Микроэлектроника, 2020, T. 49, № 2, стр. 142-148

ВВЕДЕНИЕ

ПМП на основе наноструктур с СТМР эффектом превосходят ПМП на основе наноструктур с анизотропным магниторезистивным (АМР) и спин-вентильным магниторезистивным (СВМР) эффектами по чувствительности и номиналу сопротивления мостовой схемы, требуют более низкого напряжения питания. Данные преимущества наноструктур с СТМР эффектом определяют основные области применения их в составе ПМП, MRAM, телеметрических приборов и биомедицинских устройств. Ведущими фирмами по разработке и производству ПМП на основе наноструктур с СТМР эффектом являются: Micro Magnetics (США), Multi Dimension Technology (КНР), Crocus Technology (США). Номенклатура продукции данных фирм включает в себя ПМП, работающие на основе мостовой и полумостовой схемы Уитстона, с одной, двумя или тремя осями чувствительности.

Изделие STJ-001 в виде дискретного резистора чувствителен к магнитному полю напряженностью 5 мкЭ, нелинейность выходной характеристики не превышает 2% на диапазоне от минус 1 до 1 Э, спектральная плотность шумов в области низких частот (100 Гц) составляет 0.5 и 50 мкЭ/Гц^0.5 на частоте 10 кГц [1]. Основными применениями STJ-001 являются сканирующая магнитная микроскопия, обнаружение магнитных частиц и датчики тока.

Спектральная плотность шумов ПМП на основе наноструктур с СТМР эффектом, реализованных по полумостовой или полной мостовой схеме (STJ-340, STJ-440), на порядок меньше – 30 мкЭ/Гц^0.5 на частоте 10 Гц и 1 мкЭ/Гц^0.5 на частоте 1 кГц [1], что обеспечивает их применение в системах контроля малых магнитных полей, электронных компасах, навигационных системах и медицинских устройствах. Кроме того, система сканирования Micro Magnetics CircuitScan 1000 (CS1000) на основе наноструктур с СТМР эффектом позволяет анализировать карту токов, протекающих на каждом уровне металлизации интегральной микросхемы, вплоть до единиц микроампер, не разрушая изделие, что наделяет ее неоспоримым преимуществом перед другими диагностическими приборами [1].

Наноструктуры на основе СТМР эффекта признаны наиболее подходящими чувствительными элементами биомолекулярного распознавания и обнаружения ДНК в составе биосенсорных устройств [2]. Обладая высокой чувствительностью к магнитным частицам и совместимостью с технологией “лаборатория на кристалле”, нано-структуры на основе СТМР эффекта успешно применимы в других биоприложениях [3–5].

Массив наноструктур на основе СТМР эффекта в совокупности с технологией использования магнитных наночастиц оксида железа может применяться для обнаружения антигенов р24, которые являются биомаркерами ВИЧ инфекции [2]. В работе [6] продемонстрирована возможность обнаружения альфа-фетопротеина, связанного с магнитными наночастицами, который является важнейшим биомаркером раковой опухоли печени.

Таким образом, из представленных выше применений видно неоспоримое преимущество ПМП на основе наноструктур с СТМР эффектом перед магниторезистивными преобразователями на основе АМР и СВМР эффектов. Высокое соотношение сигнал/шум, малый ток потребления и малые размеры чувствительных элементов позволяют расширить области применения наноструктур с СТМР эффектом как в составе новых устройств, так и в дискретных приборах с уникальными характеристиками.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Многослойная наноструктура, состоящая из свободного и фиксированного ферромагнитных слоев, разделенных пленкой диэлектрика толщиной в единицы нанометров, которая выступает в роли туннельного барьера, содержит спин-туннельный переход (СТП) [7, 8]. Под действием магнитного поля направление намагниченности свободного слоя меняется на параллельное или антипараллельное состояние относительно фиксированного слоя, что соответствует низкоомному или высокоомному состоянию, которое при отсутствии магнитного поля сохраняется. СТМР эффект определяется как:

где СТМР – спин-туннельный магниторезистивный эффект, %; ${{R}_{{{\text{AP}}}}}$ – сопротивление, соответствующее антипараллельному состоянию свободного слоя относительного фиксированного, ${{R}_{{\text{P}}}}$ – сопротивление при параллельной ориентации свободного слоя относительно фиксированного.

ПМП на основе наноструктур с СТМР эффектом (ПМП-СТМР) в зависимости от конструктивного исполнения могут иметь четную или нечетную выходную характеристику. В основе преобразователей с четной выходной характеристикой лежит полумостовая схема Уитстона (рис. 1). Два противоположных плеча мостовой схемы (резисторы R₁ и R₄, рис. 1) состоят из СТП, ось легкой намагниченности (ОЛН) свободного слоя которых направлена перпендикулярно оси чувствительности преобразователя, другая диагональная пара(резисторы R₂ и R₃, рис. 1) представляют собой постоянные резисторы с сопротивлением, равным сопротивлению плеча с СТП при отсутствии воздействия магнитного поля.

