Магниторезистивный пороговый наноэлемент

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом. Техническим результатом является создание магниторезистивного порогового наноэлемента на основе тонкопленочной многослойной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, обладающего малыми токами управления. Сущность изобретения: в магниторезистивном пороговом наноэлементе, содержащем подложку с расположенным на ней первым изолирующим слоем, на котором размещена остроконечная многослойная магниторезистивная полоска, содержащая первый защитный слой, магнитомягкую пленку, второй защитный слой, поверх остроконечной многослойной магниторезистивной полоски расположен второй изолирующий слой с нанесенным на него проводником управления, а также третий изолирующий слой, рабочая часть проводника управления расположена поперек длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, а ось легкого намагничивания магнитомягкой пленки направлена вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом.

Известны анизотропные магниторезистивные запоминающие элементы, являющиеся пороговыми элементами на основе многослойных тонкопленочных МР наноструктур (Н.П.Васильева, В.И.Вартанян, С.И.Касаткин, A.M.Муравьев. Магниторезистивная ячейка памяти. Патент РФ №2081460, М. Кл. G11C 11/15). Эти наноструктуры состоят из двух ферромагнитных пленок, обычно это пленки на основе сплавов из Fe, Ni и Со, разделенных высокорезистивной немагнитной прослойкой из металла слоя. Эти анизотропные магниторезистивные запоминающие элементы достаточно легко изготовить. Недостатками подобных магниторезистивных запоминающих элементов являются невысокая величина анизотропного магниторезистивного эффекта.

Наиболее перспективными являются пороговые наноэлементы с гигантским магниторезистивным эффектом, в первую очередь, двумя его разновидностями: спин-вентильным и спин-туннельным магниторезистивным эффектом (С.И.Касаткин, A.M.Муравьев. Магнитный инвертор. Патент РФ №2120142, М. Кл. G11C 11/15). Подобные магниторезистивные пороговые наноэлементы обладают существенно большей величиной магниторезистивного эффекта, но все они обладают высоким током управления.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивного порогового наноэлемента на основе тонкопленочной многослойной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока, обладающего малыми токами управления.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном пороговом наноэлементе, содержащем подложку с расположенным на ней первым изолирующим слоем, на котором размещена остроконечная многослойная магниторезистивная полоска, содержащая первый защитный слой, магнитомягкую пленку, второй защитный слой, поверх остроконечной многослойной магниторезистивной полоски расположен второй изолирующий слой с нанесенным на него проводником управления, а также третий изолирующий слой, рабочая часть проводника управления расположена поперек длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, а ось легкого намагничивания магнитомягкой пленки направлена вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски. Остроконечная многослойная магниторезистивная полоска может содержать последовательно расположенные между магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем разделительный немагнитный слой и дополнительную магнитомягкую пленку, ось легкого намагничивания которой направлена вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, или магнитожесткую пленку. Остроконечная многослойная магниторезистивная полоска также может содержать фиксирующий слой, расположенный либо между дополнительной магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем, либо между первым защитным слоем и магнитомягкой пленкой.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что перемагничивание магниторезистивного порогового наноэлемента осуществляется движением доменных границ магнитомягкой пленки в полоске, а не вращением векторов намагниченности этой пленки.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлен магниторезистивный пороговый наноэлемент, содержащий остроконечную многослойную магниторезистивную полоску с одной магнитомягкой пленкой, в разрезе; на фиг.2 представлен магниторезистивный пороговый наноэлемент, содержащий остроконечную многослойную магниторезистивную полоску с двумя магнитомягкими или магнитомягкой и магнитожесткой пленками, в разрезе; на фиг.3 представлен магниторезистивный пороговый наноэлемент, содержащий остроконечную многослойную магниторезистивную полоску с двумя магнитомягкими и фиксирующей пленкой сверху, в разрезе; на фиг.4 представлен магниторезистивный пороговый наноэлемент, содержащий остроконечную многослойную магниторезистивную полоску с двумя магнитомягкими и фиксирующей пленкой снизу, в разрезе; на фиг.5 приведена зависимость относительного изменения сопротивления пленки пермаллоя ΔR/R от приложенного магнитного поля Н, направленного вдоль полоски, а - измерения при возрастающем магнитном поле, б - измерения при убывающем магнитном поле; на фиг.6 представлена зависимость относительного изменения сопротивления Ti-FeNi-Ti-FeNi-FeMn-Ti остроконечной многослойной магниторезистивной полоски ΔR/R от приложенного магнитного поля Н, направленного вдоль полоски, 1 - измерения при возрастающем магнитном поле, 2 - измерения при убывающем магнитном поле, H_EB и Н_C2 - величина обменного смещения и коэрцитивная сила пермаллоевой пленки, прилегающей к фиксирующей FeMn пленке, H_Cl - коэрцитивная сила свободной пермаллоевой пленки; на фиг.7 приведена зависимость относительного изменения магнитосопротивления (ΔR/R) импульсного сигнала магниторезистивного порогового наноэлемента с пермаллоевой пленкой от приложенного магнитного поля Н.

