文献[24]中的结果相比, 本文专注于五种基于MgO MTJ的TMR线性传感单元的性能参数比对以及它们各自在应用时的可能表现. 可以发现, TMR线性传感单元在应用时需要考虑到它的综合性能参数; 另外, 尽管每种类型的TMR线性传感单元的性能指标有差异, 但不同TMR线性传感单元可适用于不同类型的TMR磁敏传感器, 从而满足TMR磁敏传感器多样性的应用需求.
2. 构成TMR线性传感单元的MTJ结构
截至目前, 人们研发出的以MgO MTJ结构为基础的TMR线性传感单元主要有五种, 分别是超顺磁型、面外垂直型、面内垂直型、人工间接双交换耦合型和磁场偏置型的TMR线性传感单元, 如图1和表1所示. 这五种TMR线性传感单元的探测层在面内磁场的作用下可输出线性磁传感信号. 下面在介绍这几种TMR线性传感单元的同时根据TMR磁敏传感器的主要性能参数(TMR比值、灵敏度、线性磁场范围、噪声指数、非线性度等)来对它们的性能进行比较.
图 1 基于单一MTJ结构的五种TMR线性传感单元的示意图, 其中反铁磁性层、铁磁性金属层(超顺磁性层)、势垒层是构成MTJ结构的主要材料层, (d) 图中的弹簧结构代表的是人工交换耦合结构的交换相互作用强度, 它决定了人工间接双交换耦合型的TMR线性传感单元的诸多性能参数Fig. 1. Sketch of five TMR linear sensing units based on a single MTJ, the antiferromagnetic layer, ferromagnetic metal layer (superparamagnetic layer) and barrier layer are the main layers of an MTJ structure. The spring structure in Fig.(d) represents the exchange interaction strength of the synthetic exchange-coupling structure, which determines many performance parameters of the synthetic indirect-double-exchange-coupling TMR linear sensing unit.表 1 基于单一 MgO MTJ的五种TMR线性传感单元的性能参数Table 1. Performance parameters of five TMR linear sensing units based on a single MTJ.第一种超顺磁型TMR线性传感单元, 主要结构如图1(a)所示, 以超顺磁性材料作为双势垒MTJ(反铁磁性层1/铁磁性金属层1/势垒层1/超顺磁性层/势垒层2/铁磁性金属层2/反铁磁性层2)的自由层. 该自由层的磁矩随着外加磁场而改变, 是TMR线性传感单元的探测层[25]. 在这类超顺磁型的TMR线性传感单元中, 在改变自由层厚度的情况下, 可以实现TMR比值、灵敏度、线性磁场范围、噪声指数等性能参数的大范围调控. 因此, 随着自由层厚度的改变, 该类型的TMR线性传感单元不仅可以获得高灵敏度和窄线性磁场范围的结果, 也可以得到低灵敏度和宽线性磁场范围的结果.
第二种面外垂直型TMR线性传感单元, 主要结构如图1(b)所示, 以具有面内和垂直各向异性的铁磁性电极构成的MTJ (垂直各向异性铁磁性电极/势垒层/面内各向异性铁磁性电极)为基础的TMR线性磁传感结构[18,22], 其中垂直各向异性铁磁性电极作为线性传感单元的探测层. 垂直各向异性的铁磁性电极能够在一定厚度范围内保持其垂直各向异性. 因此, 该类型的TMR线性传感单元的性能参数随着垂直各向异性铁磁性电极厚度的改变可实现性能参数大范围的调控. 不过, 由于探测层自身的垂直各向异性, 该类型的TMR线性传感单元的最小线性磁场范围依然很大.
第三种面内垂直型TMR线性传感单元, 主要结构如图1(c)所示, 以利用二次退火工艺技术实现两个面内各向异性铁磁性电极的磁矩相互垂直的MTJ (反铁磁性层/铁磁性金属层1/势垒层/铁磁性金属层2)作为TMR线性传感单元[21], 其中铁磁性金属层2作为TMR线性传感单元的探测层. 该类型的TMR线性传感单元利用探测层的轭形(Yoke shape)形状及其尺寸变化来改变探测层的形状各向异性大小, 从而达到调控该类型TMR线性传感单元的灵敏度、线性磁场范围、噪声指数等性能参数的目的.
