CC BY
20
УДК 669.293.3;681.327.66
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА №Ее-8Ю-№Ре НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР
С. И. Касаткин1, А. М. Муравьев1, Ф. А. Пудонин
Рассмотрены результаты исследований по созданию магнитополупроводниковых наногетероструктур NiFe-31С-М1Ге и изучению их магнитных свойств. Обнаружено зависящее от магнитного поля взаимодейств ду полупроводниковым и магнитными слоями. Индукционным способом исследовано влияние конфигурации и параметров наноструктур на их магнитные свойства и обнаружена нелинейная зависимость магнитных параметров исследуемых структур от магнитного поля.
Исследование магнитных свойств многослойных, а именно, спин-вентильных и спин-туннельных магниторезистивных структур, является одним из актуальных направлений физики магнитных явлений и магнитной микро- и наноэлектроники. Толчком к изучению магнитных структур явилось открытие в 1988 г. гигантского магнитосопро-тивления. Особый интерес представляют спин-вентильные и спин-туннельные магни торезистивные наноструктуры, в общем случае представляющие собой две магнитные пленки, разделенные низкорезистивной немагнитной прослойкой из меди, золота или серебра (спин-вентильные магниторезистивные структуры), либо диэлектрической прослойкой из А120з (спин-туннельные магниторезистивные структуры) [1]. С прикладной точки зрения более перспективными представляются спин-туннельные магниторезистивные структуры, в которых получены значения гигантского магниторезистивного сопротивления свыше 40% при комнатной температуре. На их основе уже созданы образцы датчиков магнитного поля с чувствительностью около 10_6 Э [2], экспериментальные образцы магниторезистивного запоминающего устройства с произвольной выборкой
1 Институт проблем управления РАН.
(MRAM) емкостью 256 Кб [3] и спинового транзистора [4]. Ранее, авторами уже были изготовлены и исследованы подобные спин-туннельные магниторезистивные структуры и спин-туннельные переходы на их основе [5, 6].
В последнее время все больше внимания привлекают магнитные наноструктуры с полупроводниковыми слоями. Наряду со спиновой поляризацией тока в таких структурах наблюдаются оптические эффекты, что расширяет область возможных применений магнитных структур. В [7] приведены результаты исследования спинового транзистора с 60% эффектом на основе спин-вентильной магнитополупроводниковой наногетеро-структуры Si-NiFe-Cu-NiFe-GaAs с вертикальным протеканием сенсорного тока.
Одним из перспективных полупроводниковых материалов, представляющим интерес для подобных наногетероструктур, является карбид кремния SiC [8]. Данный материал обладает большими шириной запрещенной зоны 2.4 эВ и электрическим полем пробоя 2.0 MB/см, имеет множество политипов и высокую подвижность электронов, обладает большими теплопроводностью 4.9 Вт/(смК) и температурой плавления 2830°С. У некоторых политипов карбида кремния наблюдается двулучепреломление, что позволяет ожидать от него необычных магнитооптических свойств.
Структуры FeNi-SiC-FeNi различной конфигурации выращивались на ситалловых подложках методом ВЧ напыления (Sputron-II, Balzers) при последовательном распылении поликристаллических мишеней FeNi и SiC. Скорости осаждения SiC и FeNi составили 3.38 нм/мин и 4.45 им/мин соответственно. Начальный вакуум был не хуже 5 х Ю-7 Topp, специальный подогрев подложек в процессе напыления не проводился, температура же подложек в процессе роста не превышала 70°С. Было выращено: три серии FeNi-SiC-FeNi наноструктур, внутри каждой из которых толщина слоев FeNi была фиксированной (dm — 3 нм, 4 нм и 6 нм), а толщина слоев SiC d5 в каждой серии изменялась от 0.9 нм до 2.7 нм с шагом 0.3 нм (всего в каждой серии по 7 образцов); две серии наноструктур с асимметричным расположением слоя SiC сверху и снизу наноструктуры (SiC-FeNi-Ti-FeNi и FeNi-Ti-FeNi-SiC) и с различной толщиной этого слоя (по три образца в каждой серии); одна серия с асимметричным расположением SiC слоя сверху наноструктуры с различной толщиной разделительного слоя Ti (четыре образца). Каждая серия структур выращивалась в едином технологическом цикле, и каждый образец изготовлялся в идентичных технологических условиях в одном и том же месте вакуумной камеры.