Магниторезистивный пороговый наноэлемент содержит подложку 1 (фиг.1) с первым изолирующим слоем 2, остроконечную многослойную магниторезистивную полоску, состоящую из первого и второго защитных слоев 3, 4, между которыми расположена магнитомягкая пленка 5. Сверху полоски сформирован второй изолирующий слой 6 на котором расположен проводник управления 7. Рабочая часть проводника управления 7 перпендикулярна длине остроконечной многослойной магниторезистивной полоски. Конструкция магниторезистивного порогового наноэлемента завершается третьим изолирующим слоем 8. Защитные слои 3, 4, обычно, выполняются из высокорезистивных немагнитных металлов (Ti, Та) или их нитридов толщиной 3-5 нм. Их задача - защита магнитомягкой пленки 5 от внешних воздействий при изготовлении и эксплуатации наноэлементов на их основе, в первую очередь, от влияния кислорода. Магниторезистивный пороговый наноэлемент может содержать между магнитомягкой пленкой 5 и вторым защитным слоем 4 последовательно расположенные разделительный немагнитный слой 9 и дополнительную магнитомягкую или магнитожесткую пленку 10 (фиг.2). Возможна конструкция наноэлемента с фиксирующим слоем 11 сверху дополнительной магнитомягкой пленкой 10 (фиг.3). Допускается размещение фиксирующего слоя 11 между первым защитным слоем 3 и магнитомягкой пленкой 5 (фиг.4).

Работа магниторезистивного порогового наноэлемента основывается на свойствах магниторезистивной полоски с многослойной наноструктурой из магнитомягкой пленки 5 и защитных слоев 3, 4. На фиг.5 приведена зависимость, при анизотропном магниторезистивном эффекте, относительного изменения сопротивления пленки пермаллоя ΔR/R от приложенного магнитного поля Н, направленного вдоль остроконечной многослойной магниторезистивной полоски шириной в сотни микрон. Разница между двумя пиками сигналов, возникающих при противоположном направлении внешнего магнитного поля, соответствует удвоенному полю перемагничивания магниторезистивной полоски. Перемагничивание этой полоски происходит движением доменных границ вдоль остроконечной многослойной магниторезистивной полоски. Начало движения доменных границ соответствуют полю старта Н_СТ=Н_С+σ_w/2M_sW, σ_w - плотность энергии доменной границы, M_s - намагниченность насыщения магнитной пленки, w - ширина остроконечной многослойной магниторезистивной полоски. Ввиду того, что для магнитомягкой пермаллоевой пленки величины Н_С=(1...2) Э, σ_w=(1...2) эрг/см², Ms=800 Гс при w>10 мкм можно считать Н_СТ=Н_С. При анизотропном магниторезистивном эффекте изменение сопротивления пропорционально cos²ϕ, где ϕ - угол между направлением сенсорного тока, протекающего через магниторезистивную полоску и вектором намагниченности магнитомягкой пленки 5. Таким образом, не будет изменения сопротивления в перемагниченной и неперемагниченной области остроконечной многослойной магниторезистивной полоски. Сигнал считывания, показанный на фиг.5, возникает при пропускании через полоску сенсорного тока только благодаря отклонению векторов намагниченности в доменных границах, существующих в этой полоске. Из-за этого величина сигнала в полоске существенно меньше величины сигнала, который должен возникать для анизотропного магниторезистивного эффекта, составляющего для пермаллоевой пленки около 1,5%. При Н<Н_СТ доменные границы не движутся и сигнал возникает только благодаря отклонению векторов намагниченности магнитомягкой пленки и уже сформированных доменных границ. При магнитном поле, близком к Н_СТ, начинается движение доменных границ и при Н=Н_СТ наблюдается пик сигнала, связанный с перемагничиванием остроконечной многослойной магниторезистивной полоски за счет движения доменных границ. При Н>Н_СТ доменные границы находятся на краях магниторезистивной полоски и все развороты векторов намагниченности подавляются увеличивающимся магнитным полем, что уменьшает сигнал полоски. Для магниторезистивной полоски с многослойной Ti-FeNi-Ti-FeNi-Ti наноструктуры с двумя магнитомягкими пленками вид зависимости, приведенной на фиг.5, не изменится. Уменьшатся значения коэрцитивной силы и гистерезиса.

