єднання

  • предметів
  • реферат
  • вступ
  • Результати і обговорення
  • висновок
  • методи
  • Підготовка бар'єрних колій MTJ-MTJ
  • Виробництво гнучких бар'єрних пристроїв MgO MTJ
  • Вимірювання магнітних та транспортних властивостей
  • Детальніше
  • Додаткова інформація
  • Файли PDF
  • Додаткова інформація
  • Коментарі

предметів

  • Електротехнічна та електронна техніка
  • Електронні пристрої
  • Спінтроніка

реферат

Магнітний тунельний перехід (MTJ) з використанням бар'єру MgO є одним з найважливіших будівельних блоків для спінтронічних пристроїв і широко використовується як мініатюризовані магнітні датчики. Це може зіграти важливу роль у носимих медичних виробах, якщо їх можна виготовляти на гнучких підкладках. Однак суворі виробничі процеси, необхідні для отримання високоякісних MgO бар'єрних MTJ, обмежують його інтеграцію з гнучкими електронними пристроями. У цій роботі ми розробили метод виробництва високоефективного MgO-бар'єру MTJ безпосередньо на надтонкій гнучкій силіконовій мембрані товщиною 14 мкм, а потім переносу та зв'язування з пластиковими підкладками. Примітно, що такі гнучкі MTJ є повністю функціональними і мають коефіцієнт TMR до 190% при радіусах вигину до 5 мм. Надійність пристрою відображається у підтримці чудових характеристик та незмінному співвідношенні TMR після більш ніж 1000 циклів згинання. Перевірені гнучкі MgO-бар'єри MTJ відкривають двері для інтеграції високоефективних спінтронічних пристроїв у гнучкі та зручні для носіння електронні пристрої для різноманітних застосувань біомедичного зондування.

Гнучка електроніка була в центрі уваги останніх десятиліть через швидке зростання ринку та зростаючий науковий інтерес. Гнучкість пропонує великі переваги перед звичайною жорсткою електронікою, такою як легкі, гнучкі, портативні та потенційно складані пристрої 1, які можуть бути інтегровані в багато типів поверхонь. Є перспективи таких застосувань, як біологічні 2 та носні пристрої 3, 4. Гнучка електроніка отримала користь від недавнього розвитку органічної та неорганічної електроніки, яка готується з використанням тонкоплівкових або друкарських технологій. Наразі відомі додатки, засновані на гнучкій електроніці, включають дисплеї 5, органічні світлодіоди (світлодіоди) 6, органічні сонячні елементи 7 та різні типи датчиків 8, 9. .

Тут ми розробили інший метод та успішно продемонстрували інтеграцію високоефективних гнучких MgO-бар’єрів MTJ безпосередньо на надтонкі силіконові мембрани. Цистерни MTJ та методи виробництва відрізняються від цистерн, перелічених у посиланні 33. У нашій процедурі тильна сторона кремнію безпосередньо травилась у системі глибоких виїмок. Кінцеву товщину гнучких MgO-бар'єрів MTJ контролювали часом травлення. Гнучкі MgO-бар'єрні MTJ можуть бути розміщені на будь-якому типі неплощинної поверхні для подальших випробувань. Товщина кремнієвої мембрани становить близько 14 мкм і може бути легко розбита до радіуса кривизни 3,3 мм. Подальший вигин до меншого радіуса кривизни для окремо стоячої кремнієвої мембрани стає ризикованим, оскільки невелика напруга зсуву призведе до її розпаду. Однак після перенесення на пластикову прокладку її можна додатково зігнути до радіусу 2 мм. Вироблені MgO MTJ бар'єри демонструють співвідношення TMR при кімнатній температурі до

190% при різних радіусах вигину, що набагато вище, ніж раніше досягалося за допомогою гнучких бар'єрів GMR або Al2O3 MTJ на органічних підкладках 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23. Ці гнучкі MgO-бар'єрні MTJ відкривають шлях до впровадження високопродуктивних спінтронічних пристроїв у гнучкі та придатні для носіння пристрої.