第四种人工间接双交换耦合型TMR线性传感单元, 主要结构如图1(d)所示, 以人工间接双钉扎磁性耦合结构构成的MTJ(反铁磁性层1/非磁性金属层1/铁磁性金属层1/势垒层2/铁磁性金属层2/非磁性金属层2/反铁磁性层2)作为TMR线性传感单元[19,20,26], 其中铁磁性金属层2作为TMR线性传感单元的探测层. 图1(d)中的Ru(t1)和Ru(t2)代表的是人工间接双交换耦合磁性结构中的非磁性金属层Ru, 其厚度分别是t1和t2. 该类型的TMR磁敏传感器单元在经过两次退火工艺技术后两个面内各向异性的铁磁性电极(铁磁性金属层1和2)的磁矩形成相互垂直的磁结构. 该类型的TMR线性传感单元的性能参数也是可以调控的, 主要通过改变非磁性金属层的厚度来实现.
第五种磁场偏置型TMR线性传感单元, 主要结构可以是上述第一到第四种TMR线性传感单元的任意一种[26], 也可以是正常的MgO MTJ[27], 如图1(e)所示. 该类型的TMR线性传感单元的实现条件是在垂直于探测层易轴方向人为地施加一个偏置场(HB), 并且可以通过改变HB的大小来实现其性能参数的调控. 除了人为施加HB的方法外, 也可以利用永磁材料来提供一个HB [28]. 相比于永磁材料, 人为施加的HB更具有优势, 可以大幅度调控传感器的性能参数. 另外, 磁场偏置型的TMR线性传感单元可以有效降低探测层的磁滞现象[26], 这在TMR线性传感单元设计、优化中尤为重要.
3. 五种TMR线性传感单元的性能比较
这五种TMR线性传感单元在磁传感性能上各有优缺点, 如表1所列. 除磁场偏置型外, 表1列出的其余四种TMR线性传感单元的性能参数是经过优化后的结果. 这五种TMR线性传感单元的TMR比值都很高, 除了面外垂直型, 其余四种TMR线性传感单元的TMR比值均超过100%. 高的TMR比值是信噪比的基础. 而对于灵敏度而言, 超顺磁型、面内垂直型、人工间接双交换耦合型、磁场偏置型的TMR线性传感单元的最高灵敏度都比较大, 远远大于面外垂直型的0.02%/Oe (
1Oe=1034πA/m ). 由于灵敏度和线性磁场范围是一对矛盾体, 因此, 虽然面外垂直型的TMR线性传感单元的灵敏度低, 但是其线性磁场范围很大, 可达到600 Oe, 比其他四种类型的TMR线性传感单元的线性磁场范围大几倍; 同时在面外垂直型的传感器单元中非线性度也比较小(≤1%).下面讨论一下这几种TMR线性传感单元的噪声指数. 如表1所列, 这五种TMR线性传感单元的噪声指数都不低, 10 Hz的时候均在nT量级以上. 在不使用磁通聚集器[29]的情况下, 这几乎是单一MTJ作为TMR线性传感单元所能达到的噪声指数的最好水平(~10 nT@1 Hz). 需要说明一下, 超顺磁型TMR线性传感单元的噪声指数比较高, 达到了90 nT@10 Hz, 这主要是因为较薄的铁磁性金属材料CoFeB的磁噪声增加的缘故. 另外, 表1给出了两种人工间接双交换耦合型的TMR线性传感单元, 从中可以发现通过优化探测层实现了噪声指数的大幅度降低. CoFeSiB(30 nm)/Ru/CoFeB[26]作为探测层的噪声指数只有CoFeB (3 nm)/Ru/IrMn [19]作为探测层的噪声指数的1/20, 同时灵敏度提升了约50%, 尽管线性磁场范围缩小了1/2左右. 由此也可以得出一个结论, 以单一的MTJ结构为基础的TMR线性传感单元的优化有着很长的路可走.
