磁隧道结中CoFe基自旋极化薄膜的磁性及自旋特性研究

发布时间：2018-01-01 06:19

  本文关键词：磁隧道结中CoFe基自旋极化薄膜的磁性及自旋特性研究　出处：《华中科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：基于磁隧道结(Magnetic Tunnelling Junction, MTJ)的磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)由于具有非易失性、存储密度大、读写速度快等特性,成为了极具潜力的下一代的非易失性半导体存储器。自旋力矩转移磁随机存储器(Spin-Torque-Transfer MRAM, STT-MRAM)是通过自旋极化电流诱导磁化反转来进行读写,可以大大的减小MRAM的信息写入功耗,有利于提高其存储密度。磁隧道结单元是STT-MRAM的关键单元,它的存储原理主要是利用隧道磁阻效应(tunneling magenetoresistance ratio, TMR)。一方面,由于面内的STT-MRAM存在着阈值电流过大的问题,而垂直的STT-MRAM可以有效的减小阈值电流,同时可以避免在高密度下的超顺磁效应,因此STT-MRAM需要有高的垂直磁各向异性。另一方面,由于STT-MRAM是通过自旋极化电流诱导磁化翻转,因此需要有高的自旋极化率,同时,提高自旋极化率可以提高磁隧道结的TMR。本文以磁隧道结的自旋极化层为研究对象,重点从垂直磁各向异性和自旋极化率两个方面探讨CoFe基自旋极化层材料及性能改进方案。首先,本文提出了一种新型的CoFeB/金属/CoFeB自旋极化层三层结构,这种结构相比于传统的一层CoFeB结构在垂直方向上具有更大的磁各向异性。通过实验和理论研究证明了CoFeB/金属的界面效应有利于提高CoFeB在垂直方向上的磁各向异性。一方面,通过磁控溅射制备了一层CoFeB薄膜以及插入金属层修饰的CoFeB薄膜,测试了薄膜的晶相、表面形貌以及磁学性质。测试结果表明：当向CoFeB薄膜中插入一层1 nm的金属Ag层或者金属Ta层时,CoFeB薄膜在垂直方向上的磁各向异性得到了大大的增强。其原因主要是：向CoFeB薄膜中插入金属层形成了2个良好的金属/CoFeB的界面,Co和Fe的3d轨道和金属的d轨道在界面处发生强烈的杂化造成界面处的面外与面内的能量差异,这种界面效应是薄膜在垂直方向上的磁各向异性得到提高的主要原因。而当插入CoFeB薄膜中的金属层太薄时,可能因为无法形成连续的界面,从而不能产生界面效应,导致CoFeB薄膜在垂直方向上的磁各向异性无法提高。另一方面,为了验证实验的结论,本文还通过第一性原理计算并比较了一层CoFeB结构和插入金属层修饰的CoFeB结构在单位横截面积上的磁各向异性能,计算建立的模型与实验制备的薄膜结构一致,计算结果同样表明：向CoFeB中插入1 m的金属Ag层或者金属Ta层在单位横截面积上的磁各向异性能要大于一层CoFeB结构的磁各向异性能。计算结果与实验结果一致,同样表明：向CoFeB薄膜中插入一层1 m的金属Ag层或者金属Ta层时可以提高CoFeB薄膜在垂直方向上的磁各向异性。其次,CoFe基半金属Heusler合金Co2FeAl因为具有100%的自旋极化率、大的带隙宽度、高的居里温度、大的磁矩以及与MgO晶格匹配等优点而成为了一种新型的磁隧道结自旋极化层材料。高的自旋极化率可以提高磁隧道结的TMR,但是,Co2FeAl也有一定的不足之处：一是一层的Co2FeAl本身没有垂直磁各向异性;二是Co2FeAl的半金属特性的稳定性不高。以此为出发点,一方面,本文提出了新型的Co2FeAl/Pt/Co2FeAl三层自旋极化层结构,通过Pt/Co2FeAl使得原本在垂直方向上没有各向异性的Co2FeAl获得磁各向异性。首先,本文通过第一性原理计算了向Co2FeAl薄膜中插入不同厚度不同种类的金属层的磁各向异性能,计算结果表明：当向一层的Co2FeAl中插入0.8nm的金属Pt层之后,Cc^FeAl薄膜产生了较强的垂直磁各向异性。在得到了理论数据的支持之后,本文通过磁控溅射制备了一层Co2FeAl薄膜以及插入金属层修饰的Co2FeAl薄膜,测试比较它们的磁学特性、表面形貌、晶体结构、剖面结构、Pt元素含量随深度变化以及铁磁共振等,测试结果表明：一层的Co2FeAl薄膜在垂直方向上没有磁各向异性,而当插入了0.8nm的金属Pt层之后,Co2FeAl薄膜在垂直方向上产生了磁各向异性,原因可能是插入一层金属Pt层之后,形成了2个良好的Pt/Co2FeAl界面,Co和Fe的3d轨道与Pt的5d轨道在界面处发生杂化造成界面处面外与面内能量差异,这种界面效应是薄膜在垂直方向上产生磁各向异性的主要原因。另一方面,针对Co2FeAl的半金属特性不稳定的问题：Co2FeAl的费米能级处于其少数自旋子带的边缘,导致其费米能级很容易随着外界温度的变化而移出带隙,从而破坏了其半金属特性,本文通过向Co2FeAI中掺杂硫系元素及GeTe达到了提高其半金属特性稳定性的目的。具体而言,本文采用了A1位的替位掺杂方式,因为Al位替位未直接影响Co、Fe原子轨道杂化和磁耦合,可优化费米能级相对带隙的位置以及增大带隙的宽度。一方面,研究证明了：当硫系元素(S、Se和Te)替代Co2FeAl中25%的A1原子时,费米能级从带隙的边缘移动到了带隙的中间,表明掺杂之后的Co2FeAl的半金属特性的稳定性得到增强,其中,Te掺杂的Co2FeAl (Co2FeAl0.75Te0.25)的带隙宽度(0.80 eV)比未掺杂的Co2FeAl的带隙宽度(0.74 eV)宽,表明半金属特性的稳定性得到了进一步的增强。另一方面,研究还表明：当硫系化合物GeTe以原子比1：1的比例总共替代Co2FeAl中50%的Al原子时,掺杂后的Co2FeAl的费米能级从带隙的边缘移动到了带隙的中间,带隙的宽度也从0.74 eV增大到1.01 eV,表明掺杂之后的Co2FeAl的半金属特性的稳定性得到增强。
[Abstract]:Based on the magnetic tunnel junction (Magnetic Tunnelling Junction, MTJ) of the magnetic random access memory (Magnetic Random Access Memory, MRAM) with the nonvolatile storage density, read and write speed and other characteristics, has become a nonvolatile semiconductor storage device for the next generation of potential magnetic random spin torque transfer. Memory (Spin-Torque-Transfer MRAM STT-MRAM) is induced by magnetization reversal to read and write through the spin polarized current, power consumption can be greatly reduced MRAM written information, can improve the storage density. The magnetic tunnel junction unit is the key unit of STT-MRAM, its storage principle is mainly uses the tunnel magnetoresistance (tunneling magenetoresistance ratio, TMR) on the one