界面调控MgO/Fe/Pt垂直磁各向异性研究

发布时间：2021-01-19 17:40

　　在半导体制备工艺向14nm节点发展的过程中,基于多晶硅的传统存储技术逐渐接近其极限,需要探索新型的存储技术。自旋转移力矩磁随机存储器（STT-MRAM）因具有非易失、低功耗、高存储密度的特点而成为微电子学领域的研究热点。如何在器件尺寸持续微缩的同时维持磁性层的热稳定性是制约STT-MRAM商业化的关键问题。考虑到材料热稳定性对其垂直磁各向异性（PMA）的依赖,需要使用高PMA材料作为磁性层,或者设计MTJ膜层结构以提高PMA。借助电场辅助机制可以解决PMA引起的临界开关电流密度过高的问题。由于电场效应仅限于MTJ界面原子层,且界面特性对磁各向异性和场诱磁化翻转的影响随着单元尺寸的缩小愈发凸显,因此可使用界面工程对MTJ磁各向异性行为进行精确调控。本文通过第一性原理计算研究了MgO/Fe/Pt膜层结构的界面特性,基于自旋-轨道耦合的二阶微扰理论对计算得到的电子结构进行讨论,系统分析了铁磁层厚度和重金属夹层对MTJ磁各向异性的影响。一方面,研究了MgO/Fe/Pt界面模型的磁各向异性同铁磁层厚度的依赖关系。不同于其他界面模型,MgO/Fe₁L/Pt具有面内磁各向异性和... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：66 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

传统MRAM(磁场驱动)和STT-MRAM(电流驱动)的结构示意图

考虑到自由层和钉扎层的磁矩方向存在平行和反平行的情况，MTJ 存在两个化配置，对应着不同的电阻值。TMR 效应描述的是 MTJ 的磁阻随铁磁电极磁取向而变化的特性，其物理起源可以借助图 1-2 中的模型进行说明[9,10]。需要，只有当其他铁磁电极中存在未被占据的电子态时，具有相同自旋取向的电发生隧穿。假定隧穿过程中电子守恒，若铁磁电极的磁矩方向平行，多数自的电子可以填充到另一电极的多数自旋空态，少数自旋子带中电子可以填充极的少数自旋空态，使得整个器件呈低阻态；若是铁磁电极的磁矩反向平行旋电子将占据另一电极的少数自旋态，导致更小的衰减电流，器件表现为高阻R 的强度则定义为隧穿磁电阻比： = (， 和 分别是铁磁电极的磁矩取向在反平行和平行时的磁阻。通常 是，这使得自由层中的磁化状态能够被感知到，从而读取存储单元中的信息。

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文STT 效应由 Slonczewski 和 Berger 于 1996 年提出[11,12]，指的是电流在通过MT向决定了自由层的磁化状态。一般来说，电流是非极化的，多数自旋和少数子各占据 50%；但是在铁磁材料中，由于自旋劈裂作用的存在，不同取向的度有着不同的占比。磁性层具有一种类似自旋过滤的特性：电流通过钉扎层相同自旋取向的电子可以传输过去，其他方向的电子则被反射，形成了自旋；若自旋极化电流继续被引导到自由层，电子携带的角动量转矩转移给自由，使自由层的磁矩在转矩和阻尼的共同作用下进动，进一步发生翻转。基于-MARM 可以通过调节外部电流的方向来写入信息“1”和“0”，如图 1-3 所


本文编号：2987423