从应用的角度来说, 对于需要满足宽线性磁场范围(几百Oe)同时灵敏度不高的应用场景, 建议采用面外垂直型的TMR线性传感单元; 如果需要满足高磁场灵敏度和相对宽线性磁场范围(上百Oe), 则建议使用磁场偏置型的TMR线性传感单元; 如果需要满足高磁场灵敏度(约4%/Oe)和低噪声指数(约10 nT@1 Hz), 则建议使用人工间接双交换耦合型和面内垂直型的TMR线性传感单元; 如果需要非线性度小(约1%), 则建议以面外垂直型或者人工间接双交换耦合型的TMR线性传感单元为主. 因此, 需要根据实际应用场景来选择不同类型的TMR线性传感单元. 据了解, 人工间接双交换耦合型和面内/面外垂直型等类型的TMR线性传感单元的磁敏传感器均到达了产品应用阶段, 这充分说明TMR磁敏传感器存在着多样化的应用需求.
4. TMR线性传感单元的设计、优化方向建议
从材料结构的角度来说, 构成TMR磁敏传感器的基本单元就是TMR线性传感单元. 因此, TMR线性传感单元的性能在一定程度上决定了TMR磁敏传感器的性能, 尤其是TMR线性传感单元在进行了串并联和桥式结构设计集成之后. 由此可见, 只有选择好的MTJ材料结构, 才有可能获得高质量的TMR线性传感单元; 同时, 只有选择综合性能良好的TMR线性传感单元, 才有可能设计优化出高性能的TMR磁敏传感器.
图2给出了MTJ材料结构, TMR线性传感单元和TMR磁敏传感器的各项性能参数关系图. 从图2可以知道, MTJ材料结构仅关注TMR比值和噪声指数, 而TMR线性传感单元和TMR磁敏传感器还关注更多的性能参数. 另外, 根据图2, 可以了解TMR线性传感单元和TMR磁敏传感器设计、优化的方向. 例如, 针对TMR磁敏传感器的性能设计、优化, 人们会想办法来提升TMR线性传感单元的TMR比值、灵敏度、线性磁场范围、噪声指数、非线性度等多项性能参数.
图 2 MTJ材料结构, TMR线性传感单元和TMR磁敏传感器的性能参数关系图Fig. 2. Performance parameter diagram of an MTJ, a TMR linear sensing unit, and a TMR magnetoresistive sensor.TMR比值是MTJ的基本性能参数. 如引言部分所述, 非晶AlOx势垒的MTJ的TMR比值比单晶MgO为势垒的MTJ低很多, 在选择势垒材料时会优先选择单晶MgO为势垒的MTJ作为TMR线性传感单元. 另外, 在为TMR线性传感单元选择铁磁性金属电极时, 不是自旋极化率越高的铁磁性金属电极就越适合, 而是需要满足矫顽力小、饱和磁化强度低的铁磁性金属材料. 通常情况下, 会在单一铁磁性金属材料的基础上组成复合磁性多层膜结构[25]作为TMR线性传感单元的探测层.
在TMR线性传感单元中, 灵敏度、线性磁场范围是一对矛盾体, 有没有破解的方法可循呢? 有, 更多的是在探测层的磁性结构上进行优化. 如在表1中, 针对人工双交换耦合型的TMR线性传感单元, 这里仔细比较一下CoFeB(1 nm)/Ru(0.2 nm/CoFeSiB(30 nm)[26]和CoFeB(2 nm)/ Ru(0.3 nm)/IrMn(6 nm) [19]作为探测层的性能参数. 在TMR相近的情况下, 文献[26]中的TMR线性传感单元的灵敏度、线性磁场范围分别是3.9%/Oe, ~28 Oe; 而文献[19]中的结果分别是2.6%/Oe, ~60 Oe. 很显然, 软磁性材料作为探测层能够大幅提升灵敏度, 虽然这也是牺牲了一定的线性磁场范围为代价. 因此, 文献[26]中的TMR线性传感单元不仅灵敏度得到提升, 而且噪声指数也得到大幅抑制, 从而导致以软磁性材料作为探测层的人工间接双交换耦合型的TMR线性传感单元几乎完胜. 众所周知, 噪声指数在实际的应用场景中是越低越好, 然而受限于TMR线性传感单元的背景噪声, 并不是每一种TMR线性传感单元都拥有较低的噪声指数.
