Magnetische Tunnelelemente mit MgO Barrieren
Final Report Abstract
Die Ziele des Vorhabens waren die Etablierung der Herstellungstechnik für magnetische Tunnelelemente mit MgO Barrieren und die eingehende Charakterisierung des Magnetowiderstandes (TMR) dieser Bauelemente. Das Vorhaben diente einerseits der Erweiterung grundlegender Erkenntnisse zum spinabhängigem kohärenten Tunneln, das einen besonders großen TMR hervorruft. Andererseits haben diese Strukturen als Bauelemente großes Anwendungspotenzial in Sensoren, Datenspeichern und Logikschaltungen. Im Verlauf dieses Vorhabens konnte in Bielefeld die Technik und das know how zur Herstellung magnetischer Tunnelelemente mit MgO Tunnelbarrieren etabliert werden. Durch Nutzung einer hochpräzisen Sputter- Deposition, bei der ohne Vakuumbruch aus bis zu sieben Materialquellen mehrlagige Schichtsysteme abgeschieden werden können war es möglich, auch komplexe Schichtaufbauten mit z.B. Diffusionssperren und natürlichen Antiferromagneten herzustellen. Zur Erzeugung kohärenter Grenzflächen müssen die Schichtstrukturen nach der Herstellung bei hohen Temperaturen ausgelagert werden. Die Auslagerungsbedingungen haben dabei entscheidenden Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften. Überraschend war zunächst, dass sich relativ schnell ein größerer TMR erreichen lies als mit den bis dahin üblichen Al2O3 Tunnelbarrieren. Im Verlauf des Vorhabens wurden in Strukturen mit Antiferromagnet etwa 250% TMR, in solchen ohne dieses Material bis zu 450% TMR erreicht werden, wobei sich der Unterschied durch die Diffusion von Material des Antiferromagneten erklären lässt. Vergleichbare Werte werden nur von wenigen Arbeitsgruppen weltweit erreicht. Aus ersten Messungen der Temperaturabhängigkeit des TMR sowie späteren spektroskopischen Untersuchungen konnte gefolgert werden, dass sich die Kohärenz des Tunneleffektes zwar offensichtlich auf die Höhe des TMR, aber nur wenig auf Verlustmechanismen auswirkt; solche Verlustmechanismen führen zur Verminderung des TMR mit zunehmender Temperatur und angelegter Spannung. Da das direkte, strominduzierte Schalten der Magnetisierung solcher Strukturen durch kurze Strompulse hoher Dichte ein physikalisch äußerst interessantes und für die Anwendung wichtiges Phänomen ist, wurden die Tunnelelemente auch im Hinblick auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen solche Pulse charakterisiert. Es stellte sich heraus, dass das an der Barriere entstehende elektrische Feld verantwortlich für deren dielektrischen Durchbruch ist. Trotzdem können aus den Modellvorstellungen Lebensdauern von mehreren tausend Jahren für den „Normalbetrieb“ vorhergesagt werden. Durch diese Ergebnisse konnten mehrere anwendungsorientierte Vorhaben mit Industriepartner zur Sensorik und zu künftigen Logikschaltungen nach dem 22nm Knoten begonnen werden.
Publications
- Temperature dependence of the resistance of magnetic tunnel junctions with MgO barrier, Appl. Phys. Lett., 88 (2006) 212115
X. Kou, J. Schmalhorst, A. Thomas, G. Reiss
- Influence of chemical and magnetic interface properties of Co-Fe-B / MgO / Co-Fe-B tunnel junctions on the annealing temperature dependence of the magnetoresistance, J. App. Phys., 102 (2007) 053907
J. Schmalhorst, A. Thomas, X. Kou, G. Reiss, E. Ahrenholz
- Dielectric breakdown in Co- Fe-B/MgO/Co-Fe-B magnetic tunnel junctions, J. Appl. Phys. 103 (2008) 123705
A. Kahn, J. Schmalhorst, A. Thomas, G. Reiss
- Evidence for strong magnon contribution to the TMR temperature dependence in MgO based tunnel junctions, Phys. Rev. B 77 (2008) 014440
V. Drewello, J. Schmalhorst, A. Thomas, G. Reiss
- Current induced resistance change of magnetic tunnel junctions with ultra-thin MgO tunnel barriers, J. Magnet. Magnet. Mater. 321 (2009) 144
P. Krzysteczko, X. Kou, K. Rott, A. Thomas, G. Reiss
- Inelastic electron tunneling spectra of MgO based magnetic tunnel junctions with different electrode designs, Phys. Rev. B 79 (2009) 174417
V. Drewello, M. Schäfers, O. Schebaum, A. A. Khan, J. Münchenberger, J. Schmalhorst, A. Thomas, and G. Reiss
