磁电子器件及其应用

磁电子器件及其应用

摘要：介绍磁电子器件的研制及应用动向。具体说明自旋阀——巨磁电阻磁头、磁传感器、磁随机存取存储器和量子化磁盘等器件的结构、工作原理及其应用，展望磁电子器件未来的发展。

关键词：纳米磁性材料；纳米制造技术；自旋电子；巨磁电阻（GMR）效应；磁头；磁传感器；磁随机存取存储器（MRAM）；量子化磁盘（QMD）

1 引言

磁电子器件是近几年才出现的新型高技术产品，它是采用纳米制造技术把微小尺寸的磁性元件与传统的半导体器件结合在一起，得到全新的或者高功能的器件。这类器件以铁磁金属中的费米面上或其附近的电子部分地被自旋极化为基础进行工作。电子自旋度愈高，自旋输运效应愈大。如果铁磁层的磁矩全部排列在同1个方向上，器件就有低电阻，若交替反向排列，器件就有高电阻，改变磁矩的排列方向便可以改变电阻值。

磁电子新技术的实用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技术的成功开发。在过去30多年中，对自旋极化输运虽有许多令人鼓舞的想法和实验，但最明显的是在1988年发现的GMR效应，这才是最重要的动力[1]。GMR效应最初是在给金属多层膜（Fe/Cr）面内加电流（CIP）发现的，后来在垂直膜面加电流（CPP）也观察到这种现象。最近，在用绝缘隧穿势垒层隔离的两种金属铁磁薄膜中还观察到室温自旋相关隧道（SDT）效应，其电阻值变化比前者更大。

发现GMR效应后，在应用电子随机自旋度的道路上迈开了第一步。最近10多年来，对自旋输运电子技术的应用开发取得迅速的进展，收到明显的经济效益和社会效益。1995年，美国NVE公司开始制造和销售GMR电桥元件，1997年推出制作在半导体芯片上的数字式GMR传感器；1998年IBM公司开发成功自旋阀（SV） GMR读出磁头并正式上市，使硬磁盘驱动器（HDD）的面记录密度提高到20Gbpi。据统计，目前这种磁头已占领磁记录磁头市场份额的95％，每季度的产值可达10亿美元。2000年，富士通公司开发出记录密度达56.3Gbpi的SV GMR磁头；1998年，西门子公司开发的旋转检测GMR传感器上市；从1999年至2001年，美国的IBM、摩托罗拉，德国的Infineon等公司先后研制成功实用的MRAM芯片。

美国国防部高级研究计划局（DARPA）于1995年创立了1个联合企业，并拟订了1个正式的DARPA 计划——“Spintronics"（自旋输运电子技术）。该项计划的核心内容是应用GMR效应，开发各种磁传感器和非易失存储器。同时，还拥有开发GMR以外的其他器件的特许权，其中包括自旋相关隧道结构及实用的磁性氧化物。DARPA计划排定日程，将在以后的几年内制造出1MbitMRAM芯片，开发出实用的军用和民用磁传感器和磁存储器。同时，着手Spin FET、Spin LED自旋共振隧道效应器件、自旋相关器件和自旋量子化器件等多种新型磁电子器件的研究与开发[2]。

2 SV-GMR磁头和传感器[3]

构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀（SpinValve）元件。它的基本结构是由钉扎磁性层（例如Co）、Cu间隔层和自由磁性层（例如NiFe等易磁化层）组成的多层膜。钉扎层的磁矩固定不变，由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV GMR元件的电阻值改变，进而使读出电流发生变化。为了提高SV元件的灵敏度，必须把自由磁层做得很薄。但是，这样又将导致界面传导电子的不规则反射而降低电阻的变化率。因此，后来又增设了一层氧化物，使电子成镜面反射，故而又把这种元件

叫做“镜面SV元件”。

从2001年起，GMR磁头制造商正式采用镜面SV元件。据报告，用这种镜面SV GMR磁头，可以读出100Gbpi面记录信息。

1995年，在用绝缘隧道势垒层代替SV元件中的Cu间隔层时，发现了室温自旋相关隧道（SDT）效应，称为隧道结磁电阻（TMR）效应。目前，由这种现象感生电阻的变化率已高达40％，是GMR效应的数倍至10倍，较之GMR元件，检测灵敏度有很大的提高。现在正在积极研究和开发这种TMR元件。