一般情况下, 人们对TMR线性传感单元的非线性度讨论得较少, 只有针对TMR磁敏传感器的应用时, 才会给出非线性度的结果. 这主要是因为铁磁性金属材料本身的磁滞效应导致任何的TMR磁敏传感器均无法完全克服非线性度. 而且, 非线性度是随着磁场变化的[18], 这更增加了非线性度的优化难度. 因此, 针对不同类型的TMR线性传感单元及磁敏传感器, 非线性度的优化是一个长期的过程. 另外, 由于TMR磁敏传感器的应用场景对其性能的严格要求, 温度稳定性是其中一个很重要的参数(图2). 尽管温度在实际的应用场景中, 更多时候是作为环境变量存在的. 在考虑温度稳定性的情况下, 人们会发现当作为探测层的铁磁性金属材料较薄时, 如表1中的超顺磁型TMR线性传感单元, 由于其温度稳定性差, 是不利于在TMR磁敏传感器中应用的.
综合而言, TMR线性传感器无论从自身性能还是从应用角度, 都需要考虑TMR线性传感单元在经过桥式设计集成之后的综合性能, 单一的TMR线性传感单元的性能指标只能作为初始的参考. 尽管如此, 我们通过对表1中五种TMR线性传感单元的性能比对，不难发现哪些类型的TMR线性传感单元更有应用价值. 对于有应用价值的TMR线性传感单元, 需要结合TMR磁敏传感器的应用场景去全力优化其综合性能 (除上述已讨论的诸多性能外, 还包括图2所示的抗强磁干扰、空间抗辐射、环境减振等), 这样更有利于TMR磁敏传感器的实际应用.
5. 结 论
本文回顾了基于单一MgO MTJ材料结构的五种(超顺磁型、面外垂直型、面内垂直型、人工间接双交换耦合型、磁场偏置型)TMR线性传感单元, 并比较了这五种TMR线性传感单元的性能, 同时讨论了这五种TMR线性传感单元在应用时的可能表现. 发现TMR线性传感单元的性能设计优化主要是以MTJ材料结构的综合性能为基础, 并根据TMR线性传感器的应用场景需要来设计优化的. 这完全不同于MTJ材料结构本身的设计优化, 如引言部分所述, 它是以TMR比值、噪声指数等为优化依据的.
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图 1 基于单一MTJ结构的五种TMR线性传感单元的示意图, 其中反铁磁性层、铁磁性金属层(超顺磁性层)、势垒层是构成MTJ结构的主要材料层, (d) 图中的弹簧结构代表的是人工交换耦合结构的交换相互作用强度, 它决定了人工间接双交换耦合型的TMR线性传感单元的诸多性能参数
Fig. 1. Sketch of five TMR linear sensing units based on a single MTJ, the antiferromagnetic layer, ferromagnetic metal layer (superparamagnetic layer) and barrier layer are the main layers of an MTJ structure. The spring structure in Fig.(d) represents the exchange interaction strength of the synthetic exchange-coupling structure, which determines many performance parameters of the synthetic indirect-double-exchange-coupling TMR linear sensing unit.
图 2 MTJ材料结构, TMR线性传感单元和TMR磁敏传感器的性能参数关系图
Fig. 2. Performance parameter diagram of an MTJ, a TMR linear sensing unit, and a TMR magnetoresistive sensor.
表 1 基于单一 MgO MTJ的五种TMR线性传感单元的性能参数
Table 1. Performance parameters of five TMR linear sensing units based on a single MTJ.
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