CC BY
31
УДК 621.317.365
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НАЯВНИХ МАГН1ТОРЕЗИСТИВНИХ ЕФЕКТ1В ТА ОСОБЛИВОСТЕЙ РЕАЛГЗАЦП ПРИСТРОЮ НА IX ОСНОВ1
Вунтесмерг Вал.С., Витяганець А.1.
Розглянуто класифтацЮ пристрот на основ1 магтторезистивних ефект1в. Запро-поновано використання цих ефект1в у вим1рювальних магтторезистивних перетворю-вачах енерги електромагттного поля
Вступ. Постановка задачi
Тонкоплiвковi магшторезистивш (МР) пристро!' широко використову-ються у рiзних областях науки i технiки: в авiацiйнiй, космiчнiй, автомобь льнiй промисловостях, медицинi, в системах охорони, пристроях пам'ятi та зчитування, як гальвашчш розв'язки, датчики магштного поля т.iн. [1]. За останш к1лька десятилiть було вiдкрито кшька нових МР ефектiв: ефект ашзотропп магнiтоопору (ЛЫК), ефект гiгантського магштоопору (GMR), спiн-тунельний (БТЫК) та стн-вентильний (БУЫК) МР ефекти, якi пред-ставляють практичний iнтерес бо з'являються при малих магнiтних полях. На основi цих ефектiв створено новий клас пристро!в, основними перевагами яких е енергонезалежнiсть, невеликi розмiри, можливiсть вимiрюван-ня як постшних, так i змiнних магнiтних полiв вiд пiкотесла до к1лькох тесла, температурна та радiацiйна стшюсть, технологiчнiсть. На характеристики таких пристро!в впливають параметри тонкоплiвкових МР структур: наявшсть осей легкого i важкого намагнiчування, поле магштно!' ашзотропп i коерцитивна сила магнiтних плiвок структури, коефiцiент МР ефекту, енерпя обмшно!' взаемодп мiж магштними плiвками, товщина та кiлькiсть магштних i немагнiтних шарiв. Наведене обумовлюе актуальнiсть вивчен-ня особливостi практично! реашзацп пристро'в на основi МР ефекпв.
1. ПристроУ на основi ЛМЯ-ефекту
На рис. 1 показана чутливють рiзних МР датчик1в. Для великих магштних полiв (кшька тесла) найбшьш широко використовуються нашвпровщ-никовi магнiторезистори i GMR-магнiторезистори, а для перетворення малих полiв - АМЯ-магшторезистори. СЫК-магшторезистори на окислах пе-ровкситу з домiшками марганцю з "колосальною змiноюм магнiтоопору широкого використання поки не знайшли. Залежшсть змiни величини опору ашзотропно!' структури ЛК вiд кута ф мiж вектором намагнiченостi Ы вщносно напрямку струму у феромагнетику I дорiвнюе:
ЛК = (Лр / р)К ооб2 ф, (1)
де (Лр / р) - коефщент магшторезистивного ефекту.
Дослщження багатошарових пермалоевих структур з роздшювальним шаром (Та) показало, що оптимальна кшьюсть магнiтних шарiв дорiвнюе двом, а оптимальна товщина роздшювального шару складае 3 - 4 нм. Збь льшення числа магнiтних i роздiлювальних шарiв та 1'х товщини майже не
Рис.1
впливае на магштш характеристики багатошарових структур [2]. У МР елементах пам'ят! на основ1 ЖЖ-ефекту використовуються двi однаковi плiвки, як1 перемагнiчуються одночасно, що необхщ-но для динамiчного зчитування записано!' iнформацii. Таке ршення виправдано за-вдяки технологiчнiй простот отримання структур, надiйностi способiв керування i неможливостi використання статичного зчитування, через малу величину ефекту. Найчастше ^МЯ-ефект використовуеться при створеннi датчиюв магнiтного поля (для перетворення магштного поля у змiну опору, а попм у змiну напруги або струму на виход^.
