background image

 

 

 

 
 
 

 
 
 

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie 

Wydział EAIiE 

Katedra Elektroniki 

 

 

 

LABORATORIUM SPINTRONIKI I 

 
 

 

Inżynieria materiałowa i konstrukcja 

urządzeń 

 
 
 

Temat ćwiczenia: 

Wyznaczanie parametrów magneto-elektrycznych 

elementów spintronicznych typu TMR  

 
 

 

 
 
 

2010 r. 

 

 

 

Nr  

ćwiczenia 

 

background image

IMiKU – Katedra Elektroniki AGH – Laboratorium Spintroniki I   

 

 

I. Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  budową,  zasadą  działania  i  metodami  wyznaczania 
parametrów 

magneto-elektrycznymi 

elementów 

spintronicznych 

typu 

tunelowa 

magnetorezystancja (TMR). 

II. Wprowadzenie 

Elementy  spintroniczne  cechuje  przewodnictwo,  które  może  być  sterowane  zarówno 

polem elektrycznym jak i magnetycznym. Ponadto elementy spintroniczne mogą wykazywać 
nieulotny (zachowany po odłączeniu zasilania) stabilny stan wysoko lub nisko-rezystancyjny, 
który związany jest z ich magnetyzmem. Duwzaciskowe elementy spintroniczne, o potencjale 
komercyjnym,  wykorzystują  w  swojej  budowie  cienkowarstwowe  (grubości  nanometrowe) 
struktury  materiałów  wykazujące  efekty  gigantycznej  (GMR)  i  tunelowej  (TMR) 
magnetorezystancji.  Magnetyczne  złącze  tunelowe  (MTJ),  wykazujące  efekt  TMR,  jest 
dwuzaciskowym 

elementem,  który  posiada  niespotykane 

w  innych  elementach 

spintronicznych  właściwości,  do  których  należą:  modyfikowalna  w  szerokim  zakresie  (od 
omów do megaomów) rezystancja i bardzo duży współczynnik tunelowej magnetorezystancji 
(do 1000 %). Dzięki tym właściwościom magnetyczne złącze tunelowe stało się kluczowym 
elementem  magnetorezystancjnych  pamięci  MRAM  (Magnetic  Random  Access  Memory) 
przełączalnych polem magnetycznym.  

Element  TMR  w  podstawowej  formie  składa  się  z  dwóch  ferromagnetycznych 

elektrod  przedzielonych  dielektrykiem  (bariera)  (Rys.  1).  Działanie  elementu  opiera  się  na 
wykorzystaniu zjawiska tunelowania elektronów przez barierę potencjałów, które jest zależne 
od  parametrów  bariery,  wzajemnego  kierunku  namagnesowania  elektrod  (tunelowanie 
spinowo  zależne)  oraz  przyłożonego  napięcia.  W  efekcie  spinowo  zależnego  tunelowania 
elektronów złącze wykazuje dwa stany rezystancyjne, wysoki i niski. Niski stan rezystancyjny 
(R

P

)  występuje,  gdy  kierunki  namagnesowania  elektrod  złącza  są  równoległe  (Rys.  1a) 

natomiast wysoki stan rezystancyjny (R

AP

) występuje, gdy kierunki namagnesowania elektrod 

złącza są antyrównoległe (Rys. 1b). 

 

 
 

 

 

Rys. 1. Budowa i konfiguracje magnetyczne, w których występuje stan nisko i wysoko-

rezystancyjny elementu TMR. Strzałki oznaczają kierunki namagnesowania elektrod 

ferromagnetycznych. 

