тунелни

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • Резултати и дискусия
  • заключение
  • методи
  • Подготовка на MTJ-MTJ бариери
  • Производство на гъвкави MgO бариерни устройства MTJ
  • Измерване на магнитни и транспортни свойства
  • Повече информация
  • Допълнителна информация
  • PDF файлове
  • Допълнителна информация
  • Коментари

елементи

  • Електрическо и електронно инженерство
  • Електронни устройства
  • Спинтроника

абстрактно

Магнитният тунел (MTJ), използващ MgO бариера, е един от най-важните градивни елементи за спинтронни устройства и се използва широко като миниатюризирани магнитни сензори. Това би могло да играе важна роля в носимите медицински изделия, ако те могат да бъдат произведени на гъвкави основи. Строгите производствени процеси обаче, необходими за получаване на висококачествени MgO бариери MTJ, ограничават интеграцията му с гъвкави електронни устройства. В тази работа разработихме метод за производство на високоефективна MgO бариера MTJ директно върху ултратънка гъвкава силиконова мембрана с дебелина 14 μm и след това прехвърляне и свързване към пластмасови основи. По-специално, такива гъвкави MTJ са напълно функционални и показват TMR съотношение до 190% при радиуси на огъване до 5 mm. Здравината на устройството се отразява в поддържаната отлична производителност и непроменено съотношение TMR след повече от 1000 цикъла на огъване. Доказаните гъвкави MgO-бариери MTJ отварят вратата за интегриране на високопроизводителни спинтронни устройства в гъвкави и носещи се електронни устройства за много биомедицински сензорни приложения.

През последните десетилетия гъвкавата електроника беше във фокуса на вниманието поради бързия растеж на пазара и нарастващия научен интерес. Гъвкавостта предлага големи предимства пред конвенционалната твърда електроника, като леки, огъващи се, преносими и потенциално сгъваеми устройства 1, които могат да бъдат интегрирани в много видове повърхности. Има перспективи за приложения като биологични 2 и носими устройства 3, 4. Гъвкавата електроника се възползва от неотдавнашното развитие на органичната и неорганичната електроника, които се приготвят с помощта на тънък филм или технологии за печат. Досега забележителните приложения, базирани на гъвкава електроника, включват дисплеи 5, органични светодиоди 6, органични слънчеви клетки 7 и различни видове сензори 8, 9. .

Тук разработихме различен метод и успешно демонстрирахме интегрирането на високопроизводителни гъвкави MgO бариери MTJ директно върху ултратънки силиконови мембрани. MTJ резервоарите и производствените методи се различават от резервоарите, изброени в реф. 33. При нашата процедура задната част на силиция беше директно гравирана в система от дълбоки изкопи. Крайната дебелина на гъвкавите MgO бариери MTJ се контролира от времето на ецване. Гъвкавите MgO-бариерни MTJ могат да бъдат поставени на всякакъв вид не-равнинна повърхност за допълнителни тестове. Дебелината на силициевата мембрана е около 14 μm и може лесно да се счупи до радиус на кривината 3,3 mm. По-нататъшното огъване към по-малък радиус на кривина за свободно стояща силициева мембрана става рисковано, защото малко напрежение на срязване ще доведе до нейното разпадане. Въпреки това, след прехвърляне върху пластмасова подложка, тя може да бъде допълнително огъната до радиус 2 mm. Произведените MgO MTJ бариери показват съотношение TMR при стайна температура до

190% с различни радиуси на огъване, което е много по-високо от преди постигнатото с гъвкави GMR или Al2O3 MTJ бариери върху органични основи 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23. Тези гъвкави MgO-бариерни MTJ отварят пътя за внедряване на високоефективни спинтронни устройства в гъвкави и носещи се устройства.

