本文關(guān)鍵詞：磁隧道結(jié)中CoFe基自旋極化薄膜的磁性及自旋特性研究　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：基于磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnelling Junction, MTJ)的磁隨機(jī)存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)由于具有非易失性、存儲密度大、讀寫速度快等特性,成為了極具潛力的下一代的非易失性半導(dǎo)體存儲器。自旋力矩轉(zhuǎn)移磁隨機(jī)存儲器(Spin-Torque-Transfer MRAM, STT-MRAM)是通過自旋極化電流誘導(dǎo)磁化反轉(zhuǎn)來進(jìn)行讀寫,可以大大的減小MRAM的信息寫入功耗,有利于提高其存儲密度。磁隧道結(jié)單元是STT-MRAM的關(guān)鍵單元,它的存儲原理主要是利用隧道磁阻效應(yīng)(tunneling magenetoresistance ratio, TMR)。一方面,由于面內(nèi)的STT-MRAM存在著閾值電流過大的問題,而垂直的STT-MRAM可以有效的減小閾值電流,同時可以避免在高密度下的超順磁效應(yīng),因此STT-MRAM需要有高的垂直磁各向異性。另一方面,由于STT-MRAM是通過自旋極化電流誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn),因此需要有高的自旋極化率,同時,提高自旋極化率可以提高磁隧道結(jié)的TMR。本文以磁隧道結(jié)的自旋極化層為研究對象,重點(diǎn)從垂直磁各向異性和自旋極化率兩個方面探討CoFe基自旋極化層材料及性能改進(jìn)方案。首先,本文提出了一種新型的CoFeB/金屬/CoFeB自旋極化層三層結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的一層CoFeB結(jié)構(gòu)在垂直方向上具有更大的磁各向異性。通過實驗和理論研究證明了CoFeB/金屬的界面效應(yīng)有利于提高CoFeB在垂直方向上的磁各向異性。一方面,通過磁控濺射制備了一層CoFeB薄膜以及插入金屬層修飾的CoFeB薄膜,測試了薄膜的晶相、表面形貌以及磁學(xué)性質(zhì)。測試結(jié)果表明：當(dāng)向CoFeB薄膜中插入一層1 nm的金屬Ag層或者金屬Ta層時,CoFeB薄膜在垂直方向上的磁各向異性得到了大大的增強(qiáng)。其原因主要是：向CoFeB薄膜中插入金屬層形成了2個良好的金屬/CoFeB的界面,Co和Fe的3d軌道和金屬的d軌道在界面處發(fā)生強(qiáng)烈的雜化造成界面處的面外與面內(nèi)的能量差異,這種界面效應(yīng)是薄膜在垂直方向上的磁各向異性得到提高的主要原因。而當(dāng)插入CoFeB薄膜中的金屬層太薄時,可能因為無法形成連續(xù)的界面,從而不能產(chǎn)生界面效應(yīng),導(dǎo)致CoFeB薄膜在垂直方向上的磁各向異性無法提高。另一方面,為了驗證實驗的結(jié)論,本文還通過第一性原理計算并比較了一層CoFeB結(jié)構(gòu)和插入金屬層修飾的CoFeB結(jié)構(gòu)在單位橫截面積上的磁各向異性能,計算建立的模型與實驗制備的薄膜結(jié)構(gòu)一致,計算結(jié)果同樣表明：向CoFeB中插入1 m的金屬Ag層或者金屬Ta層在單位橫截面積上的磁各向異性能要大于一層CoFeB結(jié)構(gòu)的磁各向異性能。計算結(jié)果與實驗結(jié)果一致,同樣表明：向CoFeB薄膜中插入一層1 m的金屬Ag層或者金屬Ta層時可以提高CoFeB薄膜在垂直方向上的磁各向異性。其次,CoFe基半金屬Heusler合金Co2FeAl因為具有100%的自旋極化率、大的帶隙寬度、高的居里溫度、大的磁矩以及與MgO晶格匹配等優(yōu)點(diǎn)而成為了一種新型的磁隧道結(jié)自旋極化層材料。高的自旋極化率可以提高磁隧道結(jié)的TMR,但是,Co2FeAl也有一定的不足之處：一是一層的Co2FeAl本身沒有垂直磁各向異性;二是Co2FeAl的半金屬特性的穩(wěn)定性不高。以此為出發(fā)點(diǎn),一方面,本文提出了新型的Co2FeAl/Pt/Co2FeAl三層自旋極化層結(jié)構(gòu),通過Pt/Co2FeAl使得原本在垂直方向上沒有各向異性的Co2FeAl獲得磁各向異性。首先,本文通過第一性原理計算了向Co2FeAl薄膜中插入不同厚度不同種類的金屬層的磁各向異性能,計算結(jié)果表明：當(dāng)向一層的Co2FeAl中插入0.8nm的金屬Pt層之后,Cc^FeAl薄膜產(chǎn)生了較強(qiáng)的垂直磁各向異性。在得到了理論數(shù)據(jù)的支持之后,本文通過磁控濺射制備了一層Co2FeAl薄膜以及插入金屬層修飾的Co2FeAl薄膜,測試比較它們的磁學(xué)特性、表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、剖面結(jié)構(gòu)、Pt元素含量隨深度變化以及鐵磁共振等,測試結(jié)果表明：一層的Co2FeAl薄膜在垂直方向上沒有磁各向異性,而當(dāng)插入了0.8nm的金屬Pt層之后,Co2FeAl薄膜在垂直方向上產(chǎn)生了磁各向異性,原因可能是插入一層金屬Pt層之后,形成了2個良好的Pt/Co2FeAl界面,Co和Fe的3d軌道與Pt的5d軌道在界面處發(fā)生雜化造成界面處面外與面內(nèi)能量差異,這種界面效應(yīng)是薄膜在垂直方向上產(chǎn)生磁各向異性的主要原因。另一方面,針對Co2FeAl的半金屬特性不穩(wěn)定的問題：Co2FeAl的費(fèi)米能級處于其少數(shù)自旋子帶的邊緣,導(dǎo)致其費(fèi)米能級很容易隨著外界溫度的變化而移出帶隙,從而破壞了其半金屬特性,本文通過向Co2FeAI中摻雜硫系元素及GeTe達(dá)到了提高其半金屬特性穩(wěn)定性的目的。具體而言,本文采用了A1位的替位摻雜方式,因為Al位替位未直接影響Co、Fe原子軌道雜化和磁耦合,可優(yōu)化費(fèi)米能級相對帶隙的位置以及增大帶隙的寬度。一方面,研究證明了：當(dāng)硫系元素(S、Se和Te)替代Co2FeAl中25%的A1原子時,費(fèi)米能級從帶隙的邊緣移動到了帶隙的中間,表明摻雜之后的Co2FeAl的半金屬特性的穩(wěn)定性得到增強(qiáng),其中,Te摻雜的Co2FeAl (Co2FeAl0.75Te0.25)的帶隙寬度(0.80 eV)比未摻雜的Co2FeAl的帶隙寬度(0.74 eV)寬,表明半金屬特性的穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)。另一方面,研究還表明：當(dāng)硫系化合物GeTe以原子比1：1的比例總共替代Co2FeAl中50%的Al原子時,摻雜后的Co2FeAl的費(fèi)米能級從帶隙的邊緣移動到了帶隙的中間,帶隙的寬度也從0.74 eV增大到1.01 eV,表明摻雜之后的Co2FeAl的半金屬特性的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。