 

 

background image

IMiKU – Katedra Elektroniki AGH – Laboratorium Spintroniki I   

 

Struktura  warstwowa  aplikacyjnych  elementów  TMR  składa  się  z  kilkunastu  warstw 

różnych  materiałów  (Rys.  2a,  b),  o  grubościach  od  ułamka  nanometra  do  kilkudziesięciu 
nanometrów,  które  można  podzielić  na  warstwy:  buforowe,  aktywne  i  zabezpieczające. 
Warstwy  aktywne  składają  się  z  warstw  odpowiedzialnych  za  efekt  TMR  (FM/bariera 
dielektryczna/FM).  W  układzie  tym  dolną  warstwę  FM  zamocowuje  się  magnetycznie  (cz. 
uniemożliwia  się  jej  zmianę  kierunku  namagnesowania  poprzez  oddziaływanie  wymienne 
typu  „exchange  bias”)  na  styku  warstw  FM/antyferromagnetyk,  pozostawiając  natomiast 
górną warstwę FM (elektroda górna) swobodną magnetycznie. Element o takiej budowie nosi 
nazwę zawór spinowy. 
 
 

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 2. Struktura warstwowa elementu TMR typu zawór spinowy z podziałem na części 

funkcjonalne (a), przykładowa struktura warstwowa elementu TMR (grubości w nm) (b). 

 
 
A. Pomiary charakterystyk  rezystancja od pola magnetycznego  
 
W  badaniu  właściwości  statycznych  elementów  spintronicznych,  pomiar  charakterystyki 
rezystancja  od  pola  magnetycznego  (R-H)  jest  jednym  z  podstawowych.  Rysunek  3 
przedstawia  przykładową  charakterystykę  R-H  elementu  TMR  typu  zawór  spinowy.  Z 
charakterystyki  tej  wyznacza  się  tunelową  magnetorezystancję,  pola  przełączeń  warstwy 
swobodnej oraz pole przesunięcia charakterystyki względem zera pola.  
 
Tunelowa magnetorezystancja
  
 
Tunelową magnetorezystancję definiuje się jako: 
 

%

100





=

P

P

AP

R

R

R

TMR

    

 

 

 

 

 

(1) 

 
gdzie R

AP, 

R

P

 rezystancja wysoka i niska elementu. 

 

FM/ B/ FM

 

Podło

ż

e  

 

Buforowe

  

 

“Exchange 

Bias”

  

 

Zabezpieczaj

ą

ce

   

 

Warstwy 
aktywne 

 

Si/SiO 

Ta 5

 

Ru 18

  

Ta 3

  

PtMn 20

 

CoFe 2 

Ru 0.9 

CoFeB 3

   

MgO 1.2 

CoFeB 3 

Ru 5 

Ta 5 

 Swobodna 

  

 

Zamocowana  

(a) 

(b) 

background image

IMiKU – Katedra Elektroniki AGH – Laboratorium Spintroniki I   

 

 
Pola przełączeń warstwy swobodnej  
 
Pole H

P1 

jest to pole, dla którego rezystancja elementu R= (R

AP 

+R

P

)/2 przy przejściu z stanu 

wysokiej do niskiej rezystancji.  
Pole H

P2 

jest to pole, dla którego rezystancja elementu R= (R

AP 

+R

P

)/2 przy przejściu z stanu 

niskiej do wysokiej rezystancji. 

 

Pole przesunięcia charakterystyki R-H  
 
Pole przesunięcia definiuje równanie: 
  

 

2

2

1

P

P

S

H

H

H

+

=

  

 

 

 

 

 

 

 

 

(2) 

 

 

Rys. 3. Charakterystyka R-H elementu TMR. H

P1

 i H

P2

 – pola przełączenia warstwy 

swobodnej, H

– pole przesunięcia. Strzałki oznaczają kierunki namagnesowania warstwy 

swobodnej (górna) i zamocowanej (dolna). 

 
B. Pomiary charakterystyk napięciowo-prądowych  
 
 
W  badaniu  właściwości  statycznych  elementów  spintronicznych  pomiar  charakterystyk  I-V 
lub  V-I  jest  kolejny  z  podstawowych  pomiarów.  Rysunek  4  przedstawia  przykładową 
charakterystykę V-I elementu TMR typu zawór spinowy.

