SE528901C2 - Magnetisk filterbarriär - Google Patents

Description

l0 '15 20 25 30 35 528 901 2 en konstant förspänning. Vad gäller brus ökar brusnivån med ökande motstånd, dvs med resistansen R hos anordningen. Följaktligen är ett stort MR- (MagnetoResistancQ-förhållande tillsammans med ett litet motstånd hos anord- ningen nödvändigt för att uppnå optimala prestanda för MTJ-anordningar. Nedan beskrivs hur den förra storheten förhåller sig till spinnpolarisationen hos de ferromagnetiska elektroderna och hur den senare storheten förhåller sig till egenskaperna hos den isolerande barriären.

Ett högt MR-förhâllande kräver avsevärt spinnpolariserade elektrodlager.

Förhållandet mellan MR och spinnpolarisationen P hos elektrodema kan beskrivas med följande, ofia använda, approximation [l] AR/R=21>,P2/(1-P,P,) (1) där P1 och P2 är spinnpolarisationen hos MTJ-anordningens toppelektrod respektive bottenelektrod. De ferromagnetiska övergângsmetallema Fe, Co och Ni samt legeringar av dessa utgör typiska material vilka används som spinnpolariserade elektrodlager i konventionella MTJ:er. Den högsta möjliga spinnpolarisationen som kan uppnås med dessa material är omkring 50% [2]. Således är det högsta möjliga värdet för MR 67% för två elektroder med en spinnpolarisation P = 5 0%, enligt ek- vation (1). Detta kan anses utgöra en grundläggande gräns för MR-förhållandet hos konventionella MT J-anordningar och utgör en rimlig jämförelse i förhållande till vad som hittills rapporterats. Typiska MR-värden för MTJ :er vid rumstemperatur med användande av nämnda elektrodmaterial är 20 till 40% och som bäst upp till omkring 60%, även om detta är sällsynt. Eftersom efierfi-ågan för högre MR-effek- ter hela tiden ökar har många försök gjorts för att gå bortom denna gräns. T ex har försök gjorts med alternativa elektrodmaterial såsom med s k halvmemlliska ferro- magneter med en predikterad spinnpolarisation nära 100% [3] men verkliga halvmetaller har visat sig vara extremt svåra att realisera praktiskt [4]. Resistansen hos en MTJ-anordning bestäms huvudsakligen av resistansen hos det isolerande turmelbarriärlagret eftersom de elektriska ledarnas resistans och de ferromagnetiska elektrodemas resistans i liten utsträckning bidrar till resistansen. Därför utgör barriärlagrets resistans även den huvudsakliga bruskällan i en MT J-anordning.

Dessutom ökar resistansen med inversen av den laterala ytan hos anordningen eftersom strömmen passerar vinkelrätt gentemot lagerplanen. För tillämpningar med hög densitet såsom för MRAM-mirmen blir detta av avgörande betydelse eftersom signal-tíll-brusfórhållandet försämras med minskande ytstorlek för MTJ-cellema.

Det är vanligt att beskriva MTJ-resistansen som resistansen R gånger ytan A (RA).

Produkten RA för den isolerande barriären kan på ett enkelt sätt uttryckas som 10 15 20 25 30 35 528 901 RAMFW, <2) där d är barriärens tjocklek och cp tunnelbarriärens höjd (fig. 1(b)). För tydlighets skull har konstanten J 2m/ 722 utlämnats från den exponentiella termen. Således ökar resistansen exponentiellt med både d och cp och för att kunna minska MTJ-resi- stansen måste barriârtjockleken och/eller barriärhöjden göras mindre. För MRAM- tíllämpningar måste två signaltillstånd hos anordningen detekteras och RAM-värden om 500-1000 Qumz ger acceptabla signal-till-bnisförhållanden. För läshuvuden vilka utnyttjar magnetisk resistans måste signaltillstånd vara detekterbara i ett kontinuerligt intervall och RA-värden i storleksordningen om IOQumZ eller mindre krävs för att vara konkurrenskraftig med dagens läshuvuden vilka utnyttjar . magnetisk resistans och vilka tillhandahålls av storindustrin inom metall. Enligt * teknikens ståndpunkt består det isolerande barriärlagret i MTJ :er av aluminiumoxid, Al2O3. Aluminiumoxid är en stabil oxidisolator vilken kan göras mycket tunn med bibehållen hög grad av kontinuitet avseende lagret. För att uppfylla ovanstående RA-intervall visar det sig att aluminiumoxidbarriärens tjocklek måste vara ultratunn, cirka l nm ñr MRAM-minnen och 0,6-0,7 nm för läshuvuden. Vid dessa tjocklekar försämras typiskt sett den MR:en vilket med största sannolikhet beror på bildandet av kvantpunktdefekter och/eller mikroskopiska nålhål i det ultratunna tunnelbarriärlagret vilka behövs för att uppnå dessa mycket låga RA-värden. Vad som fiämst driver alurniniumoxidbarriärens tjocklek in i detta ultratunna område är den stora barriärhöjden (p om 2,3 till 3 eV som bildas med konventionella material n för ferromagnetiska elelctroder.

