豐家峰 陳星 魏紅祥 陳鵬 蘭貴彬 劉要穩(wěn) 郭經(jīng)紅 黃輝 韓秀峰

1) (中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家研究中心,北京 100190)

2) (中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院,北京 100049)

3) (同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200082)

4) (國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司,北京 102209)

1 引言

磁傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了從最初的霍爾傳感器到各向異性磁電阻傳感器、巨磁電阻傳感器,再到隧穿磁電阻(tunnel magnetoresistance,TMR)傳感器這樣一個過程[1].后三類磁電阻傳感器具有微型化、高靈敏度、低功耗、低成本、快速響應(yīng)等特點,在汽車檢測、無損檢測及電網(wǎng)、新能源汽車等領(lǐng)域占據(jù)了重要地位.近年來,特別是隨著人工智能和萬物互聯(lián)的快速發(fā)展,這三類磁電阻傳感器正憑借其優(yōu)異性能拓寬到更廣闊的應(yīng)用市場.

交換耦合現(xiàn)象是自旋電子學(xué)中的重要研究領(lǐng)域之一,通常發(fā)生在鐵磁層/反鐵磁層雙層薄膜結(jié)構(gòu)(簡稱為反鐵磁基雙層薄膜結(jié)構(gòu))[2?5]或者軟磁/硬磁耦合體系[6,7]中.在反鐵磁基雙層薄膜結(jié)構(gòu)中,如果反鐵磁層的自旋未被補償,則交換耦合作用來源于 “鐵磁層/反鐵磁層”中相鄰界面處原子層之間的磁性交換耦合.迄今為止,旨在優(yōu)化交換偏置的大多數(shù)研究早期主要集中在反鐵磁基雙層薄膜結(jié)構(gòu)中的鐵磁層,例如,建立了鐵磁層厚度和溫度對交換偏置強度的依賴關(guān)系[4,8?13].眾所周知,交換偏置效應(yīng)在自旋電子學(xué)元器件中扮演著不可或缺的角色.自旋閥和磁性隧道結(jié)(magnetic tunnel junctions,MTJ)等核心結(jié)構(gòu)中都采用了具有交換偏置效應(yīng)的反鐵磁基雙層薄膜結(jié)構(gòu)[14].這些器件已經(jīng)成功應(yīng)用于磁讀頭、磁存儲、磁傳感等領(lǐng)域,產(chǎn)生了巨大商業(yè)價值.由于交換偏置效應(yīng)的存在,以TMR 為存儲單元的磁存儲器件在零磁場附近出現(xiàn)了明顯的高低電阻態(tài),以實現(xiàn)“0”和“1”的存儲功能.與此類似,磁傳感器件利用交換偏置效應(yīng)可以有效調(diào)節(jié)靈敏度、線性磁場范圍等,從而優(yōu)化和提升磁傳感器件的關(guān)鍵性能參數(shù).例如,一種無交換偏置的磁性多層膜(如Fe/Cr/Fe)[15]在僅具有層間交換耦合的情況下,會導(dǎo)致該類型多層膜自身具有較高的飽和磁場,這對基于該類型磁性多層膜的磁傳感器的應(yīng)用不利.

因此,通過合理利用交換偏置效應(yīng),可以設(shè)計并制造出具優(yōu)越性能的磁傳感器件,滿足不同應(yīng)用場景對于靈敏度、線性范圍等方面的要求.這對于磁傳感技術(shù)的發(fā)展具有重要意義,并推動磁性材料和器件的研究與應(yīng)用.本文以TMR 磁傳感器件為例,討論了影響TMR 磁傳感性能的主要因素和樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)對TMR 磁傳感性能的影響.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合實驗和微磁學(xué)仿真技術(shù),揭示TMR 磁傳感單元的樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)如何通過交換偏置效應(yīng)影響磁傳感性能參數(shù)的物理機理[16].