Резултати и дискусия

а ) MgO бариерните комини MTJ са отгледани върху (150 μm) тънка термично окислена силициева пластина; ( б ) MgJ бариерни MTJ са моделирани с помощта на стандартна UV литография и йонно смилане; След последващо отгряване, върху повърхността на устройството се нанася слой фоторезист S1813. д ) пробата е обърната и монтирана върху четири инчова силиконова пластина, покрита с фоторезист; д ) Извършено е дълбоко изкопаване с SF6 и Ar плазма за разреждане на задната част на силиция; ( е ) След внимателно отстраняване на фоторезиста с ацетон, най-накрая бяха освободени гъвкави MgO-бариерни MTJ.

Изображение в пълен размер

а ) Диаграма на MTJ стекове от MTJ бариери, използвани в тази работа. По ос на светлината и перпендикулярно на посоките на огъване беше приложено външно магнитно поле. Определяме радиуса на огъване (r 1) с деформация на опън като положителен (+) и радиус на огъване (r 2) с напрежение на натиск като отрицателен (-). б ) Поведение на огъване на действителните MTJ устройства, когато са поставени върху филм Kapton. Началото ( б ) показва MTJ структури с размер на колоната 4 x 12 μm2. ° С ) Самостоятелните гъвкави MTJ са огънати с помощта на шублери, до радиус на огъване 3, 3 mm без повреди. Началото ( ° С ) показва пълен и малък TMR контур със съотношение TMR до 190% за ненатоварено гъвкаво устройство MTJ. Продуктът на устойчивост (RA) е 1.6 x 104 m2μm2. Това също така показва, че този тип гъвкав MTJ може лесно да побере друга извита повърхност, като език. д ) Дебелината на ултратънкия силициев субстрат за нашия гъвкав MTJ е приблизително 14 μm, което е много по-тънко от силиция, използван за конвенционалните силициеви чипове (500 μm).

Изображение в пълен размер

Магнитните транспортни свойства като функция на радиуса на огъване бяха внимателно измерени при стайна температура за гъвкави MTJ проби с MgO бариера, както е показано на фигура 3. Пробата беше залепена към два комплекта извити държачи на проби с радиус на обхват. от 30 mm до 5 mm с помощта на лента Kapton. Характеристиката на радиус на огъване беше определена като положителна или отрицателна в зависимост от това дали налягането върху MTJ е опън и натиск, както е показано на фигура 2а. Магнитното поле е приложено по ос на светлината и перпендикулярно на посоките на напрежение. Пълните и по-малки вериги на TMR спрямо магнитното поле с различни радиуси на огъване са показани на ФИГ. 3а и вмъкването му за колона MTJ с размер

4 × 12 μm2 и произведение на площта на съпротивление (RA)

1, 6 × 104 2μm 2. Както е показано на вложката на ФИГ. 3а, при положителен радиус на огъване 5 mm, наклонът на превключване без CoFeB намалява; но наклонът на превключване без слоя CoFeB не намалява и запазва поведението на превключване на формата, както и плоската конфигурация с отрицателен радиус на огъване от -5 mm, което е в съответствие с други доклади за ефекта на напрежение в MTJ 35, 36. Както е показано на Фигура 3b, при различни радиуси на огъване съпротивлението в паралелно състояние (RP) остава почти същото, 342, 5 ± 1, 5 Ω. Само антипаралелното съпротивление на състоянието (R AP) се различава леко, което води до променени съотношения на TMR от 186 ± 6%. Зависимостта на радиуса на огъване R AP идва главно от напрежението, причинено от вариацията на анизотропното поле CoFeB на свободния слой, което леко променя антипаралелната конфигурация на MTJ 36. Подобен RP предполага, че магнитният транспорт през MgO бариерата в нашите MTJ е здрав и почти нечувствителен към механично напрежение.

а ) Пълни и по-малки TMR контури (вмъкнати) с положителен (опъващо напрежение) и отрицателен (натиск на натиск) радиус на огъване 5 mm. б ) Сума на съпротивлението при паралелни (RP) и антипаралелни (R AP) TMR съотношения за положителни и отрицателни радиуси на огъване от 30 mm до 5 mm. Данните за плоска конфигурация също бяха включени като отправна точка. Размерът на фугата е 4 x 12 μm2, а продуктът RA е около 1,6 x 104 104μm2.