För att således ytterligare förbättra MT I -anordningar måste metoder för att både höja spinnpolarisationen och för att minska barriärresistansen tas fiani vilka metoder ej försämrar den MR:en. Med beaktande av ovan beskrivna begränsningar ger dessa vid handen 'att det lämpliga angreppssättet är att göra avsteg från den konventionella MTJ -strukturen Sammanfattning av uppfinningen Uppfinningen är en magnetisk tunnelförbindelse i vilken det enligt teknikens ståndpunkt använda tunnelbarriärlagret av aluminíumoxid är ersatt med ett tunnel- barriärlager bestående av en ferromagnetisk halvledare med lägre barriärhöjd och med en spinnfilterfuriktion. Eftersom spinnkänslighet därigenom introduceras i barriärlagret möjliggör detta att en av de enligt teknikens ståndpunkt använda ferromagnetiska elektrodema kan ersättas med en icke-magnetisk elektrod. En MTJ -anordning innefattande en sådan spinnfilterbarriär med en låg effektiv barriärhöjd utlovar en förhöjd MR-effekt med justerbar resistans och en enklare struktur för en MTJ-anordning. 10 15 20 25 30 35 528 901 4 För full förståelse för ovan nämnda särdrag och ytterligare sâdrag hos föreliggande uppfinning hänvisas läsaren till följ ande detaljerade beskrivning med medföljande figurer.

Kortfattad beskrivning av figger Fig. 1(a)-1(b). Tvärsnitt av en konventionell MTJ -anordning (a) med motsva- rande energidiagram för tunnelbarriären (b). g F ig. 2(a)-2(b). Tvärsnitt av en spinnfilterbarriär-MTJ -anordning (a) med motsvarande energidiagram för spinnfilterbarriären (b).

Fig. 3. Beräknad verkningsgrad avseende polarisation som en funktion av energidelningen hos spinnfilterbarriären i den' föreslagna MTJ-anordningen illustre- rad i fig. 2. Vid beräkningen har en fast barriärhöjd (p: _l eV använts och verknings- graden rörande polarisationen beräknas för tre olika barriärtjocklekar, d = 1, 2 res- pektive 3 nm.

Fig. 4. Beräknad verkningsgrad avseende polarisation som en funktion av spinnfilterbarriärens energidelning i den föreslagna MTJ-anordningen illustrerad i fig. 2. Vid beräkningen har en fast barriär-tjocklek d = 2 nm använts och verknings- graden avseende polarisation är beräknad för tre olika barriärhöjder, cp = 0,5, 1 res- pektive 1,5 eV.

Utförlig beskrivning av föredragna utföringsformer Konventionella MT J-anordningar erbjuder små möjligheter för ytterligare förbättringar på grund av elektrodemas begränsade spinnpolarisation och det höga RA-värdet hos aluminiumoxidbarriären. Mer specifikt har stora ansträngningar gjorts för att utveckla effektiva metoder för att minska aluminiumoxidbarriärens tjocklek till det ultratunna området med bevarad enhetlighet avseende barriären.

Detta har visat sig vara mycket svårt. Föreliggande uppfinning innefattar en alternativ typ av struktur för MT J -anordningen vilken har potentialen att tillhandahålla en högre spinnpolarisatíon vid lägre RA-värden i jämförelse med den konventionella MTJ-anordningen.