2 TMR 磁傳感關(guān)鍵性能的影響因素

TMR 磁傳感關(guān)鍵性能參數(shù)包括靈敏度、線性度、線性磁場范圍、低頻噪聲指數(shù).此外,還包括TMR 磁傳感單元自身的低功耗、高TMR 比值、快速響應(yīng)能力,以及在實際應(yīng)用場景(表1)中關(guān)注的性能參數(shù).在智能電網(wǎng)領(lǐng)域,針對負(fù)荷測量、設(shè)備電氣狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備機械狀態(tài)等應(yīng)用場景,磁傳感器件需要具有抗大電流、大感生磁場沖擊、防靜電擊穿、瞬時脈沖信號響應(yīng)、高寒高熱高濕以及兼容復(fù)雜電磁環(huán)境等性能.例如,針對高壓輸配電線路上的電流檢測應(yīng)用場景,采用帶有聚磁環(huán)的TMR 磁傳感器件進(jìn)行非接觸式電流監(jiān)測的結(jié)構(gòu)布局,即將被測電流導(dǎo)線穿過磁環(huán)、TMR 磁傳感芯片置于磁環(huán)氣隙中央.這樣,在解決了溫漂等多種因素對測量精度的影響后,可滿足對輸配電線路的電流精準(zhǔn)檢測需求.在新能源汽車領(lǐng)域,針對其動力、車身、座椅和輔助駕駛等應(yīng)用場景,磁傳感器件需要具有超大量程、寬動態(tài)范圍、全溫區(qū)(?40—125 ℃)、高精度保障等苛刻特性.而在航空航天領(lǐng)域,磁傳感器件需要能夠在外太空環(huán)境經(jīng)受太陽風(fēng)等高強度等離子體的沖擊,以及復(fù)雜的電磁場環(huán)境.綜上所述,磁傳感器件除了具備上述基本性能外,不同應(yīng)用場景還會有特定的需求和優(yōu)化要求.因此,在設(shè)計和優(yōu)化磁傳感器件時,需要針對具體的應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)控.

表1 智能電網(wǎng)和新能源汽車領(lǐng)域磁傳感器件的潛在應(yīng)用場景Table 1.Potential application scenarios of magnetic sensing devices in the fields of smart grids and new energy vehicles.

圖1 展示了調(diào)控TMR 磁傳感關(guān)鍵性能參數(shù)的主要方法.這些方法包括改變樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)(本文主要討論內(nèi)容)、外加磁場退火熱處理[17]、串并聯(lián)橋式結(jié)構(gòu)設(shè)計與集成[18]、施加電流焦耳熱[16,19]以及額外偏置磁場方式(通過人為外加偏置磁場[19]或永磁材料[20]提供).其中,串并聯(lián)橋式結(jié)構(gòu)設(shè)計與集成的調(diào)控方法可以降低TMR 磁傳感器件的噪聲指數(shù),提高穩(wěn)定性,降低外部復(fù)雜環(huán)境的影響.另外,通過施加額外永磁體提供偏置磁場的方式已經(jīng)應(yīng)用到磁讀頭中,大大提高了磁盤的記錄密度[21].除此之外，磁通聚集器的方式可顯著提高磁傳感器件性能,如靈敏度等[22].通過這些調(diào)控磁傳感性能的方法,可以綜合調(diào)控和改善TMR 磁傳感單元和磁傳感器件的性能參數(shù)[16],為多種應(yīng)用場景開發(fā)高性能的磁傳感器件奠定堅實基礎(chǔ).

圖1 磁傳感關(guān)鍵性能參數(shù)以及調(diào)控磁傳感關(guān)鍵性能參數(shù)的主要方法(黃色虛線代表需進(jìn)一步的實驗結(jié)果來佐證)Fig.1.Key performance parameters of magnetoresistive sensing and main methods for modulating them (Yellow dashed lines indicate that further experimental results are needed).

TMR 磁傳感單元是TMR 磁傳感器件的核心組成部分,其性能參數(shù)對整個磁傳感器件的性能起著至關(guān)重要的作用.TMR 磁傳感單元是由MTJ 構(gòu)成,其基本構(gòu)成是“反鐵磁性層/鐵磁性層1/勢壘層/鐵磁性層2”.其中反鐵磁性層/鐵磁性層1 被稱為釘扎層結(jié)構(gòu),鐵磁性層2 被稱為自由層結(jié)構(gòu),如圖2(a)所示.通過優(yōu)化MTJ 結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù),可以實現(xiàn)高性能的TMR 磁傳感器件的設(shè)計與制造.磁性隧道的相關(guān)參數(shù)有非易失性(也稱非揮發(fā)性,主要針對磁存儲)、高TMR 比值、低噪聲指數(shù)、低功耗和快速響應(yīng)能力等.其中,高TMR比值主要是在以單晶MgO 為勢壘層的MTJ 中被觀察到,其室溫TMR 比值可達(dá)200%以上[17].

圖2 (a) TMR 磁傳感單元實驗結(jié)構(gòu);(b) TMR 磁傳感單元的線性輸出特性曲線Fig.2.(a) Experimental structure of TMR magnetoresistive sensing unit;(b) linear output curve of TMR magnetoresistive sensing unit.