Магнитные свойства полученных наноструктур исследовались индуктивным методом, который позволяет получить информацию о перемагничивании магнитных пленок
и каким способом это перемагничивание происходит: движением ли доменных границ или вращением намагниченности. Метод позволяет определить коэрцитивную силу Яс, поле магнитной анизотропии Нк, наличие и ориентацию оси легкого намагничивания (ОЛН), обнаружить обменное взаимодействие между магнитными пленками и оценить его степень, а также однородность магнитных параметров по площади образца, их зависимость от величины перемагничивающего магнитного поля.
Разработанная авторами индукционная установка позволяет измерять магнитные параметры как сверхтонких магнитных пленок с толщиной от 5 нм, так и толстых магнитных пленок с толщиной до нескольких микрометров на разных стадиях технологического процесса [9].
При измерении исследуемая структура вводится внутрь управляющей катушки, предназначенной для формирования переменного магнитного поля Н&. Перпендикулярное переменному полю постоянное магнитное поле (Н=), необходимое для обеспечения измерений поля анизотропии пленки (Я^), формируется второй управляющей катушкой, которая по своим размерам больше первой. На время проведения измерения Нк первая управляющая катушка вместе с исследуемым образцом вдвигается во вторую. Преобразование изменения магнитного потока в электрический сигнал осуществляется системой считывающих катушек, расположенных около исследуемой структуры.
Типичный сигнал считывания от наногетероструктуры с двумя магнитными ело ями при перемагничивании вдоль ОЛН состоит из одного положительного и одного отрицательного импульсов, что говорит о совместном перемагничивании двух ферромагнитных пленок. Малая длительность импульсов без дополнительных пиков очна чает хорошее совпадение и однородность магнитных параметров пленок по площади и толщине образца, отсутствие взаимодействий как между самими ферромагнитными пленками, так и с дополнительными слоями.
В табл. 1 приведены сведения о величине коэрцитивной силы Нс в эрстедах вдоль ОЛН, об анизотропии и о сдвиге коэрцитивной силы при изменении размаха переменного внешнего поля для образцов наногетероструктур с различной толщиной магнитных (с1т) и полупроводникового (¿в) слоя. Можно видеть, что с ростом толщины магнитных слоев при фиксированной толщине слоя Б 1С наблюдается тенденция к падению величины коэрцитивной силы, что можно объяснить улучшением однородности слоев и изменением структуры доменных границ магнитных пленок. С ростом толщины магнитных пленок увеличивается доля образцов с повышенной магнитной анизотропией. При отсутствии магнитной анизотропии сигналы по ОЛН и оси трудного намагничивания (ОТН)
идентичны, при слабой анизотропии - коэрцитивная сила образца вдоль ОТН возрастает, сигнал становится пологим и меньшим по величине. Критерием сильной магнитной анизотропии является отсутствие сигнала считывания по ОТН, означающее, что пе-ремагничивание магнитных пленок происходит практически только вращением намагниченности. Наличие таких зависимостей является положительным моментом с точки зрения создания элементов на основе спиновых переходов с вертикальным протеканием сенсорного тока, т.к. повышается роль вращения намагниченности в процессе перема1 ничивания магнитных пленок и уменьшается гистерезис, возникающий из-за движения доменных границ и приводящий к зависимости магнитного состояния наноструктур}.! от предыстории.
