Магнитный туннельный переход

Магнитный туннельный переход (МТП, англ. magnetic tunnel junction, MTJ) — это элемент микроэлектроники, состоящий из двух ферромагнитных слоёв, разделённых тонким (обычно 1–3 нм) слоем диэлектрика (туннельным барьером). Основное физическое явление, лежащее в основе работы МТП, — туннельный магниторезистивный эффект (TMR), при котором электрическое сопротивление структуры изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченности ферромагнитных слоёв. Магнитные туннельные переходы являются ключевыми компонентами современных устройств магниторезистивной памяти (MRAM), магнитных датчиков и считывающих головок жёстких дисков.

История

Первые теоретические предсказания возможности туннелирования электронов через тонкий диэлектрический слой между ферромагнетиками были сделаны в 1970-х годах. В 1975 году французский физик Мишель Жюльер (Michel Jullière) экспериментально наблюдал туннельный магниторезистивный эффект в структуре Fe/Ge/Co при температуре 4,2 К, получив изменение сопротивления около 14 %. Однако из-за необходимости криогенного охлаждения и малой величины эффекта практическое применение было ограничено.

Прорыв произошёл в 1995 году, когда две независимые группы — под руководством Терунабу Миядзаки (Tohoku University, Япония) и Дж. С. Муна (Naval Research Laboratory, США) — сообщили о наблюдении TMR-эффекта при комнатной температуре с величиной до 18–20 %. Это стало возможным благодаря использованию аморфного оксида алюминия (Al₂O₃) в качестве туннельного барьера. В последующие годы развитие технологии привело к созданию структур с кристаллическим барьером из MgO, что позволило достичь значений TMR более 200 % при комнатной температуре (к 2004 году).

Устройство и принцип действия

Конструкция

Типичный магнитный туннельный переход представляет собой многослойную тонкоплёночную структуру, нанесённую методом магнетронного распыления или молекулярно-лучевой эпитаксии. Основные слои:

• Нижний ферромагнитный слой (свободный слой, free layer) — его намагниченность может изменяться под действием внешнего магнитного поля или спин-поляризованного тока.
• Туннельный барьер — тонкий слой диэлектрика (обычно MgO или Al₂O₃), толщиной от 0,8 до 2,5 нм. Через него происходит квантово-механическое туннелирование электронов.
• Верхний ферромагнитный слой (фиксированный слой, pinned layer) — его намагниченность закреплена (зафиксирована) с помощью обменного взаимодействия с антиферромагнитным слоем (например, IrMn или PtMn).

Физический механизм

Туннельный магниторезистивный эффект основан на спин-зависимом туннелировании. Электроны в ферромагнетике имеют определённую поляризацию спина (преимущественное направление магнитного момента). Вероятность туннелирования электрона через диэлектрик зависит от того, совпадает ли направление его спина с направлением намагниченности в принимающем слое.

• Параллельная конфигурация (намагниченности слоёв сонаправлены): электроны с преимущественным спином легко туннелируют, сопротивление структуры минимально.
• Антипараллельная конфигурация (намагниченности противоположны): туннелирование затруднено, сопротивление максимально.

Относительное изменение сопротивления (TMR-коэффициент) определяется формулой: TMR = (R_AP - R_P) / R_P × 100%, где R_AP — сопротивление в антипараллельном состоянии, R_P — в параллельном.

Классификация

По типу туннельного барьера

• С барьером из Al₂O₃ — исторически первые МТП с комнатной температурой, TMR до 70–100 %.
• С барьером из MgO (001) — современные структуры, обеспечивающие TMR более 200 % (до 600 % в лабораторных образцах). Кристаллическая структура MgO обеспечивает фильтрацию спина по симметрии волновых функций.

По способу переключения

• С переключением магнитным полем — классические МТП, где смена ориентации свободного слоя происходит под действием внешнего магнитного поля. Используются в датчиках.
• С переключением спин-поляризованным током (STT-MTJ) — переключение осуществляется за счёт передачи спин-углового момента (spin-transfer torque) от фиксированного слоя к свободному при прохождении тока. Это основа STT-MRAM.
• С переключением спин-орбитальным моментом (SOT-MTJ) — используется спин-орбитальное взаимодействие в соседнем слое тяжёлого металла (например, Pt, Ta) для создания спинового тока, который переключает намагниченность. Позволяет снизить токи переключения и повысить быстродействие.

