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EFEITOS DA BAIXA ALTURA DO POTENCIAL DA BARREIRA EM JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

E. S. Cruz de Gracia,1 L. S. Dorneles,2 L. F. Schelp,2 S. R. Teixeira1 e M. N. Baibich,1

Trabalho parcialmente financiado pelo Conselho Nacional para o Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Centro Latino-Americano de Física (CLAF) e pela Fundação Cruz

1 Instituto de Físca – UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil2 Departamento de Física- UFSM, Santa Maria, RS, Brasil

ACRÔNIMOS

MTJ (Junção túnel magnética)

TMR (Magnetorresistência túnel)

DOS (Densidade de estados)

SDT (Tunelamento dependente de spin)

TUNELAMENTO FAVORECIDO QUANDO F1 E F2 ESTÃO PARALELOS

MRT (TMR)

HOJE: Esquema simplificado de uma MTJ

Proceedings of the IEEE V.91 N. 05 p. 661. May (2003)

HOJE: MTJs no mercado de tecnologia MRAM

IBM J. RES. & DEV. V. 50 N. Jan (2006)

Matriz de MTJs utilizadas em arquitetura de MRAM

Sharma et al. PRL V. 82 N. 3 p. 616 (1999)

Barreira TaOx (φ = 0,4 eV)

Barreira Al2O3 (φ ≥ 2,0 eV)

T = 297 K

Motivação: A contribuição da barreira

Motivação: A contribuição da barreira

VC < VB < VA Tensão crítica (TMR=0)

TMRC < TMRB < TMRA Magnetorresistência túnel

φC < φB < φA Altura relativa da barreira

Li et al. PRB V.69 .0544108p. (2004) e Ren et al. J. Phys.: Condens. Matt. 17 p. 4121 (2005)

Metodologia experimental: Técnica de deposição

Câmara para desbastamento iônico

Metodologia experimental: Formatação das MTJs

Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O2(X)/TAM//Co(420)/ Cu(100)

Metodologia experimental: Formatação das MTJs

Metodologia experimental: Transporte eletrônico

Ângelo Morrone LAM-IF UFRGS

Resultados e discussão: Curva I-V experimental e calculada

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6-1200

-800

-400

0

400

800

1200

95 K

Corr

ente

()

Tensão Aplicada (V)

300 K

Densidade da Corrente de Tunelamento (direção reversa):

- t .-

t

.(V,T)J

r

r2

1

1212221 0251 exp 10x24849 7

Tt V t .- V

r

-

rr

12

2

1

1212

22910x31 0251 exp

1. Barreiras com baixa assimetria (≈ 0,2 eV)2. Baixa altura da barreira (≈ 1,0 eV)3. Área efetiva (10-8 até 10-9 cm2) menor que a área geométrica

(4x10-4 cm2)4. Espessura efetiva da barreira de 9 Å até 12 Å

Resultados e discussão: Os valores

Para uma distância de 50 mm entre o canhão e o substrato,as MTJs mostraram:

Resultados e discussão: Tunelamento quântico através de Hot Spots

Binnig e Rohrer Rev. Mod. Phys. V. 59 p. 615 (1987)

Perfil da corrente de tunelamento para uma junção túnel

Resultados e discussão:Duas regiões magnéticas diferentes

Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

M/Ms

Campo Magnético Aplicado (Oe)

Ni81

Fe19

Co

Resultados e discussão:Válvula magnética

RAP > RP

T = 300 K

Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (45 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)

-100 0 100

260

262

264

266

Campo Magnético Aplicado (Oe)

R ()

Ni81

Fe19

Co

Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistênciatúnel

P

P - AP TMRR

RR

Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100).

-60 -30 0 30 60

0

2

4

6

-60 -30 0 30 60

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

M /

MS

Applied Magnetic Field ( Oe )

(MR

%) H

max

Campo Magnético Aplicado (Oe)

+ 0 mV +100 mV +151 mV +251 mV +300 mV +350 mV

T = 77 K

Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistênciatúnel

-400 -200 0 200 400

0

2

4

6

8

(MR

%) H

max

Voltage (mV)

Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistênciatúnel

RAP < RP

-100 -50 0 50 100605

610

615

R ()

Campo Magnético Aplicado (Oe)

+350 mV

Resultados e discussão: A DOS massiva

500 mV

Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura

Li et al. (2004) e Ren et al. (2005): A forte dependência da altura da barreira de potencial com a tensão aplicada, é responsável pela forte dependência da TMR com a tensão. Desta forma, é possível observar o efeito da altura sobre a TMR em função da tensão.