Таблица 1
Зависимости коэрцитивной силы НС) магнитной анизотропии Нь и наличия сдвига Нс при изменении размаха внешнего поля от толщины
¿ц (нм) Нс(Э)/Нк/ наличие сдвига Нс при изменении размаха внешнего поля
<1т = 2 нм ¿т = 3 нм ¿т = 6 нм
0.9 13.О/слабая/нет 7.0/ сильная /нет 4.2/сильная/нет
1.2 7.9/слабая/нет 8.0/слабая/нет 3.4/сильная/нет
1.5 4.8/сильная / да 11.0/нет/нет 1.2/сильная/нет
1.8 4.4/слабая/нет 4.2/слабая/нет 3.6/ сильная / нет
2.1 9. О/слабая/да 3.4/сильная/нет 0.9/нет/нет
2.4 4.0/слабая/нет 3.0/сильная/да 0.7/сильная/нет
2.7 3.0/очень сильная/нет 5.8/сильная/да 3.3/слабая/нет
Принципиальным отличием магнитополупроводниковых /?еЛ^г-5гС-^еАгг наногете-роструктур от анизотропных магниторезистивных наноструктур с высокорезистивным разделительным слоем из Тг [10] и от спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с диэлектрическим разделительным слоем Л/2О3, в том числе с фиксирующим РеМп слоем [5, 6], является проявляющаяся в ряде образцов нелинейная зависимость Нс от размаха переменного перемагничивающего магнитного поля Н. При последовательном увеличении размаха переменного поля Н, начиная с некоторого его значения, происходит уменьшение Нс наноструктуры, и при дальнейшем увеличении поля начинается рост Нс с последующим насыщением. В образце с 4 = 2 нм и ¿а = 2.1 нм уменьшение коэрцитивной силы начинается при Н = 8 Э с величины Нс = 4.8 Э до 4 Э при Н = 20 Э. Затем начинается рост Нс приблизительно до исходной ее величины.
Изменение Нс магнитополупроводниковой наногетероструктуры в зависимости от величины размаха Н при постоянной конфигурации поверхностей подложки и всех слоев означает, что происходит изменение энергии доменных границ пермаллоевых пленок, что может быть связано с воздействием слоя 5гС на процесс перемагничивания пермаллоевых пленок. При этом величина воздействия на магнитные свойства пермаллоевых пленок зависит от величины перемагничивающего слоя. Такое сильное влияние БгС на магнитное состояние ферромагнитных пленок может означать воздействие и на маг-нитотранспортные свойства, т.е. на величину спиновой поляризации сенсорного тока, и на значение гигантского магниторезистивного эффекта. Как можно видеть из табл. 1, зависимость ЫС(Н) проявляется при повышенных значениях и при меньших значениях ¿т. Это достаточно логично, т.к. при таких условиях можно ожидать повышения влияния полупроводникового слоя на свойства ферромагнитных пленок.
Для получения дополнительной информации о взаимодействии ферромагнитного и немагнитного полупроводникового слоев были напылены две группы асимметричных наногетеростуктур: ГеЫЦ2нм)-Т1{1.2Ьпм)-ЕеМг(2нм)-81С(х) и SiC(x)-FeNi(2 нм)-Тг(1.25 нм)-ГеМ1{2 мл«). Цель - обнаружить разницу в магнитных параметрах ферромагнитных пленок, контактирующих со слоем 5гС и пленок, удаленных от него. Дополнительно проверялось влияние положения этого слоя относительно ферромагнитной пленки на ее параметры, так как ранее для наноструктур с фиксирующим антиферромагнитным слоем ЕеМп такое влияние уже было обнаружено. Толщины ферромагнитной и полупроводниковой пленок были выбраны в диапазоне, где влия ние полупроводникового слоя проявлялось наиболее сильно. В качестве разделительного слоя между ферромагнитными пленками с целью ослабления обменного взаимодействи я между ферромагнитными пленками был выбран Гг.
В табл. 2 приведены результаты измерения коэрцитивной силы Нс и поля смещения Н5 сигналов перемагничивания (петли гистерезиса) наногетероструктуры при измере нии по ОЛН и по ОТН. Различия в величине Нс ферромагнитных пленок, контактирующих со слоем и удаленных от него, не было обнаружено. С другой стороны, появилось не наблюдавшееся ранее смещение сигналов перемагничивания, достигающее 1 Э. При увеличении толщины слоя 5г'С наблюдается и увеличение анизотропии магнитных слоев Р'еЫг. Необходимо отметить, что толщина полупроводникового слоя сильно влияет и на величину коэрцитивной силы наногетероструктуры.