 Z charakterystyki napięcie-prąd  

(V-I) lub prąd-napięcie (I-V) w stanie wysokiej (R

AP

) i niskiej (R

P

) rezystancji wyznacza się 

napięcia  V

1/2 

i  napięcie  przebicia  oraz  określa  się  charakter  zmienności  TMR,  R

AP

  i  R

P

  od 

napięcia lub prądu.  
 
Napięcie V

1/2 

Jest to napięcie, dla którego TMR maleje do połowy wartości, jaką wykazuje przy najniższym 
napięciu pomiarowym. 

-120

-80

-40

0

40

80

120

80

100

120

140

160

180

R

AP

H

S

H

P1

R

e

z

y

s

ta

n

c

ja

 (

O

h

m

)

Pole (Oe)

H

P2

R

P

background image

IMiKU – Katedra Elektroniki AGH – Laboratorium Spintroniki I   

 

 
Napięcie przebicia 

 

Jest to  napięcie,  przy  którym  następuje  przebicie  bariery  dielektrycznej,  czego  objawem  jest 
bardzo duży spadek rezystancji i tunelowej magnetorezystancji elementu.  
 
 
 

 

Rys. 4. Charakterystyka V-I elementu TMR w stanie wysokie (AP) i niskiej rezystancji (P). 

 

 
 
 
C. System pomiarowy 
 
Pomiar  charakterystyki  R-H  polega  na  wyznaczeniu  zmienności  rezystancji  elementu  w 
zadanym  zakresie  zmienności  pola  magnetycznego.  Zakres  zmienności  pola  dobiera  się  tak, 
aby uzyskać na charakterystyce R-H stan wysokiej i niskiej rezystancji. 
Pomiar charakterystyki  I-V lub V-I  wykonuje się (najczęściej) w polu magnetycznym, które 
wprowadza  element  w  stan  wysokiej  i  niskiej  rezystancji.  Zakres  zmienności  napięcia  lub 
prądu dobiera się tak, aby nie przekroczyć napięci przebicia elementu.  
Pomiary  wymienionych  charakterystyk  wykonuje  się  systemem,  którego  widok  przedstawia 
rys  5,  a  schemat  blokowy  rys.  6.  Podstawowymi  elementami  systemu  są:  źródło-miernik 
prądu/napięcia, źródło pola magnetycznego, zasilacz prądowy. Ponieważ elementy do badań 
laboratoryjnych  dostarczane  są  najczęściej  w  formie  „waferów”  lub  ich  części  (Rys.  6) 
konieczne jest ich umieszczenie na specjalnym stoliku i użycie głowic pomiarowych.  
 
 

 

 

 

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

 

 

 AP
 P

V

o

lt

a

g

e

 (

V

)

Current (mA)

background image

IMiKU – Katedra Elektroniki AGH – Laboratorium Spintroniki I   

 

 

Głowice 

pomiarowe 

Igłowe

G

P

IB

 B

u

s

I/U

Miernik

Ź

ródło 

Pr

ą

du

I/U

Ź

ródło

Ź

ródło pola 

magnetycznego

Głowice 

pomiarowe 

Igłowe

G

P

IB

 B

u

s

I/U

Miernik

Ź

ródło 

Pr

ą

du

I/U

Ź

ródło

Ź

ródło pola 

magnetycznego

G

P

IB

 B

u

s

I/U

Miernik

Ź

ródło 

Pr

ą

du

I/U

Ź

ródło

Ź

ródło pola 

magnetycznego

 

 

Rys. 5. Schemat blokowy systemu pomiarowego.

 

 
 

 

 

 

Rys. 6. Widoki elementów systemu pomiarowego. 1 – źródło-miernik prądu i napięcia, 2 – 

miernik pola magnetycznego, 3 – źródło pola magnetycznego (cewki), 4 – głowice 

pomiarowe, 5 – część „wafla” z elementami do pomiarów czterozaciskowych,  

6 – zasilacze prądowe. 