Результати і обговорення

a ) MgO бар’єрні димоходи MTJ вирощували на тонкій (150 мкм) тонкокристалічній кремнієвій пластині; ( b ) MgJ бар'єрні MTJ моделювали за допомогою стандартної УФ-літографії та іонного подрібнення; Після подальшого відпалу на поверхню пристрою наносять шар фоторезисту S1813. d ) зразок був перевернутий і встановлений на чотиридюймовій кремнієвій пластині, покритій фоторезистом; e ) Для розведення задньої частини кремнію проводили глибокі виїмки з плазмою SF6 та Ar; ( f ) Після ретельного видалення фоторезисту ацетоном, нарешті були звільнені гнучкі MgO-бар'єрні MTJ.

Повнорозмірне зображення

a ) Діаграма стеків MTJ бар'єрів MTJ, використаних у цій роботі. Зовнішнє магнітне поле було прикладене вздовж світлової осі і перпендикулярно напрямкам вигину. Визначаємо радіус вигину (r 1) з деформацією на розтяг як додатний (+), а радіус вигину (r 2) з напругою стиску як негативний (-). b ) Поведінка справжніх пристроїв MTJ на вигин при розміщенні на плівці Каптона Початок ( b ) показані структури MTJ з розміром колони 4 х 12 мкм. c ) Окремо стоячі гнучкі MTJ були зігнуті за допомогою штангенциркулів до радіуса вигину 3, 3 мм без пошкоджень. Початок ( c ) показує повну та невелику петлю TMR із співвідношенням TMR до 190% для гнучкого пристрою MTJ без напруги. Продукт опору (RA) становить 1,6 х 104 м2 мкм2. Це також показує, що цей тип гнучкого MTJ може легко розмістити іншу вигнуту поверхню, таку як язичок. d ) Товщина надтонкої кремнієвої основи для нашої гнучкої MTJ становить приблизно 14 мкм, що набагато тонше, ніж кремній, що використовується для звичайних кремнієвих чіпів (500 мкм).

Повнорозмірне зображення

Магнітні транспортні властивості як функцію радіуса вигину ретельно вимірювали при кімнатній температурі для гнучких зразків MTJ із бар’єром MgO, як показано на малюнку 3. Зразок прикріплювали до двох наборів криволінійних тримачів зразків з радіусом дії. від 30 мм до 5 мм за допомогою стрічки Каптон. Характеристику радіуса вигину визначали як позитивну чи негативну залежно від того, чи був тиск на MTJ розтягуючим і стискаючим, як показано на малюнку 2а. Магнітне поле прикладено вздовж світлової осі і перпендикулярно напрямкам напружень. Повна та менша петлі TMR проти магнітного поля з різними радіусами вигину показані на фіг. 3а та його вставка для колонки MTJ розміру

4 × 12 мкм2 і добуток площі опору (RA)

1, 6 × 104 2 мкм 2. Як показано на вкладиші на фіг. 3а, при позитивному радіусі вигину 5 мм нахил перемикання без CoFeB зменшується; але нахил перемикання без шару CoFeB не зменшується і зберігає поведінку перемикання фігури, а також плоску конфігурацію з від'ємним радіусом вигину -5 мм, що узгоджується з іншими звітами про вплив напруги в MTJ 35, 36. Як показано на малюнку 3b, при різних радіусах вигину опір у паралельному стані (RP) залишається майже однаковим, 342, 5 ± 1, 5 Ом. Тільки протипаралельний опір стану (R AP) незначно відрізняється, що призводить до зміни співвідношення TMR на 186 ± 6%. Залежність радіуса вигину R AP походить головним чином від напруги, спричиненої зміною анізотропного поля CoFeB вільного шару, що незначно змінює антипаралельну конфігурацію MTJ 36. Подібний RP показує, що магнітний транспорт через бар'єр MgO в наших MTJ є надійним і майже нечутливим до механічних навантажень.

a ) Повні та менші петлі TMR (вставлені) з позитивним (напруга на розтяг) та негативним (напруга на стиск) радіусом вигину 5 мм. b ) Сума опору в паралельному (RP) та антипаралельному (R AP) співвідношеннях TMR для позитивного та негативного радіусів вигину від 30 мм до 5 мм. Плоскі дані конфігурації також були включені як орієнтир. Розмір швів становить 4 х 12 мкм2, а продукт RA становить близько 1,6 х 104 104 мкм2.