Таблица 2
Изменение величины коэрцитивной силы наногетер о структуры и сдвига петель гистерезиса при перемагничивании по ОЛН и по ОТН
Структура ¿бю, нм ОЛН ОТН
Нс, э На, Э нс, э На, Э
FeNi-Ti-FeNi-SiC 1.8 5.7 0.9 6.2 0.8
ТеМ-Г^еМ-Ж 2.1 8.2 1.0 9.3 1.1
2.4 7.0 0.8 8.1 0.2
1.8 7.4 0.7 6.4 0.3
ЗгС-РеМ-Тг-РеМ 2.1 6.2 0.8 6.9 0.9
SiC-FeNi-Ti-FeNi 2.4 8.2 1.0 9.4 1.0
Наличие смещения петли гистерезиса в исследуемых асимметричных наногетеро-структурах говорит о наличии взаимодействия между полупроводниковым слоем и ферромагнитными пленками. Отсутствие смещения петли гистерезиса в симметричных структурах объясняется тем, что оно имеет место в обеих пермаллоевых пленках и входит в величину Нс.
Для выяснения влияния слоя 5гС на характер взаимодействия между магнитными
о
слоями была изготовлена серия асимметричных структур с переменной толщиной Тг. Изменение толщины Тг имело целью изменить величину магнитной связи между слоями .РеТУг: Те./Уг(2 ил«)-Тг(х)-РеЛ^г(2 нм)-ЗгС(2.\ нм) с ¿п = 1.5 нм, 2.5 нм и 5 нм.
На рис. 1 показаны сигналы перемагничивания для данных наногетероструктур с ¿п = 1.5 нм (а), 2.5 нм (б), 3.5 нм (в) и 5 нм (г). При ¿л — 1.5 нм обменное взаимодействие между пермаллоевыми пленками превышает взаимодействие между Б ¡С слоем и прилегающей к нему пермаллоевой пленкой, и наногетероструктура из двух пермаллоевых пленок перемагничивается как единое целое. При ¿л = 2.5 нм с ослаблением обменного взаимодействия между пермаллоевыми пленками сигнал перемагничивания разделяется на два. Это означает, что ферромагнитные пленки начинают перемагни-чиваться раздельно с различными Нс. При дальнейшем росте ¿ц сигналы полностью разделяются с сохранением тех же тенденций в изменении Нс пермаллоевых пленок (рис. 2, кривые 1, 2). Смещение сигналов перемагничивания сохраняется и достигает 1 Э (рис. 2, кривые 3, 4). Что касается определения соответствия коэрцитивной силы прилежащей или удаленной пермаллоевой пленки, то более логичным было бы принять, что пленка с уменьшающейся Нс прилегает к Б 1С слою. В пользу этого говорит
усл.ед.
Н„, усл.ед.
Ц,, усл.ед.
Н„, усл.ед.
Рис. 1. Сигналы перемагничивания асимметричных FeNi-Ti-FeNг-SiC наногетерострук-тур с различными толщинами слоя Тг: а) ¿т, = 1.5 мл; б) ¿п = 2.5 нм; в) ¿Т{ = 3.5 нм; г) (¿т; = 5.0 нм.
величина большей Нс, которая может соответствовать коэрцитивной силе одиночной пермаллоевой пленки толщиной 2.0 нм.
Дополнительным доказательством, подтверждающим наличие (зависящего от величины перемагничивающего магнитного поля) взаимодействия между немагнитным полупроводниковым БгС слоем и пермаллоевыми пленками, является процесс перемагничивания образцов с максимальной ¿ц- С увеличением размаха Н появляется одиночный сигнал перемагничивания с положением пика 2.5 Э (рис. За). С ростом перемагничивающего поля одновременно происходит уменьшение амплитуды этого сигнала и появление по обеим сторонам от него двух других сигналов с положением пиков 2.0 Э и 4.3 Э для ¿п = 5 нм (рис. 36). При дальнейшем увеличении размаха поля первый сш нал исчезает (рис. Зв). Объяснение этого эффекта может быть следующее: до некоторой величины перемагничивающего поля обе пермаллоевые пленки перемагничиваются со-
Рис. 2. Зависимости величины коэрцитивной силы наногетероструктур и сдвига петель гистерезиса по ОЛЯ от толщины слоя титана при изменении размаха переменного внешнего поля. 1 — Нс верхнего слоя ^еЛЧ"; 2 — Пе нижнего слоя г; 3-Я, верхнего слоя FeNi\ 4 —Я, нижнего слоя FeNi.
