efeitos da baixa altura do potencial da barreira em junÇÕes tÚnel magnÉticas

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


-100 0 100

260

262

264

266


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


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

T = 77 K


-400 -200 0 200 400

0

2

4

6

8

(MR

%) H

max

Voltage (mV)


RAP < RP

-100 -50 0 50 100605

610

615

R ()


+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


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


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


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


A) B)

Fe


M/Ms

AlOx (16 A)

efeitos da baixa altura do potencial da barreira em junÇÕes tÚnel magnÉticas

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