Изображение в пълен размер

Ние количествено обясняваме стресовия ефект в нашите гъвкави MgO бариери MTJ, описваме приноса на стрес за анизотропията на свободния слой CoFeB: Ka, σ = 3 λ s σ/2 37, 38 и записваме индуцираното от напрежението анизотропно поле: Ha, σ = 3 λ s σ/μ 0 M s, така че общото анизотропно поле H намалява или увеличава Ha, σ при нестабилно или компресивно напрежение. където σ е едноосното напрежение поради огъване; λ s е ефективният коефициент на магнитострикция на CoFeB филма; и Ms е намагнитването на насищане на CoFeB. Връзката между компонента на напрежението (σ xx) и радиуса на огъване (r), когато дебелината на фолиото MTJ е много по-тънка от основата, се дава с 39 σ xx = Eε = Et/2 r, така че σ = σ yy - σ xx = - (1 - ν) σ xx, където t е общата дебелина на пробите (

дебелина на основата); E е модулът на Юнг, ε е деформацията и ν е коефициентът на Поасон. В нашата гъвкава MgO бариера MTJ субстратът е с дебелина около 14 μm. По време на нашия тест за огъване, минималният радиус на огъване при нашето измерване е приблизително ± 5 mm, така че максималното генерирано напрежение е приблизително ε

Освен това беше изследвано поведението на TMR при циклично огъване. Ефективността на устройството не се променя след огъване до 500 пъти с радиус 15 mm или огъване до още 500 пъти с радиус -15 mm. Всички цикли на TMR бяха измерени в равнинна конфигурация след циклиране. Както е показано на ФИГ. 4а, б, веригите TMR варират леко за различни цикли на огъване, които могат да бъдат приписани на остатъчното напрежение, както и посоката на магнитното поле, леко изместена по време на натоварването за всяко измерване. Ясно е, че съотношението TMR не е паднало под 1000 цикъла на огъване и е останало на 189 ± 4%, както е показано на фигура 4в. Резисторите в паралелно и антипаралелно състояние също остават същите, което показва висока производителност и добра стабилност на гъвкавите устройства с MTO бариера MTJ.

а ) пълни вериги TMR за различни цикли на огъване с радиус ( а ) 15 mm (напрежение на опън) и ( б ) -15 mm (натиск при натиск). TMR се измерва в плоска конфигурация след няколко цикъла на огъване за ( а, б ). ° С ) Съпротивление и TMR MTJ съотношение на устройството след различен брой цикли на огъване за радиус на огъване 15 mm. След 500 цикъла с радиус 15 mm, пробата MTJ беше подложена на още 500 цикъла с радиус -15 mm.

Изображение в пълен размер

заключение

В обобщение, получихме високоефективни MTJ бариери срещу MgO върху ултратънки силиконови основи с дебелина до 14 μm. Целият производствен процес не повлиява магнитоустойчивостта. Самостоящите гъвкави MTO бариери MTJ могат да се огъват до радиус 3,3 mm без повреди. След преминаване към лентата Kapton, устройствата могат внимателно да се изправят до 2 мм. Механичното напрежение, предизвикано от огъване, допринася до ± 4,7 kJ m-3 за ефективното анизотропно поле на слоевете CoFeB, което води до лека промяна на R AP в антипаралелното състояние. Съотношенията на TMR остават до 190%, независимо от радиуса на огъване. Съотношението TMR не се открива при повече от 1000 цикъла на огъване. Отличната производителност на гъвкавите MgO бариери MTJ ги прави отлични кандидати за високоефективни включени/изключени гъвкави магнитни сензори или дори сензори за налягане за гъвкави електронни кожи. Работата съчетава високоефективна спинтроника и гъвкава електроника, което може да доведе до нови приложения на гъвкавата спинтроника.

