Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Wydział EAIiE
Katedra Elektroniki
LABORATORIUM SPINTRONIKI I
Nr
Inżynieria materiałowa i konstrukcja
ćwiczenia
urządzeń
5
Temat ćwiczenia:
Wyznaczanie parametrów magneto-elektrycznych
elementów spintronicznych typu TMR
2010 r.
IMiKU  Katedra Elektroniki AGH  Laboratorium Spintroniki I
I. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasadą działania i metodami wyznaczania
parametrów magneto-elektrycznymi elementów spintronicznych typu tunelowa
magnetorezystancja (TMR).
II. Wprowadzenie
Elementy spintroniczne cechuje przewodnictwo, które może być sterowane zarówno
polem elektrycznym jak i magnetycznym. Ponadto elementy spintroniczne mogą wykazywać
nieulotny (zachowany po odłączeniu zasilania) stabilny stan wysoko lub nisko-rezystancyjny,
który związany jest z ich magnetyzmem. Duwzaciskowe elementy spintroniczne, o potencjale
komercyjnym, wykorzystują w swojej budowie cienkowarstwowe (grubości nanometrowe)
struktury materiałów wykazujące efekty gigantycznej (GMR) i tunelowej (TMR)
magnetorezystancji. Magnetyczne złącze tunelowe (MTJ), wykazujące efekt TMR, jest
dwuzaciskowym elementem, który posiada niespotykane w innych elementach
spintronicznych właściwości, do których należą: modyfikowalna w szerokim zakresie (od
omów do megaomów) rezystancja i bardzo duży współczynnik tunelowej magnetorezystancji
(do 1000 %). Dzięki tym właściwościom magnetyczne złącze tunelowe stało się kluczowym
elementem magnetorezystancjnych pamięci MRAM (Magnetic Random Access Memory)
przełączalnych polem magnetycznym.
Element TMR w podstawowej formie składa się z dwóch ferromagnetycznych
elektrod przedzielonych dielektrykiem (bariera) (Rys. 1). Działanie elementu opiera się na
wykorzystaniu zjawiska tunelowania elektronów przez barierę potencjałów, które jest zależne
od parametrów bariery, wzajemnego kierunku namagnesowania elektrod (tunelowanie
spinowo zależne) oraz przyłożonego napięcia. W efekcie spinowo zależnego tunelowania
elektronów złącze wykazuje dwa stany rezystancyjne, wysoki i niski. Niski stan rezystancyjny
(RP) występuje, gdy kierunki namagnesowania elektrod złącza są równoległe (Rys. 1a)
natomiast wysoki stan rezystancyjny (RAP) występuje, gdy kierunki namagnesowania elektrod
złącza są antyrównoległe (Rys. 1b).
Rys. 1. Budowa i konfiguracje magnetyczne, w których występuje stan nisko i wysoko-
rezystancyjny elementu TMR. Strzałki oznaczają kierunki namagnesowania elektrod
ferromagnetycznych.
2
IMiKU  Katedra Elektroniki AGH  Laboratorium Spintroniki I
Struktura warstwowa aplikacyjnych elementów TMR składa się z kilkunastu warstw
różnych materiałów (Rys. 2a, b), o grubościach od ułamka nanometra do kilkudziesięciu
nanometrów, które można podzielić na warstwy: buforowe, aktywne i zabezpieczające.
Warstwy aktywne składają się z warstw odpowiedzialnych za efekt TMR (FM/bariera
dielektryczna/FM). W układzie tym dolną warstwę FM zamocowuje się magnetycznie (cz.
uniemożliwia się jej zmianę kierunku namagnesowania poprzez oddziaływanie wymienne
typu  exchange bias ) na styku warstw FM/antyferromagnetyk, pozostawiajÄ…c natomiast
górną warstwę FM (elektroda górna) swobodną magnetycznie. Element o takiej budowie nosi
nazwę zawór spinowy.
(a) (b)
Ta 5
ZabezpieczajÄ…ce
Ru 5
CoFeB 3
Swobodna
FM/ B/ FM MgO 1.2
CoFeB 3
Zamocowana
Warstwy
Ru 0.9
aktywne
 Exchange
CoFe 2
Bias
PtMn 20
Ta 3
Ru 18
Buforowe
Ta 5
Si/SiO
Podłoże
Rys. 2. Struktura warstwowa elementu TMR typu zawór spinowy z podziałem na części
funkcjonalne (a), przykładowa struktura warstwowa elementu TMR (grubości w nm) (b).