На рис. 2 наведений МР вимiрювальний перетворювач активно!' потуж-ност1, оснований на гальваномагштних явищах в тонких магштних пшв-ках. Перетворювач мае два незалежш входи. Електричний вхiд пов'язаний з електричним полем в лшп передачi або з напругою, прикладеною до перетворювача { магштний вхщ, який пов'язаний з магнiтним полем лiнii передачi або зi струмом, який протiкае в ланцюзь Сигнал параметричного множення ио зшмаеться з кiнцiв магнiторезистору. При створенш ват-метра, плiвку пiдключають до електрично!' мережi i розмiщують у магштному полi про-вiдника зi струмом [3,4].
2. ПристроУ на основi СМ^-ефекту
Ефект змiни опору майже на 115 % при 4,2 К шд дiею магштного поля, який виникае в блоках, складених, наприклад, з тонких шарiв залiза тов-щиною 3 нм i кобальту товщиною 4 нм (рис. 3) називають гiгантським ма-гнiтоопором. Вiдносна змiна опору при цьому розраховуеться так:
(АЯ / Я)н_ (Ян=0 - Ян>Нз)/ Ян>Нз, (2)
де Ян_0 - опiр магшторезистора при вiдсутностi зовнiшнього магнiтного поля, Ян>н - опiр магшторезистора при намагшчеш його до насичення.
Багатошарова структура GМЯ-магнiторезистора мае вигляд:
ФП / НМ / ФП, (3)
де ФП - феромагштна пшвка (РеМ, Со¥в, РеМСо), НМ - роздшювальна немагнiтна плiвка (Си, Ре).
Роздiлювальна немагнiтна плiвка повинна зшвелювати обмiнну взаемодiю, щоб магштш пшвки поводили себе незалежно. Недолжом матерiалiв в яких виявлено подiбний ефект е необхiднiсть прикладення досить сильних магштних полiв насичення (понад 10 кЕ), потрiбнiсть у забезпеченш висо-
Рис. 2
ко! точносп технолопчних параметр1в 1 товщин пл1вок, зокрема роздшю-вальних. Товщина окремих шар1в лежить в межах кшькох нанометр!в. Не-магштна мщь роздшяе м1ж собою окрем! шари зал1за або кобальту (рис. 3). Це роздшення е настшьки тонким, що шари кобальту зчшлюються 1 в результат! утворюеться штучний антиферомагнетик. Зовтшт шари виготов-ленн! з магштом'яких матер!ал!в, як! намагн!чуються в напрямку дп зовш-шнього магштного поля, при цьому шари кобальту не змшюють напрям намагн!ченост! шд д!ею зовн!шнього поля [5]. Сшни електрон!в у зовшш-н!х шарах також впорядковуються в напрямку дп зовн!шнього поля. Сере-дне значення довжини вшьного проб!гу електрон!в з! сп!нами, як! парале-льн! напрямку намагшчування штучних антиферомагнетик!в, значно пере-вищуе товщину шару в блощ. Ц! електрони практично не розсшються.
Рис. 3
Рис. 4
З шшого боку, електрони з антипаралельним сшном практично повшс-тю розсшються всередиш блока, ! суттево збшьшують електричний оп!р блока. Найменшого розсшвання електрони зазнають у випадку, якщо зов-н!шн! ! внутр!шн! шари намагшчеш в одному напрямку, у цьому випадку отр зразка мшмальний. Максимальний оп!р спостер!гаеться у випадку, коли намагшченост зовн!шн!х ! внутршшх шар!в антипаралельн!. Тобто зм!на опору зразка залежить не вщ величини магштного поля, а вщ змши напрямку дИ поля, оск!льки тшьки кут м!ж напрямками намагн!ченост! ви-значае сумарний оп!р системи (рис. 4). Найбшьш часто под!бн! структури використовуються в магн!тометрах ! компасах, перетворювачах струму, МР пристроях пам'ят! з дов!льною виб!ркою, головок зчитування тощо.