3 模擬結(jié)果與討論

在TMR 磁傳感單元中,除了釘扎層自身的交換偏置效應(yīng)外[14,23?26],基于磁性間接雙交換耦合結(jié)構(gòu)的自由層中的交換偏置效應(yīng)同樣重要.這是因為自由層中的交換偏置大小可直接影響TMR 磁傳感的靈敏度和線性磁場范圍等.本文模擬結(jié)果顯示,自由層中的交換偏置效應(yīng)可以改變線性磁場范圍內(nèi)磁電阻隨外加磁場的變化,進(jìn)而影響TMR 磁傳感單元的磁傳感性能.

3.1 實驗樣品和微磁學(xué)模型

圖2(a)展示了具有磁性間接雙交換耦合作用的MgO 型MTJ 樣品.在該隧道結(jié)中,釘扎層的結(jié)構(gòu)為PtMn/CoFe/Ru/CoFeB,自由層結(jié)構(gòu)為CoFeB/Ru/NiFe/IrMn,更多實驗細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[18].經(jīng)過兩次外磁場下退火熱處理后,在無外場時,自由層結(jié)構(gòu)的磁矩沿y軸(短軸)方向,釘扎層結(jié)構(gòu)的磁矩沿x軸(長軸)方向.同時,通過施加外加偏壓（0.1 V）和磁場,在±40 Oe 的磁場范圍內(nèi)獲得的典型線性TMR 磁電阻曲線見圖2(b).

微磁學(xué)仿真模型采用了實際TMR 磁傳感單元的橢圓形形狀.在數(shù)值計算中,采用有限差分方法進(jìn)行樣品離散化(圖3),其中自由層在x-y薄膜平面內(nèi)采用10 nm × 10 nm 的尺寸進(jìn)行離散,在z方向上按照薄膜厚度t進(jìn)行離散.外磁場沿x軸方向施加,自由層結(jié)構(gòu)的磁矩在磁場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動,而釘扎層中CoFe 層和PtMn 層之間的強交換耦合作用使CoFe 層磁矩被牢牢釘扎在x方向.本文模擬的重點是研究自由層的磁場感應(yīng)曲線,并綜合考慮釘扎層對其特性的影響,以獲得最優(yōu)MTJ 結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)對TMR 磁傳感單元的優(yōu)化目標(biāo).

圖3 (a) TMR 磁傳感單元主要結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 微磁學(xué)模型建立細(xì)節(jié)Fig.3.(a) Schematic diagram of TMR magnetoresistive sensing unit;(b) establishment details of micromagnetic simulation model.

選取長14 μm,寬7 μm,厚度為5 nm 的橢圓柱為自由層結(jié)構(gòu),其中鐵磁層CoFeB 參數(shù)選取包括飽和磁化強度Ms=1×106A/m,交換常數(shù)A=2×10?11J/m,磁晶各向異性常數(shù)Ku=20 J/m3,方向沿x軸.有限差分的格子大小: 5 nm×5 nm×5 nm.本文中,釘扎層中CoFe 與CoFeB 由于層間交換耦合作用使其磁矩保持反平行排列,釘扎層作為一個整體其剩余磁矩很小.因此,釘扎層磁矩對自由層的散磁場作用較弱.在微磁學(xué)模擬中,通過測試發(fā)現(xiàn),當(dāng)考慮0.1 Oe 大小的散磁場時,模擬的MTJ 磁化曲線及其靈敏度與實驗結(jié)果接近[18].另外,實驗中通過兩次退火過程之后,自由層上方的IrMn 釘扎層會產(chǎn)生一個y方向的交換偏置場(Hbias)作用于自由層(圖3(b)).上述TMR 磁傳感單元的這些物性參數(shù)保證了自由層和釘扎層的磁矩形成一個相互垂直的磁性結(jié)構(gòu),從而具備了線性磁傳感輸出功能.通過微磁學(xué)模擬方法,本文深入探討了自由層結(jié)構(gòu)的交換偏置場Hbias的強弱對TMR 磁傳感單元中線性磁傳感輸出曲線的影響(圖4).

圖4 不同交換偏置場作用下的磁矩對外磁場的變化曲線(紅色實線代表±0.5 倍自由層磁矩范圍內(nèi)線性輸出曲線) (a) 10 Oe;(b) 20 Oe;(c) 50 Oe;(d) 100 OeFig.4.Linear output simulation curves under different exchange-biased fields of the free layer (Solid red lines represents linear output curves within the range of ±0.5 times the magnetic moment of the free layer): (a) 10 Oe;(b) 20 Oe;(c) 50 Oe;(d) 100 Oe.