методи

Подготовка на MTJ-MTJ бариери

Като субстрат използваме двустранни полирани силициеви пластини с дебелина 150 μm и 300 nm SiO 2 от едната страна. Грапавостта на основата е под 0,3 nm. Бариерата MgO MTJ се натрупва с последователностите на слоевете Ta 5/Ru 30/Ta 5/Ni 81 Fe 19 (NiFe) 5/Ir 22 Mn 78 (IrMn) 10/Co 90 Fe 10 2, 5/Ru 0, 9/Co 20 Fe 60 B 20 (CoFeB) 3/MgO 2, 4/CoFeB3/Ta5/Ru5 (дебелина в нанометри) се приготвя при стайна температура в модифициран трикамерен разпръскващ инструмент Shamrock. Всички метални слоеве бяха приготвени с помощта на DC пистолети и MgO беше отгледан чрез РЧ пръскане, като се използва целева стрелба в друга камера. Базовото налягане за металните филми е под 2 х 10 −7 Torr, а за MgO бариерата е под 2 x 10 −8 Torr. По време на растежа на металния филм беше приложено малко предварително напрегнато магнитно поле

50 Oe за индуциране на светлинна ос във феромагнитните слоеве.

Производство на гъвкави MgO бариерни устройства MTJ

Първо, MTJ-MTJ бариерните комплекси бяха моделирани в кръстовища 4 x 12 μm2, използвайки стандартни UV литография и процеси на смилане на йони (показано на фигура S2). Пробните MTJ устройства бяха допълнително отгрявани под висок вакуум (1 x 10-6 Torr) при 325 ° C под външно магнитно поле от 4 kOe за 1 час, за да се регулира посоката на обменния ефект, както и да се индуцира висококачествен MgO ( 100) и кристален CoFe за високо съотношение TMR. Второ, след тестване на поведението на TMR, върху повърхността беше нанесен слой фоторезист S1813 с центробежна скорост от 2000 об/мин за защита на устройствата. Междувременно квадратната инчова силиконова пластина също беше покрита със S1813 със същата скорост, а устройствата MTJ бяха обърнати и монтирани върху тази повърхност на силиконовата пластинка и изпечени заедно при 115 ° C в продължение на 1 минута на котлон. бяха поставени в системата.дълбоки разкопки. Задната част на силиция беше внимателно ецвана със SF 6 и Ar плазма, за да се постигне желаната дебелина. И накрая, вафлите MTJ бяха поставени за кратко в ацетонов разтвор, за да се отстрани остатъчният фоторезист S1813. Освободени са гъвкави MgO-бариерни MTJ и внимателно подбрани за промиване с дейонизирана вода и изсушаване с N2 газ.

Измерване на магнитни и транспортни свойства

Магнитните свойства на следените нередувани MgO бариерни пътеки MTJ бяха измерени при стайна температура с помощта на вибрационен магнитометър за проба (VSM). За транспортни измервания гъвкави MgO-бариерни MTJ първо бяха прикрепени към лентата Kapton, за да се увеличи тяхната здравина и поставени върху два вида извити държачи за проби с различни радиуси, вариращи от 30 mm до 5 mm. Магнитотранспортните свойства на пробите MTJ бяха измерени с постоянен постоянен ток от 10 μA по време на огъване при стайна температура. По светлинната ос на устройството MTJ беше приложено външно магнитно поле и перпендикулярно на посоките на механично напрежение.

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Чен, J.-Y. и др. Високоефективни магнитни тунелни бариери с MgO бариера за гъвкави и удобни за носене приложения. Sci. Представител. 7, 42001; doi: 10, 1038/srep42001 (2017).

Забележка на издателя: Springer Nature остава неутрален от претенциите за юрисдикция в публикувани карти и институционални асоциации.

Допълнителна информация

PDF файлове

Допълнителна информация

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.