 

 
 
 
 
 

 

background image

IMiKU – Katedra Elektroniki AGH – Laboratorium Spintroniki I   

 

 

III. Wykonanie ćwiczenia 

Przygotowanie do pomiarów  

1. Zapoznanie z elementami składowymi systemu pomiarowego. 
2. Zapoznanie z metodą podłączania głowic pomiarowych do elementów na waflu (wafer). 
3. Zapoznanie z programem do sterowania i rejestracji danych pomiarowych. 

 

1. Pomiary charakterystyk rezystancja-pole magnetyczne  
 

• 

Wybrać złącza do pomiarów na waflu dostarczonym przez prowadzącego. 

• 

Podłączyć głowice pomiarowe do wybranego złącza.  

• 

Wykonać  wstępny  pomiar  charakterystyki  R-H  w  celu  dobrania  zakresu  pola    i  jego 
kroku. 

• 

Wykonać  pomiary  charakterystyk  R-H    złącz  o  różnych  rozmiarach  dla  napięć 
zasilania podanych przez prowadzącego. 

 
2. Pomiary charakterystyk I-V i napięcia przebicia  
 
Dla uprzednio podłączonych elementów wykonać pomiary:  

• 

charakterystyk I-V lub do 900 mV w konfiguracji wysokiej i niskiej rezystancji 

• 

charakterystyk I-V do poziomu napięcia powodującego przebicie złącza.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

IMiKU – Katedra Elektroniki AGH – Laboratorium Spintroniki I   

 

 
IV. Opracowanie wyników 

 
Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia powinno zaczynać się tabelką 
 
Inżynieria Materiałowa i Konstrukcja Urządzeń 

Tytuł:  

 

Imię Nazwisko: 

 

 

Numer zespołu: 

Data wykonania ćwiczenia: 

Wydział, rok, grupa: 

 

 

Uwagi: 

Ocena: 

 

1. Pomiary charakterystyk R-H 

a)  Opisać budowę (strukturę warstwową) mierzonych złącza. 
b)  Przedstawić na wykresie charakterystyki R-H dla różnych napięć zasilania złącz. 
c)  Wyznaczyć: 

• 

Tunelową magnetorezystancję zgodnie z równaniem (1), 

• 

Pola  przełączeń  (H

P1,2

)  warstwy  swobodnej  oraz  pole  przesunięcia  (H

S

charakterystyki R-H względem zera pola, równanie (2). 

 

2. Pomiary charakterystyk I-V i napięcia przebicia  
 

a)  Przedstawić na wykresie zależność I-V dla stanu niskiej i wysokiej rezystancji. 
b)  Przedstawić  na  wykresie  zależność  R-V  dla  stanu  niskiej  i  wysokiej  rezystancji  oraz  

omówić charakter zmian tych rezystancji.  

c)  Przedstawić na wykresie zależność 

R-V, gdzie 

R=(R

AP

-R

P

). 

d)  Przedstawić na wykresie zależność TMR-V i wyznaczyć napięcie V

1/2

e)  Przedstawić  na  wykresie  zależność  G-V  dla  stanu  niskiej  (G

AP

)  i  wysokiej  (G

P

konduktancji. 

f)  Przedstawić na wykresie zależność 

G-V, gdzie 

G=(G

P

-G

AP

) i omówić jej charakter 

zmian. 

g)  Wyznaczyć z dynamiczne konduktancje dI/dV w stanie wysokiej i niskiej rezystancji-,  

poprzez  numeryczne  różniczkowanie  charakterystyki  (I-V)-  oraz  przedstawić  jej  na 
wykresie. 

 
Literatura: 

M. Ziese, M. J. Thornton, 

Spin electronics, Springer, Berlin (2001). 

A. Fert, 

Geneza, rozwój i przyszłość spintroniki, Postępy fizyki, Tom 59, Zeszyt 6, (2008). 

 
Opracował Piotr Wiśniowski