На фиг.6 представлена зависимость относительного изменения сопротивления ΔR/R магниторезистивной полоски с многослойной Ti-FeNi-SiC-FeNi-FeMn-Ti наноструктурой от приложенного магнитного поля Н, направленного вдоль длины этой полоски. Особенностью этой полоски является увеличение поля перемагничивания магнитомягкой пермаллоевой пленки, контактирующей с антиферромагнитной FeMn пленкой благодаря обменному взаимодействию между ними. При перемагничивании остроконечной многослойной магниторезистивной полоски сначала происходит перемагничивание свободной магнитомягкой пленки (пик сигнала с H_С1), а затем фиксированной пермаллоевой пленки (Н_С2). Наличие двух пиков позволяет создать двухуровневый магниторезистивный пороговый наноэлемент. Замена FeNi-FeMn слоев на магнитожесткую пленку, например, из CoNi сплава принципиально не изменят зависимость сигнала считывания полоски, приведенную на фиг.6.

В спин-вентильной магниторезистивной полоске на основе многослойной наноструктуры с планарным протеканием сенсорного тока сигнал пропорционален cos2ϕ, где ϕ - угол между векторами намагниченности соседних магнитных пленок, проблемы с сигналом считывания существенно упрощаются. Это связано с различием в сигнале для областей с параллельным и антипараллельным направлением векторов намагниченности соседних магнитных пленок и повышенным значением величины магниторезистивного эффекта (до 15%).

Перейдем к работе собственно магниторезистивного порогового наноэлемента. Перед началом работы в остроконечную многослойную магниторезистивную полоску подается планарный сенсорный ток, а в проводник управления 8 подается импульс тока определенной полярности, перемагничивающий остроконечную многослойную магниторезистивную полоску порогового наноэлемента в исходное магнитное состояние. Исходное магнитное состояние магниторезистивной полоски соответствует направлению векторов намагниченности магнитомягкой пленки 5. После окончания действия импульса тока магниторезистивный пороговый наноэлемент намагничен в исходное состояние. При подаче в проводник управления 8 импульса тока, создающего магнитное поле, меньшее Н_СТ, движения доменных границ не будет и сигнал, представляющий собой изменение напряжения из-за изменения сопротивления магниторезистивной полоски, практически не изменится (фиг.7). При подаче в проводник управления импульса тока, создающего магнитное поле, близкое к Н_СТ, появится сигнал, величина которого соответствует пику сигнала и длительностью, равной времени перемагничивания магниторезистивной полоски. При подаче в проводник управления импульса тока, создающего магнитное поле, большее Н_СТ, появится сигнал, величина которого соответствует пику сигнала, но с уменьшенной длительностью, т.к. вблизи Н_СТ скорость движения доменных границ пропорциональна прикладываемому к пермаллоевой пленке магнитному полю.

Величина Н_СТ доменных границ магнитомягкой пермаллоевой пленки, даже в магниторезистивных полосках микронной ширины, не превышает единиц эрстед. Поле перемагничивания в пороговых наноэлементах на основе тех же магнитомягких пленок определяется суммой поля магнитной анизотропии и анизотропии формы (размагничивающие магнитные поля) и составляет десятки эрстед. Это означает такое же уменьшение токов управления.

Таким образом, предложенный магниторезистивный пороговый наноэлемент на основе остроконечной многослойной магниторезистивной полоски с планарным протеканием сенсорного тока обладает в 5-10 раз меньшими токами управления по сравнению с магниторезистивными пороговыми наноэлементами с перемагничиванием вращением векторов намагничивания, благодаря перемагничиванию магнитомягких пленок движением доменных границ. На основе предложенного магниторезистивного порогового наноэлемента можно создавать логические магниторезистивные наноэлементы с малыми токами управления.

1. Магниторезистивный пороговый наноэлемент, содержащий подложку с расположенным на ней первым изолирующим слоем, на котором размещена остроконечная многослойная магниторезистивная полоска, содержащая первый защитный слой, магнитомягкую пленку и второй защитный слой, поверх остроконечной многослойной магниторезистивной полоски расположен второй изолирующий слой с нанесенным на него проводником управления, а также третий изолирующий слой, отличающийся тем, что рабочая часть проводника управления расположена поперек длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски, а ось легкого намагничивания магнитомягкой пленки направлена вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски.

2. Магниторезистивный пороговый наноэлемент по п.1, отличающийся тем, что остроконечная многослойная магниторезистивная полоска содержит последовательно расположенные между магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем разделительный немагнитный слой и дополнительную магнитомягкую пленку, ось легкого намагничивания которой направлена вдоль длинной стороны остроконечной многослойной магниторезистивной полоски.

3. Магниторезистивный пороговый наноэлемент по п.1, отличающийся тем, что остроконечная многослойная магниторезистивная полоска содержит последовательно расположенные между магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем разделительный немагнитный слой и магнитожесткую пленку.

4. Магниторезистивный пороговый наноэлемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что остроконечная многослойная магниторезистивная полоска содержит фиксирующий слой, расположенный либо между дополнительной магнитомягкой пленкой и вторым защитным слоем, либо между первым защитным слоем и магнитомягкой пленкой.