[Abstract]:Based on the magnetic tunnel junction (Magnetic Tunnelling Junction, MTJ) of the magnetic random access memory (Magnetic Random Access Memory, MRAM) with the nonvolatile storage density, read and write speed and other characteristics, has become a nonvolatile semiconductor storage device for the next generation of potential magnetic random spin torque transfer. Memory (Spin-Torque-Transfer MRAM STT-MRAM) is induced by magnetization reversal to read and write through the spin polarized current, power consumption can be greatly reduced MRAM written information, can improve the storage density. The magnetic tunnel junction unit is the key unit of STT-MRAM, its storage principle is mainly uses the tunnel magnetoresistance (tunneling magenetoresistance ratio, TMR) on the one hand, because the plane STT-MRAM exists the problem of threshold current, while the vertical STT-MRAM can effectively reduce the threshold current, at the same time can be avoided in high density The super paramagnetic effect, so STT-MRAM needs to have a high perpendicular magnetic anisotropy. On the other hand, because the STT-MRAM is through the spin polarized current induced magnetization reversal, so it is necessary to have the high spin polarization rate, at the same time, improve the spin polarization spin polarization layer can improve the magnetic tunnel junction TMR. the magnetic tunnel junction as the research object, mainly from the perpendicular magnetic anisotropy and spin polarization are discussed in two aspects of CoFe spin polarization layer material and performance improvement plan. First, this paper presents a /CoFeB model of the spin polarization of the CoFeB/ metal layer three layer, a layer of CoFeB structure of the structure compared to the traditional magnetic anisotropy is more in the vertical direction. Through experimental and theoretical research proves that the interface effect of the metal CoFeB/ is conducive to the improvement of CoFeB in the vertical direction of the magnetic anisotropy. On the one hand, were deposited by magnetron sputtering A layer of CoFeB film and CoFeB film insert metal layer modified, tested the crystalline phase, surface morphology and magnetic properties. The test results show that when inserting a layer of 1 nm to CoFeB in the films of metal or metal layer Ag Ta layer, the magnetic anisotropy of CoFeB thin film in the vertical direction greatly enhanced. The main reasons are: to insert CoFeB thin film metal layer formed 2 good metal /CoFeB interface, D Co and Fe 3D of the rail track and the metal occurs at the interface caused by the strong hybridization energy difference surface and surface at the interface of the interface effect is the magnetic anisotropy the film in the vertical direction are the main reasons for the increase. When the metal layer is inserted in the CoFeB film is too thin, probably because of unable to form a continuous interface, which can not produce interface effect, which leads to CoFeB film in the direction perpendicular to the magnetic Anisotropy cannot increase. On the other hand, in order to verify the conclusions of the experiment through first principle calculation and compare the CoFeB layer structure and insert metal layer modified CoFeB structure in the unit cross-sectional area of the magnetic anisotropy, calculated and established consistent membrane structure model and experimental preparation, calculation results also showed that the insertion of 1 m to CoFeB in Ag or Ta metal layer metal layer in the unit cross-sectional area of the magnetic anisotropy is greater than the magnetic anisotropy of a layer of CoFeB structure. The calculation results agree with experimental results also showed that the magnetic anisotropy of inserting a layer 1 m layer metal or metal Ag Ta layer to the CoFeB film can improve the CoFeB film in the vertical direction. Secondly, the CoFe based semi metal Heusler