вместно. С ростом перемагничивающего поля происходит увеличение воздействия БгС слоя на прилегающую к нему пермаллоевую пленку. Это означает увеличение взаимодействия между этим слоем и прилегающей к нему пермаллоевой пленкой, что и приводит к различному перемагничиванию пермаллоевых пленок.
Из полученных данных можно сделать вывод, что по характеру взаимодействия с ферромагнитными слоями полупроводниковый слой БгС во многом аналогичен антиферромагнетику (например, FeMn), который в подобных системах также фиксирует вектор намагниченности прилегающего к нему магнитного слоя.
В результате приведенной работы по получению и исследованию магнитополупро-водниковых FeNi-SгC-FeNi наногетероструктур различной конфигурации с широким спектром толщины полупроводникового и ферромагнитных слоев обнаружено взаимодействие между полупроводниковым 5гС слоем и ферромагнитной пермаллоевой плен-
Рис. 3. Сигналы перемагничивания асимметричной наногетероструктуры с = 5.0 нм при различных величинах размаха перемагничивающего поля: На < Нб < Нв.
кой. Взаимодействие увеличивается с ростом размаха воздействующего переменного внешнего магнитного поля. Кроме того, обнаружено нелинейное по магнитному полю поведение магнитных характеристик (Нс) магнитных слоев в данных структурах. Фи зические причины как появления магнитной нелинейности, так и сильного магнитного взаимодействия между ферромагнитными слоями и БгС в полученных наноструктурах пока до конца не выяснены. Можно предположить, что определенную роль здесь играет кристаллическая и электроная структура SiC. Для изучения причин столь необычного влияния 5гС на магнитные характеристики магнитных слоев планируется проведение магнитооптических исследований, чувствительных к поляризационным эффектам в структурах. Полученные результаты делают весьма перспективным использование подобных наногетероструктур для исследований обменного взаимодействия в много слойных структурах на основе полупроводников и магнетиков, а также для разработки на их основе спиновых элементов (спинтроники).
Рассмотренные магнитополупроводниковые наногетероструктуры, представляющие собой спин-вентильные магниторезистивные наноструктуры, являются базой для создания и исследования более сложных спин-вентильных и спин-туннельных магниторези-стивных наноструктур с фиксирующим слоем и основой спиновых переходов.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ N 01-02-16788, 01-02-16403 и гранта Программы "Физика твердотельных наноструктур" 97-1050.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Касаткин С. И.,Васильева Н. П., Муравьев А. М. Многослойные тонкопленочные магниторезистивные элементы. Изд. Гриф, Тула, 2001, с. 186.
[2] Т о п d г а М. et al. Micromagnetic design of spin dependent tunnel junctions for optimized sensing perfomance. J. Appl. Phys., 87, N 9, 4679 (2000).
[3] Motorola plans MRAM production in three years after making 256-Kbit prototype. www.siliconstrategies.com/story/OEG20001206S0Q67.
[4] К a s a t k i n S. I., M u г a v' j e v A. M., N i k i t i n P. I., et al. Sandwiched thin-film structure for magnetoresistive spin-tunneling sensors. Sensors h Actuators, 81 (1-3), 57 (2000).
[5] К a s a t k i n S. I., L о p a t i n V. V., Murav'jev A. M., et al. Spin-tunneling magnetoresistive sensor of magnetic field. Sensors & Actuators, 85, 221 (2000).
[6] D e s s e i n K. et al. Evolution of vacuum bonded GaAs/Si spin-valve transistors. J. App. Phys., 87, N 9, 5155 (2000).
[7] A p и с т о в В. Ю. Поверхность /?-SiC(100): атомная структура и электронные свойства. УФН, 171, N 8, 801 (2001).
[8] К а с а т к и н С. И., М у р а в ь е в А. М., Попадинец Ф. Ф. Прибор для измерения квазистатических характеристик магнитных пленок. Заводская лаборатория, N 7, 23 (2001).
[9] К а с а т к и н С. И., Муравьев А. М., Васильева Н. П. и др. Тонкопленочные многослойные датчики магнитного поля на основе анизотропного магниторезистивного эффекта. Микроэлектроника, N 2, 149 (2000).
Поступила в редакцию 1 февраля 2002 г.