hand, because the plane STT-MRAM exists the problem of threshold current, while the vertical STT-MRAM can effectively reduce the threshold current, at the same time can be avoided in high density The super paramagnetic effect, so STT-MRAM needs to have a high perpendicular magnetic anisotropy. On the other hand, because the STT-MRAM is through the spin polarized current induced magnetization reversal, so it is necessary to have the high spin polarization rate, at the same time, improve the spin polarization spin polarization layer can improve the magnetic tunnel junction TMR. the magnetic tunnel junction as the research object, mainly from the perpendicular magnetic anisotropy and spin polarization are discussed in two aspects of CoFe spin polarization layer material and performance improvement plan. First, this paper presents a /CoFeB model of the spin polarization of the CoFeB/ metal layer three layer, a layer of CoFeB structure of the structure compared to the traditional magnetic anisotropy is more in the vertical direction. Through experimental and theoretical research proves that the interface effect of the metal CoFeB/ is conducive to the improvement of CoFeB in the vertical direction of the magnetic anisotropy. On the one hand, were deposited by magnetron sputtering A layer of CoFeB film and CoFeB film insert metal layer modified, tested the crystalline phase, surface morphology and magnetic properties. The test results show that when inserting a layer of 1 nm to CoFeB in the films of metal or metal layer Ag Ta layer, the magnetic anisotropy of CoFeB thin film in the vertical direction greatly enhanced. The main reasons are: to insert CoFeB thin film metal layer formed 2 good metal /CoFeB interface, D Co and Fe 3D of the rail track and the metal occurs at the interface caused by the strong hybridization energy difference surface and surface at the interface of the interface effect is the magnetic anisotropy the film in the vertical direction are the main reasons for the increase. When the metal layer is inserted in the CoFeB film is too thin, probably because of unable to form a continuous interface, which can not produce interface effect, which leads to CoFeB film in the direction perpendicular to the magnetic Anisotropy cannot increase. On the other hand, in order to verify the conclusions of the experiment through first principle calculation and compare the CoFeB layer structure and insert metal layer modified CoFeB structure in the unit cross-sectional area of the magnetic anisotropy, calculated and established consistent membrane structure model and experimental preparation, calculation results also showed that the insertion of 1 m to CoFeB in Ag or Ta metal layer metal layer in the unit cross-sectional area of the magnetic anisotropy is greater than the magnetic anisotropy of a layer of CoFeB structure. The calculation results agree with experimental results also showed that the magnetic anisotropy of inserting a layer 1 m layer metal or metal Ag Ta layer to the CoFeB film can improve the CoFeB film in the vertical direction. Secondly, the CoFe based semi metal Heusler alloy Co2FeAl because the spin polarization has a rate of 100%, the band gap width, high Curie temperature, the magnetic moment to And matching with the advantages of the MgO lattice and a magnetic tunnel junction model