3.2 微磁學(xué)模擬結(jié)果及討論

圖4 展示了TMR 隨外磁場變化的磁矩響應(yīng)仿真曲線.發(fā)現(xiàn),無論自由層(CoFeB/Ru/NiFe/IrMn)中IrMn 的釘扎場Hbias怎么變化,都能夠在一定磁場范圍內(nèi)獲得線性度較好的TMR 磁電阻曲線.此外,這種具有磁性間接雙交換耦合作用的TMR 磁傳感單元,其飽和磁場、線性靈敏度和磁場工作區(qū)間均與自由層中IrMn 產(chǎn)生的釘扎場Hbias大小密切相關(guān).隨著釘扎場從10 Oe 上升到100 Oe,TMR 磁傳感單元的線性響應(yīng)范圍(linear field range,LFR)逐漸增大,但(近似)靈敏度S(±0.5mx范圍內(nèi)Δmx的變化量與線性磁場范圍的比值)不斷下降(圖5).Hbias為100 Oe(圖4(d))時獲得的TMR 磁傳感單元線性輸出曲線與圖2(b)所示的TMR 磁電阻單元實測曲線在線性工作磁場區(qū)間方面較為接近.

圖5 微磁學(xué)仿真得到的TMR 磁傳感單元線性磁場范圍(a)和(近似)靈敏度(b)隨著自由層交換偏置作用的變化關(guān)系Fig.5.Relationship between the linear magnetic field range(a) and sensitivity (b) of TMR magnetoresistive sensing unit obtained by the micromagnetic simulation method and the exchange-biased field of the free layer.

微磁學(xué)模擬中自由層中的釘扎場Hbias即對應(yīng)于實驗中測得的交換偏置場[17].實驗中通過調(diào)節(jié)Ru 層厚度可以改變自由層CoFeB/Ru/NiFe/IrMn中交換偏置場的大小.隨著Ru 層厚度的增大,交換耦合作用減弱,交換偏置場降低,導(dǎo)致線性磁場范圍減小,如圖5(a)所示.另外發(fā)現(xiàn),±0.5 倍自由層磁矩(主要來自CoFeB 層的貢獻(xiàn))范圍內(nèi)線性度較好(圖4 中紅色實線所示曲線范圍).基于此,本文提取了不同Hbias情況下±0.5mx范圍內(nèi)的(近似)靈敏度S,如圖5(b)所示.發(fā)現(xiàn),隨著Hbias增大,(近似)靈敏度S降低,該結(jié)論和實驗結(jié)果一致[17,19].因此,TMR 磁傳感單元中自由層的交換偏置場大小直接影響傳感器的靈敏度、線性磁場范圍以及線性度等性能參數(shù).

綜上所述,自由層結(jié)構(gòu)中的交換偏置效應(yīng)在TMR 磁傳感單元的設(shè)計和優(yōu)化中具有重要作用.除交換偏置效應(yīng)外,在TMR 磁傳感器件的研究和應(yīng)用中還應(yīng)該考慮其他調(diào)控磁傳感性能的方法,如外加磁場退火熱處理、施加額外偏置磁場或采用磁通聚集等.通過綜合考慮多種調(diào)控磁傳感性能的方法,可以進(jìn)一步優(yōu)化和提升TMR 磁傳感單元的整體性能.因此,TMR 磁傳感單元的設(shè)計優(yōu)化是一個多方面的問題,不能局限于單一的優(yōu)化調(diào)控方法.

4 結(jié)論

通過綜合分析磁傳感器件的應(yīng)用場景和性能指標(biāo),以及調(diào)控這些指標(biāo)的方法,重點討論了TMR磁傳感單元的樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)對其磁傳感性能的影響,并特別關(guān)注了交換偏置效應(yīng)的調(diào)控.不同于通常改變釘扎層中交換偏置效應(yīng)的方法,本文基于微磁學(xué)模擬研究了具有雙交換耦合作用的TMR 磁傳感單元中自由層的交換偏置效應(yīng)對靈敏度、線性磁場范圍等性能指標(biāo)的影響.研究表明,微磁學(xué)模擬和實驗結(jié)果具有一致性,自由層結(jié)構(gòu)中的交換偏置效應(yīng)是影響TMR 磁傳感單元性能的重要因素之一.本文不僅為TMR 磁傳感器件的性能設(shè)計和優(yōu)化提供了新思路,還豐富了磁傳感性能調(diào)控的維度.