Fig. l(a) visar ett tvärsnitt för strukturen hos en konventionell MT J -anord- ning. Det i botten anordnade ferromagrietiska elektrodlagret (”fast” lager), vanligt- vis Co, anordnas vanligtvis på ett antiferromagrietiskt lager (ej visat) såsom CoO vilket via osymmetriskt utbyte etablerar en permanent magnetiseringsrikming hos den ferromagnetiska bottenelektroden. Syftet med detta är att göra bottenelektroden okänslig för yttre fält. Å andra sidan är toppelektroden (”fiitt” lager) ord av ett mjukt magnetiskt material såsom permalloy (NiF e) så att dess magnetiseringsrikt- » ning på ett enkelt sätt kan altemeras medelst ett yttre magnetiskt fält. På detta sätt kan den inbördes orienteringen mellan de båda lagrens magnetisering styras. Barriä- 10 15 20 25 30 35 528 901 5 ren består i de flesta fall av ett trmt lager av amorf aluminiumoxid. Elektriska led- ningar ansluter till botten- och toppelektrodlagren och strömmen passerar vinkelrätt mot lagren. MR-eiïekten i denna anordning kommer till uttryck i form av en förändring i resistansen vilken förändring beror av den inbördes orienteringen mel- lan topp-”fiia”-lagrets och det ”fasta” bottenlagrets magnetisering.

Fig. 2(a) visar strukturen för en MTJ -anordning enligt föreliggande uppfin- ning, vilken struktur visas i tvärsnitt. Anordningen består av ett spinnfiltertunnelbar- riärlager anordnat mellan en icke-magnetisk bottenelekuod och en ferromagnetisk toppelektrod. Den icke-magnetiska elektroden består av ett godtyckligt ledande material och är ej begränsad till metaller. Den ferromagnetiska ”fria” lagertopp- elektroden består av ett mjukt magnetiskt material i vilket magnetiseringen på ett _ enkelt sätt kan styras medelst ett yttre fält. Spinnfilterbarriärerrs material kan bestå av en halvledare med brett bandgap vilken dopats med metalliska element vilka inducerar ferromagnetism i den halvledande värdkristallen vilken i sig själv är icke- magnetisk. Dessa typer av material betecknas som utspädda magnetiskas halvledare.

I kontrast till den konventionella MTJ-anordningen representeras det ”fasta” lagret av spinnfilterbarriären och MR-effekten visar sig i form av en förändring av resistansen vilken förändring beror av den inbördes orienteringen avseende magnetisering mellan det ”fi-ia” topplagret och barriären. Nedan beskrivs egenskaperna hos den ferromagnetiska halvledarbarriären mer utförligt.

Ferromagnetismen i halvledarlcristallen förmedlas av spinnpolariserade ladd- ningsbärare mellan de metalliska orenhetema. Detta ger upphov till en spinnberoende energidelning hos ledningsbandet. Med andra ord är kanten hos ledningsbandet lägre för en spinnorientering jämfört med den motsatta spinnorienteringen. Denna situation illustreras av energidiagammet i fig. 2(b), då den ferromagrietiska halvledaren utgör barriärlager i MTJ-anordningen. I diagrammet delas en barriär med en medelhöjd om cp upp i två spinnberoende underordnade band, inbördes åtskilda av en energi 28. Nu kommer de laddningsbärare vilka är på väg att tunnla över från den ena elektroden till den andra att konfronteras med två olika barriärhöjder, en för uppåtspinn och en för nedåtspinn. Eftersom ttmnlingsprocessen beror av barriärhöjden, ökar delningen av ledningsbandet avsevärt sannolikheten för att elektroner med uppåtriktat spinn tunnlas. I kontrast med barriärresistansen given i ekvation (2) för den opolariserade barriären blir resistansen för spinnfilterbarriären uppdelad i två spinnkomponenter.

RA” o: eZdJø-â (3) RAU m e2d,/qz+ó' 10 15 20 25 30 35 528 901 6 På ett liknande sätt som spinnpolarisationen P för ferromagneter definieras [1], kan verkningsgraden PB avseende polarisation för spinnfilterbarriären skrivas som I P. flmt-RAÛMRA., +RAn <4) För att kunna skatta polarisationens verkningsgrad skall spinnfilterbarriären exemplifieras i form av en ferromagnetisk halvledare innefattande ZnO utgörande halvledaren med brett bandgap (Eg = 3,2 eV), vilken halvledare utgör värd, och ett metalliskt element (ME) vilket inducerar ferromagnetism. Denna ferromagnetiska halvledare betecknas nedan ZnMEO. Andra magnetiska halvledarmaterial kan även användas.