alloy Co2FeAl because the spin polarization has a rate of 100%, the band gap width, high Curie temperature, the magnetic moment to And matching with the advantages of the MgO lattice and a magnetic tunnel junction model spin polarization layer material. The high spin polarization rate can improve the magnetic tunnel junction TMR, but Co2FeAl also has some shortcomings: one is a layer of the Co2FeAl itself has no perpendicular magnetic anisotropy; two is the stability of half metallic properties Co2FeAl is not high. As a starting point, on the one hand, this paper puts forward a new Co2FeAl/Pt/Co2FeAl three layer spin polarization layer structure, through which Pt/Co2FeAl in the vertical direction without anisotropy Co2FeAl magnetic anisotropy. Firstly, magnetic anisotropy through first principle calculations into different metal layers with different thickness to type in the Co2FeAl films, the results show that when the metal layer Pt after inserting 0.8nm into a layer of Co2FeAl, Cc^FeAl films have strong perpendicular magnetic anisotropy. After the theoretical data, through magnetron sputtering a layer of Co2FeAl film and Co2FeAl film insert metal layer modification, test their magnetic properties, surface morphology, crystal structure, section structure, the content of Pt changes with depth and ferromagnetic resonance, the test results show that the Co2FeAl thin film no magnetic anisotropy in the vertical direction, and when inserted into the metal Pt 0.8nm layer, the Co2FeAl film produces the magnetic anisotropy in the vertical direction, the reason may be inserted into a layer of metal Pt layer after forming a good 2 Pt/Co2FeAl interface, 3D Pt and Fe Co orbital and 5D the track occurred at the interface of hybrid energy due to the interface of different plane and plane, the interface effect is the main reason for producing thin film magnetic anisotropy in the vertical direction. On the other hand, the half metallic properties of Co2FeAl The instability problem: the Fermi level of Co2FeAl in the minority spin band edge, the Fermi level is easy to change with the external temperature and out of band gap, thereby destroying its semi metallic properties, the elements to the Co2FeAI and GeTe doped with sulfur to improve the stability of the semi metallic properties specifically, this paper adopts A1 substitutional doping method, because the Al for who did not directly affect Co, Fe hybrid orbital and magnetic coupling, can optimize the Fermi level relative position of the band gap and increasing the width of the band gap. On the one hand, the research proved that when sulfur elements (S, Se and Te) instead of Co2FeAl 25% A1 atom, the Fermi level to the intermediate band gap from the band gap edge move, indicates the stability of half metallic properties after doping of Co2FeAl was enhanced in the Te doped Co2FeAl (Co2FeAl0.75Te0.25). The width of the band gap (0.80 eV) than the undoped Co2FeAl band gap (0.74 eV) wide, indicates the stability of half metallic properties has been further enhanced. On the other hand, the study also showed that when the sulfur compound in GeTe atomic ratio of 1:1 to Co2FeAl in a total of 50% Al instead of midnight, Fermi after the Co2FeAl doping level to the intermediate band gap from the band gap edge move, the width of the band gap increases from 0.74 eV to 1.01 eV, indicates the stability of half metallic properties after doping Co2FeAl is enhanced.

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP333;O484

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本文編號：1363296