A. Pomiary charakterystyk rezystancja od pola magnetycznego
W badaniu właściwości statycznych elementów spintronicznych, pomiar charakterystyki
rezystancja od pola magnetycznego (R-H) jest jednym z podstawowych. Rysunek 3
przedstawia przykładową charakterystykę R-H elementu TMR typu zawór spinowy. Z
charakterystyki tej wyznacza się tunelową magnetorezystancję, pola przełączeń warstwy
swobodnej oraz pole przesunięcia charakterystyki względem zera pola.
Tunelowa magnetorezystancja
TunelowÄ… magnetorezystancjÄ™ definiuje siÄ™ jako:
ëÅ‚ - RP ÷Å‚
öÅ‚
RAP
TMR = ìÅ‚ Å"100% (1)
ìÅ‚
RP ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
gdzie RAP, RP rezystancja wysoka i niska elementu.
3
IMiKU  Katedra Elektroniki AGH  Laboratorium Spintroniki I
Pola przełączeń warstwy swobodnej
Pole HP1 jest to pole, dla którego rezystancja elementu R= (RAP +RP)/2 przy przejściu z stanu
wysokiej do niskiej rezystancji.
Pole HP2 jest to pole, dla którego rezystancja elementu R= (RAP +RP)/2 przy przejściu z stanu
niskiej do wysokiej rezystancji.
Pole przesunięcia charakterystyki R-H
Pole przesunięcia definiuje równanie:
HP1 + HP2
HS = (2)
2
180
RAP
160
140
HS
120
100
RP
80
-120 -80 -40 0 40 80 120
HP2
HP1
Pole (Oe)
Rys. 3. Charakterystyka R-H elementu TMR. HP1 i HP2  pola przełączenia warstwy
swobodnej, HS  pole przesunięcia. Strzałki oznaczają kierunki namagnesowania warstwy
swobodnej (górna) i zamocowanej (dolna).
B. Pomiary charakterystyk napięciowo-prądowych
W badaniu właściwości statycznych elementów spintronicznych pomiar charakterystyk I-V
lub V-I jest kolejny z podstawowych pomiarów. Rysunek 4 przedstawia przykładową
charakterystykę V-I elementu TMR typu zawór spinowy. Z charakterystyki napięcie-prąd
(V-I) lub prąd-napięcie (I-V) w stanie wysokiej (RAP) i niskiej (RP) rezystancji wyznacza się
napięcia V1/2 i napięcie przebicia oraz określa się charakter zmienności TMR, RAP i RP od
napięcia lub prądu.
Napięcie V1/2
Jest to napięcie, dla którego TMR maleje do połowy wartości, jaką wykazuje przy najniższym
napięciu pomiarowym.
4
Rezystancja (Ohm)
IMiKU  Katedra Elektroniki AGH  Laboratorium Spintroniki I
Napięcie przebicia
Jest to napięcie, przy którym następuje przebicie bariery dielektrycznej, czego objawem jest
bardzo duży spadek rezystancji i tunelowej magnetorezystancji elementu.
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
AP
-0.6
P
-0.8
-1.0
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Current (mA)
Rys. 4. Charakterystyka V-I elementu TMR w stanie wysokie (AP) i niskiej rezystancji (P).
C. System pomiarowy
Pomiar charakterystyki R-H polega na wyznaczeniu zmienności rezystancji elementu w
zadanym zakresie zmienności pola magnetycznego. Zakres zmienności pola dobiera się tak,
aby uzyskać na charakterystyce R-H stan wysokiej i niskiej rezystancji.
Pomiar charakterystyki I-V lub V-I wykonuje się (najczęściej) w polu magnetycznym, które
wprowadza element w stan wysokiej i niskiej rezystancji. Zakres zmienności napięcia lub
prądu dobiera się tak, aby nie przekroczyć napięci przebicia elementu.
Pomiary wymienionych charakterystyk wykonuje się systemem, którego widok przedstawia
rys 5, a schemat blokowy rys. 6. Podstawowymi elementami systemu sÄ…: z
ródło-miernik
prądu/napięcia, z
ródło pola magnetycznego, zasilacz prądowy. Ponieważ elementy do badań
laboratoryjnych dostarczane są najczęściej w formie  waferów lub ich części (Rys. 6)
konieczne jest ich umieszczenie na specjalnym stoliku i użycie głowic pomiarowych.