) - 2- exp TMR0

f (E - eVf (E) dx,X,V)K (E,V), V) D (E (EAdEt

xxxk

x

l

),,( 2- exp

16

t

022

C22

B

CB

CB

CB

CB

dxVXEK

KKKK

KKKKT x

xx EeV

t

xm, X,VK (E - - -

2 ) 121

2

1

2

Coeficiente de Transmissão Vetor de Onda da Barreira

Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura

Vcri ≈250 mV

- 2

2

1

0

2

0crieV

V 5,02

1

V 0,1

V 0,7 2

4,14,1)Co(

0

eeV

E

e

e

x

2222

- - - - ) 2

eVEeVE

mED xxx ,V(

Fator de Coerência Quântica

Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.50.7 0.8 0.9 1.0

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

(eV)

VC (

V)

(eV)

Conclusões:

As MTJs foram depositadas sob condições de oxidação que garantem:

- Baixa altura da barreira- Baixa assimetria da barreira- Forte dependência da TMR com a tensão aplicada-Tunelamento quântico como mecanismo de transporte eletrônico

Produção das Amostras

Isto possibilitou:- Inversão da TMR com a tensão aplicada à 77 K

Conclusões:

Inversão da TMR

- A DOS massiva está em acordo com o fator A(Ex ,V) mostrando que não há inversão da população de spin

- O fator de coerência quântica D(Ex ,V) é o único termo capaz de diminuir e inverter a TMR devido à tensão aplicada e à baixa altura da barreira

Portanto, podemos concluir que a inversão da TMR está em acordo com o modelo de Li et al. (2004) e Ren et. (2005)

Metodologia experimental: Controle do alinhamento magnético

-40 -20 0 20 40

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

M/Ms

H Paralelo ao Eixo Fácil H Perpendicular ao Eixo Fácil

Campo Magnético Aplicado (Oe)

BAK 600 Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O2(X)/TAM//Co(420)/ Cu(100)

BAS 450PM Ta(98 Å)/Fe(433)/TM/SiO2(100)/TM/Co50Fe50(402)/Cu(100)

Perspectivas:

- Depositar o sistema Py/TaOx/Co sob nossas condições de oxidação para estudar a inversão da TMR numa maior faixa de tensões aplicadas

- Depositar os sistemas Py/TaOx/AlOx/Co e Py/AlOx/TaOx/Co para estudar os efeitos na TMR provocados pela posição da barreira. Segundo a teoria de Li et al. e Ren et al. ambas as curvas de TMR devem apresentar uma inversão de simetria

Metodologia experimental: Calibração da Taxa

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

1000 Å

500 Å

100 Å

Refl

eti

vid

ad

e (

u. arb

.)

(°)

Camadas de FeEspessura Py

Ta (1,24 Å/s)

Metodologia experimental: Controle do alinhamento magnético

BAS 450PM Ta(98 Å)/Fe(433)/TM/SiO2(100)/TM/Co50Fe50(402)/Cu(100) BAK 600 Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O2(X)/TAM//Co(420)/ Cu(100)

Metodologia experimental: Definindo as propriedades

Para uma distância de 50 mm entre o canhão e o substrato,as MTJs mostraram:

- Baixa altura da barreira- Baixa Assimetria- Forte dependência da TMR com a tensão aplicada

Canhão para Desbaste

Metodologia experimental: Definindo as propriedades

Fracamente Oxidada Oxidação muito forte

Du et al. Phy. Stat. Sol. A V.199 N.2 p.289 (2003)

CoFe/AlOx/Co T= 300 K

Metodologia experimental: Temperatura

Faixa de temperatura: 1,5 K até 300 K

Metodologia experimental: Campo magnético

Hmax ≈ 4,0 kOe

Resultados e discussão: Os valores tabelados

Barreira Simétrica Barreira Assimétrica

etric

Simmons Chow Chow

Tox(s) φo (eV) t AlOx (Å) φo (eV) Aeff (cm2) φ1 (eV) φ2 (eV)

30 0.7260.014 8.980.08 0.7780.017 (2.90.4) 10-9 1.2210.018 0.9850.014 30 0.7430.004 9.390.08 0.8270.006 (1.90.3) 10-9 1.2390.015 1.0320.019 30 0.8070.023 9.960.18 0.9140.035 (1.20.4) 10-8 1.2310.025 0.9900.011 45 0.8190.021 10.140.20 0.9260.032 (2.10.3) 10-8 1.2360.024 1.0020.023 45 0.7930.006 10.530.07 0.9450.013 (1.10.1) 10-8 1.2510.013 1.0180.022 60 0.8360.024 10.980.11 0.9900.017 (3.90.4) 10-8 1.2690.011 1.0340.017 60 0.8450.0009 11.710.20 1.0390.007 (3.50.7) 10-8 1.3080.029 1.0750.025

Parâmetros intrínsecos da barreira obtidos através de ajustes às curvas I-V usando o modelo deSimmons e Chow. Espessura efetiva da barreira (tAlOx ), altura do potencial da barreira (φ),área efetiva de tunelamento (Aeff) e tempo de oxidação (Tox). Curvas I-V medidas a 300 K e oseletrodos ferromagnéticos no estado de magnetização antiparalela.

Observa-se: 1. Barreiras com baixa assimetria2. Baixa altura da barreira3. Área efetiva (10-8 até 10-9 cm2) menor que a área geométrica (4x10-4 cm2)4. Espessura efetiva da barreira de 9 Å até 12 Å

Resultados e discussão:Duas regiões magnéticas diferentes

-100 0 100

-0.8

0.0

0.8

-50 0 50

-0.8

0.0

0.8

SiO2 (100 A)

Co50

Fe50

M/Ms

Campo Magnético Aplicado (Oe)

A) B)

Fe

Campo Magnético Aplicado (Oe)

M/Ms

AlOx (16 A)

Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)

Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(31) + O2 (60 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)