Применение

Магниторезистивная память (MRAM)

Магнитные туннельные переходы являются основным элементом ячеек MRAM. В отличие от традиционной полупроводниковой памяти (DRAM, SRAM, Flash), MRAM обладает энергонезависимостью (данные сохраняются при отключении питания), высоким быстродействием (единицы наносекунд) и практически неограниченным ресурсом перезаписи (более 10¹⁵ циклов). Наиболее распространённый тип — STT-MRAM, который коммерчески выпускается рядом компаний (Everspin Technologies, Samsung, TSMC) для применения в системах хранения данных, промышленной автоматике и аэрокосмической технике.

Считывающие головки жёстких дисков

Современные жёсткие диски (HDD) используют гигантский магниторезистивный эффект (GMR) или туннельный магниторезистивный эффект в считывающих головках. МТП-головки (TMR-головки) обеспечивают более высокую чувствительность, что позволяет считывать данные с дорожек меньшей ширины и увеличивать плотность записи. С 2006 года TMR-головки стали стандартом в индустрии HDD.

Магнитные датчики

МТП используются в датчиках магнитного поля, например, для измерения углов поворота, тока (датчики тока на основе эффекта Холла или TMR), в системах навигации и компасах. Преимущества — высокая чувствительность (до 1 пТл/Гц¹/²), малые размеры и низкое энергопотребление.

Логические устройства

Ведутся исследования по созданию логических схем на основе МТП, которые могли бы работать с низким энергопотреблением и быть реконфигурируемыми. Такие устройства (например, магнонные логические элементы) пока находятся на стадии лабораторных прототипов.

Характеристики и параметры

• TMR-коэффициент — от 10–20 % (старые структуры) до 600 % (современные MgO-МТП при комнатной температуре).
• Сопротивление — типично от нескольких сотен Ом до десятков кОм, зависит от площади перехода (обычно от 0,01 до 1 мкм²) и толщины барьера.
• Поле переключения — для свободного слоя составляет от 1 до 10 мТл, зависит от материала и формы.
• Ток переключения (для STT) — от 10 до 100 мкА для ячеек субмикронных размеров.
• Быстродействие — время переключения от 1 до 10 нс.
• Температурный диапазон — от –40 до +150 °C (для коммерческих устройств), до 300 °C (для специальных исполнений).

Интересные факты

• В 2007 году за открытие гигантского магниторезистивного эффекта (GMR) была присуждена Нобелевская премия по физике Альберту Ферту и Петеру Грюнбергу. TMR-эффект, хотя и был открыт раньше, получил широкое признание именно после развития технологии MgO-барьеров.
• Толщина туннельного барьера в МТП (1–2 нм) сопоставима с размерами нескольких атомов. При увеличении толщины всего на 0,5 нм сопротивление возрастает на порядок.
• Магнитные туннельные переходы являются основой спинтроники — направления электроники, использующего не только заряд, но и спин электрона для обработки и хранения информации.

Источники

• Jullière M. Tunneling between ferromagnetic films // Physics Letters A. — 1975. — Vol. 54, № 3. — P. 225–226.
• Moodera J. S. et al. Large magnetoresistance at room temperature in ferromagnetic thin film tunnel junctions // Physical Review Letters. — 1995. — Vol. 74, № 16. — P. 3273–3276.
• Miyazaki T., Tezuka N. Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al₂O₃/Fe junction // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 1995. — Vol. 139, № 3. — P. L231–L234.
• Parkin S. S. P. et al. Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (001) tunnel barriers // Nature Materials. — 2004. — Vol. 3, № 12. — P. 862–867.
• Yuasa S. et al. Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions // Nature Materials. — 2004. — Vol. 3, № 12. — P. 868–871.
• Chappert C., Fert A., Van Dau F. N. The emergence of spin electronics in data storage // Nature Materials. — 2007. — Vol. 6, № 11. — P. 813–823.
• Everspin Technologies. STT-MRAM Product Overview. — 2023.