5
Voltage (V)
IMiKU  Katedra Elektroniki AGH  Laboratorium Spintroniki I
y
ródło
y
ródło
y
ródło
y
ródło pola
y
ródło pola
y
ródło pola
PrÄ…du
PrÄ…du
PrÄ…du
magnetycznego
magnetycznego
magnetycznego
I/U
I/U
I/U
GÅ‚owice
GÅ‚owice
y
ródło
y
ródło
y
ródło
pomiarowe
pomiarowe
Igłowe I/U
Igłowe I/U
I/U
Miernik
Miernik
Miernik
Rys. 5. Schemat blokowy systemu pomiarowego.
2
1
5
3
4
6
Rys. 6. Widoki elementów systemu pomiarowego. 1  z
ródło-miernik prądu i napięcia, 2 
miernik pola magnetycznego, 3  z
ródło pola magnetycznego (cewki), 4  głowice
pomiarowe, 5  część  wafla z elementami do pomiarów czterozaciskowych,
6  zasilacze prÄ…dowe.
6
GPIB Bus
GPIB Bus
GPIB Bus
IMiKU  Katedra Elektroniki AGH  Laboratorium Spintroniki I
III. Wykonanie ćwiczenia
Przygotowanie do pomiarów
1. Zapoznanie z elementami składowymi systemu pomiarowego.
2. Zapoznanie z metodą podłączania głowic pomiarowych do elementów na waflu (wafer).
3. Zapoznanie z programem do sterowania i rejestracji danych pomiarowych.
1. Pomiary charakterystyk rezystancja-pole magnetyczne
" Wybrać złącza do pomiarów na waflu dostarczonym przez prowadzącego.
" Podłączyć głowice pomiarowe do wybranego złącza.
" Wykonać wstępny pomiar charakterystyki R-H w celu dobrania zakresu pola i jego
kroku.
" Wykonać pomiary charakterystyk R-H złącz o różnych rozmiarach dla napięć
zasilania podanych przez prowadzÄ…cego.
2. Pomiary charakterystyk I-V i napięcia przebicia
Dla uprzednio podłączonych elementów wykonać pomiary:
" charakterystyk I-V lub do 900 mV w konfiguracji wysokiej i niskiej rezystancji
" charakterystyk I-V do poziomu napięcia powodującego przebicie złącza.
7
IMiKU  Katedra Elektroniki AGH  Laboratorium Spintroniki I
IV. Opracowanie wyników
Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia powinno zaczynać się tabelką
Inżynieria Materiałowa i Konstrukcja Urządzeń
Tytuł:
Imię Nazwisko: Numer zespołu: Data wykonania ćwiczenia:
Wydział, rok, grupa: Uwagi: Ocena:
1. Pomiary charakterystyk R-H
a) Opisać budowę (strukturę warstwową) mierzonych złącza.
b) Przedstawić na wykresie charakterystyki R-H dla różnych napięć zasilania złącz.
c) Wyznaczyć:
" Tunelową magnetorezystancję zgodnie z równaniem (1),
" Pola przełączeń (HP1,2) warstwy swobodnej oraz pole przesunięcia (HS)
charakterystyki R-H względem zera pola, równanie (2).
2. Pomiary charakterystyk I-V i napięcia przebicia
a) Przedstawić na wykresie zależność I-V dla stanu niskiej i wysokiej rezystancji.
b) Przedstawić na wykresie zależność R-V dla stanu niskiej i wysokiej rezystancji oraz
omówić charakter zmian tych rezystancji.
c) Przedstawić na wykresie zależność "R-V, gdzie "R=(RAP-RP).
d) Przedstawić na wykresie zależność TMR-V i wyznaczyć napięcie V1/2.
e) Przedstawić na wykresie zależność G-V dla stanu niskiej (GAP) i wysokiej (GP)
konduktancji.
f) Przedstawić na wykresie zależność "G-V, gdzie "G=(GP-GAP) i omówić jej charakter
zmian.
g) Wyznaczyć z dynamiczne konduktancje dI/dV w stanie wysokiej i niskiej rezystancji-,
poprzez numeryczne różniczkowanie charakterystyki (I-V)- oraz przedstawić jej na
wykresie.
Literatura:
M. Ziese, M. J. Thornton, Spin electronics, Springer, Berlin (2001).
A. Fert, Geneza, rozwój i przyszłość spintroniki, Postępy fizyki, Tom 59, Zeszyt 6, (2008).
Opracował Piotr Wiśniowski
8