ПМП-СТМР с четной выходной характеристикой имеют ограниченную область применения, большую нелинейность и меньшую чувствительность к магнитному полю, чем ПМП-СТМР с нечетной выходной характеристикой.

Выходное напряжение мостовой схемы Уитстона определяется выражением (2):

Для полной мостовой схемы преобразователя (рис. 2) сопротивления в противоположных плечах должны удовлетворять условиям:

после упрощения выражение (2) примет вид:

Полная мостовая схема ПМП-СТМР обладает рядом преимуществ: высокая температурная стабильность, выходной сигнал у схемы значительно больше, чем у других конфигураций мостовой схемы Уитстона [9].

В НПК “Технологический центр” изготовлен и исследован макетный образец ПМП-СТМР с четной характеристикой. Два противоположных плеча схемы содержат по два СТП в каждом, ось легкой намагниченности СТМР наноструктур направлена перпендикулярно оси чувствительности преобразователя, типовая R(H) выходная характеристика переходов при воздействии магнитного поля перпендикулярно ОЛН представлена на рис. 3. Два балластных плеча представлены постоянными резисторами сопротивлением 390 кОм.

Экспериментальное изменение выходного сигнала при воздействии магнитного поля в диапазоне от 0 до 40 Э составило 0.86 мВ, напряжение питания полумостовой схемы: 0.04 В.

Для изготовления ПМП с нечетной выходной характеристикой на основе мостовой схемы Уитстона изменение сопротивления плеч при воздействии магнитного поля должно носить линейный характер в области нуля. Линеаризация R(H) характеристики СТП в области нуля достигается при неколлинеарной конфигурации магнитной анизотропии ОЛН и оси однонаправленной анизотропии и при условии H_J/H_A > 1, где H_J – поле межслойного взаимодействия, H_A – поле анизотропии свободного слоя [10]. Неколлинеарная конфигурация магнитной анизотропии была сформирована посредством термомагнитной обработки, гистерезис свободного слоя уменьшается при отклонении магнитного поля от оси легкого намагничивания, полученная R(H) зависимость СТП представлена на рис. 4.

Был изготовлен макетный образец ПМП на основе полной мостовой схемы Уитстона (рис. 2): в каждом плече по одному СТП, причем ОЛН в одной диагональной паре резисторов отличается на 180° от другой диагональной пары (рис. 4).

Изменение выходного сигнала преобразователя при воздействии магнитного поля в диапазоне от минус 40 до 40 Э составило 3.42 мВ, напряжение питания схемы: 0.1 В, рис. 5 иллюстрирует внешний вид выходной характеристики.

Чувствительность ПМП-СТМР к магнитному полю составляет:

Повышение чувствительности ПМП-СТМР согласно выражению (3) обеспечивается увеличением напряжения питания и величины СТМР эффекта; с учетом данных требований была усовершенствована конструкция макетного образца.

Получение минимального гистерезиса при перемагничивании свободного слоя СТП возможно при воздействии постоянных магнитов на многослойную наноструктуру, которые отклоняют направление намагниченности свободного слоя на 90° относительно оси фиксации многослойной наноструктуры. Рис. 6 иллюстрирует влияние постоянного магнита на зависимость сопротивления СТП от внешнего магнитного поля. В результате величина магниторезистивного эффекта снизилась незначительно, а гистерезис свободного слоя составил единицы эрстед.

Повышение напряжения питания ПМП-СТМР достигнуто путем увеличения количества СТП в каждом плече, напряжение питания новой конструкции преобразователя составило 5 В, выходная характеристика усовершенствованного макета преобразователя представлена на рис. 7.

Таким образом, чувствительность макетного образца ПМП-СТМР к магнитному полю составила 5.43 мВ/(В ⋅ Э), что на порядок выше, чем у макетного образца ПМП-СТМР с четной характеристикой, при этом, гистерезис и нелинейность преобразования не превышают 3%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные исследования показали, что конструкция макетного образца ПМП-СТМР с нечетной характеристикой на основе полной мостовой схемы обладает рядом достоинств: высокая чувствительность к магнитному полю, малый ток потребления и низкая нелинейность. Примененный подход к линеаризации R(H) характеристики СТП незначительно снизил величину СТМР эффекта и уменьшил гистерезис свободного слоя до единиц эрстед. Увеличение числа СТП в каждом плече мостовой схемы повысило напряжение питания и чувствительность ПМП.

Перспективным направлением при разработке конструкций ПМП-СТМР является применение спин-туннельных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком (САФ). СТП на основе САФ потенциально обладают более высоким СТМР эффектом [11], магнитный отжиг наноструктур позволяет снизить гистерезис свободного слоя до одного эрстеда.

Результаты исследований новых СТП смогут найти дальнейшее применение в разработке перспективных отечественных ПМП, ячеек энергонезависимой магниторезистивной памяти с произвольной выборкой.

Исследование параметров СТМР наноструктур осуществлялось с помощью специализированного оборудования ЦКП “Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники” на базе НПК “Технологический центр”.