磁隧道结的垂直磁各向异性及界面磁电特性研究

摘要

自旋力矩转移磁随机存储器(Spin-Torque-Transfer Magnetic Random Access Memory，STT-MRAM)具有高速、非易失性和存储寿命长等特点，是一种高速读写、低功耗的新型存储技术。随着硬件对存储器性能的要求越来越高，STT-MRAM在大容量和超低功耗存储芯片的应用依然面临着挑战。磁隧道结(magnetic tunnel junctions, MTJs)是STT-MRAM的基本存储单元，直接决定了其存储性能。进一步提高存储密度、降低磁隧道结的功耗和增强隧道磁阻效应是磁隧道结器件研究亟待解决的难题。提高存储密度需要减小器件尺寸的同时提高MTJ磁性材料的热稳定性，即增强磁各向异性；降低功耗最有效的途径之一是研究如何更有效地利用电场调控磁各向异性，实现电场辅助写入；增强隧道磁阻变化率则需深入探究器件界面及材料对自旋输运特性的影响。
　　随着磁隧道结尺寸的缩小，无论磁各向异性还是各种磁电效应（电场对磁各向异性的调控、隧道磁阻效应等）都愈发与膜层界面息息相关。于是，本文重点针对MgO隧穿层的MTJ膜层界面，从理论以及实验方面研究了强垂直磁各向异性的MTJ材料及其界面特性，系统地分析了MTJ膜层界面处电场对磁各向异性的调控作用，研究了界面结构对隧道磁阻效应的影响。本文的研究内容可概括为三个部分：
　　（1）在强垂直磁各向异性MTJ材料研究方面，重点针对FePt薄膜材料的界面结构和磁特性进行了研究。为满足 CMOS工艺的需求，研究了快速退火工艺下 Ag/FePt膜层结构中FePt的有序化转变，结果表明Ag层能促进L10-FePt快速有序化并提高垂直矫顽场；提出了一种 CoFe/A1-FePt的新型强垂直磁各向异性膜层结构，以兼顾MgO-MTJ器件对隧道磁阻变化率和退火工艺的要求，结合实验和理论计算，证实了其垂直磁各向异性的起源于界面非对称与应力，并发现界面应力可有效控制磁各向异性强弱。
　　（2）在电场辅助写入方面，主要研究了 MgO磁隧道结界面结构对电场调控磁各向异性的影响。基于第一性原理计算，首先分析了理想、过氧和缺氧三种状态下不同Fe/MgO界面结构的稳定性，随后对比了理想、过氧和缺氧三种界面态下电场对磁各向异性的调控作用，结果表明MgO界面氧化状态对这种电致磁电效应有极大的影响；为获得更强的电场调控效应，研究了电场对Fe/非磁金属（Ta、Pt和Au）界面磁各向异性的调控，证实了电场同样对金属-金属界面磁各向异性具有极强的调控作用，可主导磁隧道结中的磁电效应；最后分析了磁隧道结膜层结构中压应力对电场可控磁各向异性的影响，结果表明膜层应力也能决定电场调控磁各向异性的强弱。
　　（3）为研究器件界面结构及材料对隧道磁阻效应的影响，本文基于非平衡格林函数计算分析了 MgO-MTJ的自旋输运性质。结合器件自旋透射谱和界面局域态密度，重点研究了不同MgO界面氧化状态及不同MgO/二元铁磁合金界面的MgO-MTJ器件的自旋输运性质，结果表明磁隧道结界面结构能极大地影响隧道磁阻效应，合理调控MgO薄膜界面状态和铁磁合金界面结构对提高隧道磁阻变化率至关重要。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 磁隧道结器件及自旋力矩转移磁随机存储器

1.3 磁隧道结的研究概况及发展趋势

1.4 研究内容和论文结构安排

2 强垂直磁各向异性膜层材料研究

2.1 引言

2.2 快速退火中Ag/FePt的有序化转变

2.3 CoFe/A1-FePt的界面垂直磁各向异性研究

2.4 本章小结

3 电场调控界面磁各向异性的研究

3.1 引言

3.2 二阶微扰理论

3.3 界面氧化对电场调控磁各向异性的影响

3.4 电场对金属界面磁各向异性的调控作用

3.5 应力对电场调控界面磁各向异性的影响

3.6 本章小结

4 界面结构调控隧道磁阻效应的研究

4.1 引言

4.2 MgO界面氧化状态对隧道磁阻效应的影响

4.3 铁磁合金界面对隧道磁阻效应的影响

4.4 本章小结

5 全文总结

5.1 研究内容总结

5.2 对进一步研究的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间的论文成果

附录2 攻读博士学位期间申请的发明专利