2.1. ПристроУ на основi £ТМ^-ефекту
БТМЯ-ефект полягае у тому, що ошр структури залежить вщ кута м!ж векторами намагн!ченост! сусщшх магн!тних пл!вок ! визначаеться великим опором тунельного переходу, який знижуе величину тунельного струму, що протжае ортогонально площиш пл!вки ! розс!ювану потужн!сть.
На основ! експериментальних даних було отримано, що сшнова поляри-зац!я електрон!в пропорцшна магн!тному моменту феромагн!тних пл!вок.
Багатошарова структура 5ТМК-магшторезистора мае вигляд:
ФП1 / ШД / ФП2, (4)
де ФП1, ФП2 - зафжсована i рухома феромагштш плiвки, ШД - шар дiе-лектрику (Al2O3, Si).
Змша величини ашзотропп магштоопору STMR-структури Ар / р для фiксoвaнoi i рухомо1 сyсiднiх мaгнiтних плiвoк мае вигляд:
Ар / р = 2P1P2 (1 - P1P2), (5)
де P1, P2 - пoляpизaцii зaфiксoвaнoi i pyхoмoi феромагштних плiвoк. Кoефiцiент ефекту для структури CoFe/Al2O3/CoFe - 22 % [6]. На 0CH0Bi STMR-ефекту ствopенi елементи пам'ят i датчики мaгнiтнoгo поля. Зараз проводяться дослщження по розробш SТMR-тpaнзистopiв, як1 пopiвнянo з ix нaпiвпpoвiдникoвими аналогами, менш енеpгoзaлежнi, радь aцiйнoстiйкi i дозволяють об'еднання в однш теxнoлoгiчнiй oпеpaцii ix ви-готовлення.
2.2. ПристроУ на 0CH0Bi SVMR-ефекту
Багатошарова структура SVMR-мaгнiтopезистopa мае вигляд:
Шдкладка / Пiдшap / ФП / НМ / ФП / ФШ / ЗШ, (6)
де ФП - феромагштна плiвкa (FeNi, FeNiCo), НМ - роздшювальна немаг-нiтнa плiвкa (Cu, Ag, Au), ФШ - фжсуючий антиферомагнитний шар (у-FeMn, TbCo, NiO), ЗШ - захисний шар (Та).
ФШ створюе oбмiннy aнiзoтpoпiю в шapi ФП2, внaслiдoк чого вектор намагшченост шару ФП2 може бути пеpеopiентoвaний лише у великих магштних полях (порядку 200 ерстед), тoдi як шар ФП1 пеpемaгнiчyеться у слабких мaгнiтниx полях (менше 20 ерстед). Для пермалоевих або кобаль-тових SVMR-мaгнiтopезистopiв у слабких магштних полях AR / R дopiвнюе 5 - 10 %. У структурах, де ФШ вщсутнш, використовуються плiвки ФП1 i ФП2 з piзними коерцитивними силами.
Зaлежнiсть змши величини опору SVMR-структури AR вщ кута j мiж вектором намагшченост фiксoвaнoi i вiльнoi сyсiднix магштних плiвoк вiднoснo напрямку струму у феромагнетику I мае вигляд:
AR = 0,5(Ар / p)R(1 - cos j) (7)
Струм у феромагнетику може протжати у площиш плiвки i перпендикулярно площиш плiвки. У першому випадку, ошр плiвки незначний i мае мюце планарний SVMR-ефект, у другому - ошр структури визначаеться товщиною плiвoк, i тому дуже великий. Незважаючи на дещо бiльший ко-ефщент ефекту, у другому випадку, у техтщ широкого використання вiн не знайшов через низьк температури при вимipювaннi. Параметри SVMR-структури визначаються ii кoнфiгypaцiею, теxнoлoгiею виготовлення i ма-гнiтним вiдпaлoм, який використовуеться для шдвищення температурно!' стaбiльнoстi i збiльшення величини кoефiцiентa ефекту. SVMR-структури використовують у головках зчитування, датчиках магштного поля, за-пам'ятовуючих елементах. Вимоги до SVMR-структур для за-пам'ятовуючих елементiв вiдpiзняються вiд вимог до структур для датчи-
KiB i головок зчитування. OcHOBHi вiдмiнностi полягають у тому, що для запам'ятовуючих елементiв потрiбна стiйкiсть записано! шформацп i не важлива чутливiсть до магштного поля. Це означае, що SVMR-структури для елементiв пам,ятi повинш мати пiдвищеннi поля перемагнiчування, як максимально повиннi розрiзнятися для вшьно! i зафiксованоi плiвок.