实际上，磁头是1种检测磁场强弱、把磁信号变换成电信号的磁传感器。使用软磁合金薄膜，利用其磁电阻（MR）效应工作的磁传感器，除了用作磁记录读出磁头外，还在检测电流、位置、位移、旋转角度等方面获得了广泛的应用。运用SV GMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件高1至数个量级，更容易集成化，封装尺寸更小，可靠性更高。它不仅可以取代以前的MR传感器，还可以制成传感器阵列，实现智能化，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征，跟踪地磁场的异常现象等。还有人提出可以作为抗体和生物标本检验的传感元件，应用范围较之MR传感器显著扩大。当前，GMR传感器已在液压汽缸位置传感、真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用。在军事上，GMR传感器有着更加重要的应用价值。美国军方正在研制高g军火用捷联式（Strop Down）MEMS传感器，用在制导、导航和控制（GN＆C）或时空位置信息（TSPI）中，为测评部门进行飞行中的诊断和用于惯性测量（IMU）中。按陆军的“加固次小型化遥测装置和传感系统（HSTSS）”计划，将提供一大宗商品性成品和组装技术，用于诊断高g和高自旋军火，如火炮、导弹、坦克等。ARL完成了MEMS压力、加速度、角速度和磁场传感器的若干地面和飞行实验。用磁场传感器可以推断与磁场相关的角速度，具简便易行。1996年，ARL用遥测装置和MR磁场传感器（如测自旋速率的Honeywell1002,SCSA50型），检测120mm动能飞弹。在他们新近开发的遥测精密跟踪插塞( 20×35mm）中，使用了新的GMR传感器，成功地用于105mm动能训练飞弹试验。

3 巨磁电阻随机存取存储器（MRAM）[4]

这是采用纳米制造技术，把沉积在基片上的SV GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列，形成存储单元，以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0”；与半导体存储器一样，是用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读出的1种新型磁存储器。给导体图形加上脉冲电流，只使两磁性层中的1层（自由磁层）磁化反转，完成信息写入。在用SV GMR膜作存储单元时，由于其中1磁性层的磁化被反铁磁性层（钉扎层）固定在一个方向上，所以，存储器只用另1层的磁化反转工作。这样，在读出时一旦记录的信息被消去（破坏读出），只要把两磁性层做成厚度不同或者矫顽力值不同的准SV GMR膜，通过调节工作电流，就能够以各磁性层单独地磁化反转达到非破坏读出。为了有选择地将信息写入2元排列的存储单元群，使用由字线和位线电流产生的合成磁场来实现。目前认为，读信息时单元选择最有希望的是CMOS FET电路；它基本上是用磁性体代替DRAM中的电容器构成的。在实际的MRAM中，尚需加上位地址指定编码电路、施加脉冲电流的驱动电路及读出用传感放大电路等。

MRAM潜在的重要优点是非易失性，抗辐射能力强、寿命长。这些是DRAM、SRAM等半导体存储器所不具备的性能。同时，它又兼有后者具有的大容量、高速存取、低成本、高集成度等特点。因此，MRAM 不仅被军事和宇航业界所看重，而且在迅速普及的数码照相、移动电话及多媒体信息处理等广阔的民用市场中得到应用。

正因为如此，美、日、欧等发达国家和地区及高新技术产业界都十分重视这项新技术，正投巨资加快产品的商业化。据Infineon公司报告，他们将在2004年使256MbMRAM芯片商品化。日本行家估计，1Gb的产品将在2006年～2007年上市。

4 量子化磁盘（QMD）[5]

QMD的基本概念是在非磁性盘基中独立地埋入若干单畴磁性元件，每个元件都有精确规定的形状和预先指定的位置。最重要的是，这些元件有强的磁化。这种磁化和MRAM一样，是不加外磁场的磁化，并且只有两个稳定的状态：数量相等而方向相反的状态。每个单畴元件的磁化方向代表1个二进制信息位“0”或者“1”。根据磁化方向，QMD可以有两种模式：垂直磁化QMD和横向磁化QMD。前者用磁柱，后者用磁条带。这些磁性柱子或条带，采用X射线或电子束平版印刷，辅以反应离子刻蚀而成。最近，还开发出1种高效低成本的nanoimprit lithography印刷术。开关（转换）磁化方向需要的磁场，通过精心设计的元件尺寸和形状来控制。

和传统的HDD比较，QMD有如下几个优点：每位的磁化会自行量子化；量化写入过程，可以消除对写入头高精度定位的要求；细小而平滑的分立转变层，允许高密度数据堆积，存储密度在100Gbpi以上，而开关噪声可接近零；有内置的读/写位置精密跟踪机构；克服了现有磁存储器存在的超顺磁性极限的一大缺点。nanoimpritlithography印刷术的开发成功，为QMD的商品化开辟了光明的前景。

5 结束语

以上简单介绍了几种目前已经实用化或者接近实用阶段的磁电子器件。此外，还在积极研发GMR生物传感器、自旋晶体管、自旋阀晶体管、自旋发光二极管等新型磁电子器件。

磁电子学是一门近年飞速发展的新兴学科。对它的研究都可以归纳为对自旋极化电子输运特性的研究。未来的研究方向将在寻找百分之百自旋极化材料、自旋注入技术以及自旋极化输运的基础理论研究中展开。与此同时，还将开发高效低成本的应用技术及设备仪器。对磁电子学的深入研究必将对物理学和电子技术的发展产生深远的影响；同时对其应用技术及相关设备仪器的开发高新技术产业、国防和人类生活作出重大的贡献。