F ig. 3-4 visar den beräknade verkningsgraden rörande polarisation PB med användande av ekvation 4 för olika barriärpararnenar som funktion av energidel- ningen 25. I fig. 3 är barriärhöjden fixerad till 1 eV, vilket representerar en typisk barriärhöjd mellan metallkontakter och halvledare med brett bandgap, och barriär- tjockleken d varieras mellan 1 och 3 nm. I fig. 4 är barriärens tjocklek d fixerad till 2 nm och barriärhöjden fp varieras mellan 0,5 och 1,5 eV. För att kort sammanfatta resultaten för fig. 3 och 4, ökar verkningsgraden avseende polarisation med ökande barriärtjocklek och minskande barriärhöjd. Det faktiska värdet för energidelningen i ZnMEO beror av vilken typ av ME som används och dopningsgraden. På grund av den nyligen upptäckta ferromagnetismen vid rumstemperatur för dessa typer av material finns inga rapporterade värden tillgängliga idag. Dock blir den mycket väl undersökta isolatom EuS ferromagnetisk vid låg temperatur och representerar såle- des en liknande materialklass som ZnMEO. I EuS är den spinnberoende energidel- ningen i ledningsbandet 360 meV [5]. Under antagande att energidelningen i u' SnMEO endast är hälfien av EuS' energidelning, dvs 180 eV, är verkningsgraden avseende polarisation för en 2 nm tj ock ZnMEO spinnfilterbarriär cirka 73% enligt fig. 3 vid användandet av en barriärhöjd om l eV. För att kunna skatta MRzn som uppvisas av föreliggande uppfinning illustrerad i fig. 1, görs en hänvisning till ek- vation 1. I motsats till den konventionella MTJ :en använder föreliggande uppfin- ning en icke-magnetisk bottenelektrod och spinnkänsligheten introduceras snarast i barriärlagret. Därför ersätts termen P2 i ekvation I med spinnfiltrets verkningsgrad PB. Om vi använder PB = 73% i enlighet med föregående skatmíng, och Pl = 50% för avsevärt spinnpolariserad toppelektrod, erhålls ett MR-förhållande om 115%.

Det predikterade MR-förhållandet överstigande 100% för spinnfilteranord- ningen enligt föreliggande uppfinning utklassar de högsta MR-förhållandena (upp till 60%) vilka rapporterats för konventionella MTJ-anordningar. Eftersom dess- utom tunnelbaniären illustrerad i fig. 2 består av en halvledare med brett bandgap, 20 25 30 35 528 901 7 exemplifierad av ZnMEO med ett bandgap om 3,2 eV, är resistans-area-produkten (RA) för denna anordning inherent lägre än för aluminiumoxidisolatorn vilken an- vänds för anordningar enligt teknikens ståndpunkt. På detta sätt undviks att barriär- tjockleken hamnar i det ultratimna området. Det uppskattas att ZnMEO-barriären kommer att uppvisa RA-värden vilka matchar aluminiumoxid vid mer än den dubbla barriärtjockleken för barriärer av aluminiumoxid. Derma skatming stöds av en nyligen publicerad rapport rörande barriärlager av ZnSe, vilket är en annan halvledare med brett bandgap liknande ZnO med ett bandgap om 2,8 eV [6]. Före- liggande uppfinning så som den illustreras i fig. 2 med särdrag beskrivna enligt ovan med hänvisning till fig. 3 och 4, uppfyller således kraven rörande förbättrade signal-till-brusßrhållanden för MTJ-anordníngar och dess tillämpningar såsom MRAM-minnen och läshuvuden vilka registrerar magnetfält. Andra synergieffekter hos föreliggande uppfinning beskrivs nedan. i Den magnetiska fältstyrkan som krävs för att kasta om magnetiseringsrikt- ningen (koercivitet) i ferromagnetiska halvledare såsom ZnMEO är typiskt sett i storleksordningen om nästan två gånger större än för permalloy som allmänt används som det ”fria” lagret utgörande toppelektrod i MTJ:er. Detta insinuerar att spinnfilterbarriärlagret i föreliggande uppfinning ej behöver vara magnetiskt sned- belastat av ett underliggande icke-ferromagnetiskt lager, så som är fallet för det ”fasta” lagret utgörande bottenelektrod i konventionella MTJ-anordningar. Detta förenklar avsevärt strukturen hos MTJ-anordningen. Dessutom öppnar användandet av en icke-magnetisk bottenelektrod, i kontrast till en ferromagnetisk bottenelektrod enligt teknikens ståndpunkt, upp för användandet av en stor mängd ledande mate- rial. Detta innefattar metalliska halvledare såsom Cu, Al eller Au, men även degene- rerade halvledare. T ex erbjuder användandet av Si av n-typ för bottenelektroden på ett direkt sätt den viktiga kompatibiliteten med Si-processer och CMOS-teknik. _ Många rapporter har visat 'erhållandet av tunna, kontinuerliga ZnO-ifilmer av god kvalitet medelst olika fällningstekniker på Si-skivor. Den mycket attmlctiva möj- ligheten med ZnMEO-barriärlager framställda med epitaxiteknik genom användan- det av degenererat ZnAlO som bottenelektrodlagcr utgör ett annat exempel. ZnAlO är en sernimetall som ofta används som ledare i solcellsapplikationer och har en per- fekt kristallografisk matchning med ZnlVIEO.