У МР елементах пам'ят на основi SVMR-ефекту використовуються пль вки з рiзним значенням Hr. Зовнiшнiм магнiтним полем, створюваним струмом в спецiальному провщнику i полем струму датчика, який протiкае по плiвцi, перемагнiчують тшьки плiвку з мiнiмальним Hr, що необхщно для статичного зчитування записано! шформацп.
Висновки
Технологiчний прорив щодо збiльшення у 20 разiв емносл носiiв шфо-рмацii (до 400 Гбайт) за рахунок ущшьнення запису шформацп забезпечи-ли GMR-структури, яю мають високу чутливiстю до магштного поля при малому геометричному розмiрi, що i дозволило скоротити розмiр бiта. На SVMR- i STMR-ефектах створенi спiновi транзистори, ведуться розробки по створенню спiнових процесорiв. За рахунок збшьшення коефiцiента ефекту в SVMR- i STMR-структурах порiвняно з AMR-структурами можна суттево пiдвищити точшсть перетворення вимiрювальних МР перетворювачiв активно! потужносп, пiдвищити ix швидкодш, збiльшити динамiчний дiапа-зон сигналiв, особливо в область пiдвищення рiвнiв потужностi, провести
ускладнення функцiональниx можливостей перетворювачiв.
Л1тература
1. Tumanski S. Thin Film Magnetoresistive Sensors. - CRC Press, 2001. - 576 р.
2. Касаткин С.И., Васильева Н.П., Муравьев А.М. Многослойные тонкопленочные маг-ниторезистивные элементы. - Тула: РАН; Институт проблем управления 2001. - 186с.
3. Vountesmeri V. Magnetoresistive multipliers as a new base for watt-converters // IEEE. Transactions on instrumentation and measurement. - 1998. - № 5. - P. 1395 - 1398.
4. Вунтесмери Вал.С., Вытяганец А.И. Исследование частотной характеристики магни-торезистивного измерительного преобразователя активной мощности низких частот // Известия вузов. Серия "Радиоэлектроника". - 2007. - № 12. - С. 45 - 48.
5. Фiзичнi основи електронно! техшки / З.Ю. Готра, I.C. Лопатинський, Б.А. Луюя-нець та ш. - Львiв: Бескид Бгг, 2004. - 880 с.
6 Moodera J., Kinder L., Wong T., Meservey R. Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junction//Phys.Rev.Lett. 1995. V. 74. № 16.
Ключов1 слова: магшторезистивш перстворювач^ перетворювачi активно! потужносп, феромагштш пшвки
Вунтесмери Вал.С., Вытяганец А.И. Исследование имеющихся магниторезис-тивных эффектов и особенностей реализации устройств на их основе Рассмотрена классификация устройств на основе магниторезистивных эффектов. Предложено их использование в измерительных магниторезистивных преобразователях энергии электромагнитного поля. Vountesmeri Val.S., Vytiaganets A.I. Research of present magnetoresistive effects and features of realization of devices on their bases Classification of devices on the basis of magnetoresistive effects is considered . Their use in the measurings magnetoresistive transformers of energy of the electromagnetic field on magnetic thin films is offered.