Повнорозмірне зображення

Ми кількісно пояснюємо ефект напруги в наших гнучких MgO-бар'єрах MTJ, описуємо внесок напруги в анізотропію вільного шару CoFeB: Ka, σ = 3 λ s σ/2 37, 38 і записуємо напруженість анізотропного поля як: Ha, σ = 3 λ s σ/μ 0 M s, так що загальне анізотропне поле H зменшується або збільшується Ha, σ під нестабільною напругою або стиском. де σ - одновісне напруження внаслідок вигину; λ s - ефективний коефіцієнт магнітострикції плівки CoFeB; а Ms - намагніченість насичення CoFeB. Зв'язок між компонентом напруги (σ xx) і радіусом вигину (r), коли товщина плівки MTJ набагато тонша підкладки, визначається як 39 σ xx = Eε = Et/2 r, тому σ = σ yy - σ xx = - (1 - ν) σ xx, де t - загальна товщина зразків (

товщина основи); E - модуль Юнга, ε - деформація, ν - коефіцієнт Пуассона. У нашому гнучкому MgO-бар’єрі MTJ підкладка має товщину близько 14 мкм. Під час нашого випробування на вигин мінімальний радіус вигину в наших вимірах становить приблизно ± 5 мм, тому максимальне створюване напруження становить приблизно ε

Крім того, досліджували поведінку ПМР при циклічному навантаженні на вигин. Продуктивність пристрою не змінилася після згинання до 500 разів радіусом 15 мм або згинання ще 500 разів радіусом -15 мм. Всі цикли TMR вимірювались у площинній конфігурації після циклу. Як показано на фіг. 4a, b, петлі TMR дещо змінювались для різних циклів згинання, які можна було б віднести до залишкового напруження, а також напрямку магнітного поля, злегка зміщеного під час навантаження для кожного вимірювання. Зрозуміло, що коефіцієнт TMR не опускався нижче 1000 циклів згинання і залишався на рівні 189 ± 4%, як показано на малюнку 4c. Резистори в паралельному та антипаралельному стані також залишаються незмінними, що свідчить про високу продуктивність та хорошу стійкість гнучких пристроїв із МТО бар'єром MTJ.

a ) повні петлі TMR для різних циклів згинання з радіусом ( a ) 15 мм (напруга при розтягуванні) та ( b ) -15 мм (стискаюче напруження). TMR вимірювали в плоскій конфігурації після ряду циклів згинання для ( а, б ). c ) Опір та коефіцієнт TMR MTJ пристрою після різної кількості циклів згинання для радіуса вигину 15 мм. Після 500 циклів з радіусом 15 мм зразок MTJ піддавали ще 500 циклів з радіусом -15 мм.

Повнорозмірне зображення

висновок

Підводячи підсумок, ми отримали високоефективні бар'єри MTJ проти MgO на надтонких кремнієвих підкладках товщиною до 14 мкм. Весь виробничий процес не впливав на магнітоопір. Окремо стоячі гнучкі перегородки МТО MTJ можуть зігнутися до радіуса 3,3 мм без пошкоджень. Після переходу на стрічку Kapton пристрої можна акуратно випрямити до 2 мм. Механічне напруження, викликане вигином, вносить до ± 4,7 кДж м-3 в ефективне анізотропне поле шарів CoFeB, що призводить до незначної зміни R AP в антипаралельному стані. Коефіцієнти TMR залишаються до 190% незалежно від радіуса вигину. Співвідношення TMR не виявляється при більш ніж 1000 циклах згинання. Відмінна ефективність гнучких MgO-бар’єрних MTJ робить їх чудовими кандидатами для високоефективних гнучких магнітних датчиків або навіть датчиків тиску для гнучких електронних шкір. Робота поєднує високопродуктивну спінтроніку та гнучку електроніку, що може призвести до нових застосувань гнучкої спінтроніки.