Referenser [1] M. Julliere, Phys. Lett. 45A, 225 (1975) [2] R. Meservey, and P.M. Tedrow, Phys. Rep. 23 8, 173 (1994) [3] Y. Ji, G.J. Sn-ijkers, F.Y. Yang, C.L. Chien, J .M. Byers, A. Anguelouch, G.

Xiao, and A. Gupta, Phys. Rev. Lett. 86, 5585 (2001) [4] WB. Pickett, and J .S. Moodera, Phys Today 5, 39 (2001) 528 901 8 [5] A. Mauger, and C. Godan, Phys. Rep. 141, 51 (1986) [6] X. Jiang, A.F. Panchula, and S.S.P. Parkin, Appl. Phys. Lett. 83, 5244 (2003)

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 528 901 “l PATENTKRAV

1. En magnetisk tunneliörbindelse vilken har ett tunnelbarriärlager och vilken kännetecknas av att nämnda tunnelbarriärlager innefattar en utspädd magnetisk halvledare med spinnkänslighet.

2. En magnetisk tunnelfbrbíndelse enligt patentkravet 1 innefattande en botten- ledning kopplad till en bottenelektrod vilken är kopplad till en utspädd magnetisk halvledare kopplad till en toppelektrod vilken i sin tur är kopplad till en toppled- ning, vidare kännetecknad av att nämnda bottenelektrod är omagnetisk.

3. En magnetisk tunneliörbindelse enligt patentkravet 2, kännetecknar! av att nämnda bottenelektrod innefattar Si av n-typ.

4. En magnetisk tunnelförbindelse enligt patentkravet 2, kännetecknad av att nämnda bottenelektrod innefattar degenererad ZnAl0.

5. En magnetisk tunneliörbindelse enligt patentkravet 1, kännetecknad av att nämnda utspädda magnetiska halvledare är en halvledare med brett bandgap överskridande 2,7 eV.

6. En magnetisk tunnelftirbindelse enligt patentkravet 5, kännetecknad av att nämnda utspädda magnetiska halvledare innefattar ZnMEO.

7. En komponent, kännetecknad av att den innefattar en magnetisk mnneliör- bindelse enligt något av patentkraven 1-6. ' i

8. S. Ett beständigt, magnetiskt RAM-minne, (MRAM), kännetecknat av att det innefattar en magnetisk tunnelförbindelse enligt något av patentkraven 1-6.

9. En drivanordning för magnetiska skivor vilken drivanordning innefattar ett läshuvud, vilket läshuvud registrerar magnetfält, kännetecknar! av att nämnda läshuvud innefattar en magnetisk tunnelfcårbindelse enligt något av patentkraven 1- 6.

10. En spinnstyrd/magnetisk tunneltransistor kännetecknad av att den innefattar en magnetisk tunnelförbindelse enligt något av patentkraven l-6. 10 528 901 10

11. En uln-asnabb optisk omkopplare kännetecknad av att den innefattar en magnetisk tunnelfórbindelse enligt något av patentlcaven 1-6.

12. En ljusstrålande anordning med polarisationsmodulerad utgång kännetecknad av att den innefattar en magnetisk tunnelfcirbindelse enligt något av patentkraven 1-6.

13. En logíkanordning kännetecknar! av att den innefattar en magnetisk tunneltörbindelse enligt något av patentkraven 1-6.

14. En dator, kännetecknad av att den innefattar en magnetisk tunnelfiñrbindelse enligt något av patentkraven 1-6.