spin polarization layer material. The high spin polarization rate can improve the magnetic tunnel junction TMR, but Co2FeAl also has some shortcomings: one is a layer of the Co2FeAl itself has no perpendicular magnetic anisotropy; two is the stability of half metallic properties Co2FeAl is not high. As a starting point, on the one hand, this paper puts forward a new Co2FeAl/Pt/Co2FeAl three layer spin polarization layer structure, through which Pt/Co2FeAl in the vertical direction without anisotropy Co2FeAl magnetic anisotropy. Firstly, magnetic anisotropy through first principle calculations into different metal layers with different thickness to type in the Co2FeAl films, the results show that when the metal layer Pt after inserting 0.8nm into a layer of Co2FeAl, Cc^FeAl films have strong perpendicular magnetic anisotropy. After the theoretical data, through magnetron sputtering a layer of Co2FeAl film and Co2FeAl film insert metal layer modification, test their magnetic properties, surface morphology, crystal structure, section structure, the content of Pt changes with depth and ferromagnetic resonance, the test results show that the Co2FeAl thin film no magnetic anisotropy in the vertical direction, and when inserted into the metal Pt 0.8nm layer, the Co2FeAl film produces the magnetic anisotropy in the vertical direction, the reason may be inserted into a layer of metal Pt layer after forming a good 2 Pt/Co2FeAl interface, 3D Pt and Fe Co orbital and 5D the track occurred at the interface of hybrid energy due to the interface of different plane and plane, the interface effect is the main reason for producing thin film magnetic anisotropy in the vertical direction. On the other hand, the half metallic properties of Co2FeAl The instability problem: the Fermi level of Co2FeAl in the minority spin band edge, the Fermi level is easy to change with the external temperature and out of band gap, thereby destroying its semi metallic properties, the elements to the Co2FeAI and GeTe doped with sulfur to improve the stability of the semi metallic properties specifically, this paper adopts A1 substitutional doping method, because the Al for who did not directly affect Co, Fe hybrid orbital and magnetic coupling, can optimize the Fermi level relative position of the band gap and increasing the width of the band gap. On the one hand, the research proved that when sulfur elements (S, Se and Te) instead of Co2FeAl 25% A1 atom, the Fermi level to the intermediate band gap from the band gap edge move, indicates the stability of half metallic properties after doping of Co2FeAl was enhanced in the Te doped Co2FeAl (Co2FeAl0.75Te0.25). The width of the band gap (0.80 eV) than the undoped Co2FeAl band gap (0.74 eV) wide, indicates the stability of half metallic properties has been further enhanced. On the other hand, the study also showed that when the sulfur compound in GeTe atomic ratio of 1:1 to Co2FeAl in a total of 50% Al instead of midnight, Fermi after the Co2FeAl doping level to the intermediate band gap from the band gap edge move, the width of the band gap increases from 0.74 eV to 1.01 eV, indicates the stability of half metallic properties after doping Co2FeAl is enhanced.

【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333;O484

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本文编号：1363296