методи

Підготовка бар'єрних колій MTJ-MTJ

В якості підкладки ми використовуємо двосторонні поліровані кремнієві пластини товщиною 150 мкм і 300 нм SiO 2 з одного боку. Шорсткість основи нижче 0,3 нм. Бар'єр MgO MTJ накопичується з послідовностями шарів 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 (товщина в нанометрах) готували при кімнатній температурі в модифікованому трикамерному розпилювальному інструменті Shamrock. Всі металеві шари готували за допомогою пістолетів постійного струму, а MgO вирощували за допомогою радіочастотного розпилення з використанням цільової стрільби в іншій камері. Базовий тиск для металевих плівок нижче 2 x 10 −7 Torr, а для бар’єру MgO нижче 2 x 10 −8 Torr. Під час зростання металевої плівки було застосовано невелике попередньо напружене магнітне поле

50 Oe для індукції світлової осі у феромагнітних шарах.

Виробництво гнучких бар'єрних пристроїв MgO MTJ

По-перше, бар'єрні комплекси MTJ-MTJ були нанесені на вікна 4 x 12 мкм2, використовуючи стандартну УФ-літографію та процеси іонного подрібнення (показано на малюнку S2). Зразки пристроїв MTJ додатково відпалювали під високим вакуумом (1 х 10-6 Торр) при 325 ° C під зовнішнім магнітним полем 4 кЕ протягом 1 години для регулювання напрямку обмінного ефекту, а також для індукування високоякісного MgO ( 100) та кристалічний CoFe для високого співвідношення TMR. По-друге, після тестування поведінки ПМР на поверхню з відцентровою швидкістю 2000 об/хв наносився шар фоторезисту S1813 для захисту приладів. Тим часом квадратну дюймову кремній-пластину також покривали S1813 з однаковою швидкістю, а пристрої MTJ перевертали і встановлювали на цю поверхню кремній-пластини і випікали разом при температурі 115 ° С протягом 1 хвилини на конфорці. були поміщені в систему. глибокі розкопки. Тильну сторону кремнію ретельно протруювали плазмою SF 6 і Ar для досягнення бажаної товщини. Нарешті, пластини MTJ ненадовго помістили в розчин ацетону для видалення залишкового фоторезисту S1813. Були випущені гнучкі MgO-бар'єрні MTJ, які були ретельно відібрані для промивання деіонізованою водою та сушіння газом N 2.

Вимірювання магнітних та транспортних властивостей

Магнітні властивості післявідпалених неперемінних MgO бар'єрних доріжок MTJ вимірювали при кімнатній температурі за допомогою вібромагнітометра (VSM). Для транспортних вимірювань гнучкі MgO-бар'єрні MTJ спочатку прикріплювали до стрічки Каптон для збільшення їх міцності та розміщували на двох типах криволінійних тримачів зразків з різним радіусом від 30 мм до 5 мм. Магнітотранспортні властивості зразків MTJ вимірювали при постійному постійному струмі 10 мкА під час вигину при кімнатній температурі. Зовнішнє магнітне поле було прикладене вздовж світлової осі пристрою MTJ і перпендикулярно напрямкам механічного напруження.

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Чен, Дж.-Й. та ін. Високоефективні магнітні тунельні бар'єри з бар'єром MgO для гнучких і зручних для носіння додатків. Наук. Респ. 7, 42001; doi: 10, 1038/srep42001 (2017).

Примітка видавця: Природа Спрінгера залишається нейтральною щодо вимог юрисдикції в опублікованих картах та інституційних асоціаціях.

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.