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
Instituto de Físca – UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil
2 Departamento de Física- UFSM, Santa Maria, RS, Brasil
1
Trabalho parcialmente financiado pelo Conselho Nacional para o Desenvolvimento Científico e
Tecnológico (CNPq), Centro Latino-Americano de Física (CLAF) e pela Fundação Cruz
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
Motivação: A contribuição da barreira
Sharma et al. PRL V. 82 N. 3 p. 616 (1999)
Barreira TaOx (φ = 0,4 eV)
T = 297 K
Barreira Al2O3 (φ ≥ 2,0 eV)
Motivação: A contribuição da barreira
φC < φB < φA Altura relativa da barreira
VC < VB < VA Tensão crítica (TMR=0)
TMRC < TMRB < TMRA Magnetorresistência túnel
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
Densidade da Corrente de Tunelamento (direção reversa):
1
 9.2484 x 10 7  
1
 3 x 10 -9 t 2 T 2



  


2
2

J 12(V,T) 
exp - 1.025 t  r12  -   V exp - 1.025 t   V   1  
r12
r12

  r12
t2




  
 r12


  





 

Resultados e discussão: Os valores
Para uma distância de 50 mm entre o canhão e o substrato,
as MTJs mostraram:
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: 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
M/Ms
1.0
Ni81Fe19
Co
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-200 -150 -100
-50
0
50
100
150
200
Campo Magnético Aplicado (Oe)
Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)
R ()
Resultados e discussão:Válvula magnética
266
Ni81Fe19
Co
RAP > RP
264
T = 300 K
262
260
-100
0
100
Campo Magnético Aplicado (Oe)
Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (45 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)
Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistência
túnel
S
6
M/ M
(MR%)Hmax
R -R
P
TMR  AP
R
P
+ 0 mV
+100 mV
+151 mV
+251 mV
+300 mV
+350 mV
1.0
0.5
0.0
4
-0.5
-1.0
-60
-30
0
30
T = 77 K
60
AppliedMagnetic Field( Oe )
2
0
-60
-30
0
30
60
Campo Magnético Aplicado (Oe)
Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100).
(MR%)Hmax
Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistência
túnel
8
6
4
2
0
-400
-200
0
200
400
Voltage (mV)
R ()
Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistência
túnel
615
+350 mV
610
605
-100
RAP < RP
-50
0
50
100
Campo Magnético Aplicado (Oe)
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.
Coeficiente de Transmissão
T B
C

K
16 K  B K  C K B K C
2
B
 K B
2
 K
2
C
 K C
2

 t

exp - 2  K ( E x , X ,V ) dx
 0

Vetor de Onda da Barreira
 2m 
K (E x , X,V )   2 
 
1
2
1 
x
 2 - 1 - eV  - E x
t
t


TMR    dE x A (E x , V) D (E x ,V) exp - 2  K (E x ,X,V) dx   f (E) - f (E - eV )
kl  
0



Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da
barreira à baixa temperatura
Fator de Coerência Quântica
 2m
D (E x ,V )   2 
 
eVcri

2
- E x - eV  -
1
2
 0 
-
2
2 0
Vcri ≈250 mV
 E x  eV  2 -
 (Co)  1,4 

2

1,4
 0,7 eV
2
 0  1,0 eV
Ex   
1 eV
 0,5 eV
2
VC (V)
Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da
barreira à baixa temperatura
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
0.7
0.8
0.9
1.0 1.0
 (eV)
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
 (eV)
Conclusões:
Produção das Amostras
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
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
M/Ms
1.0
H Paralelo ao Eixo Fácil
H Perpendicular ao Eixo Fácil
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-40
-20
0
20
40
Campo Magnético Aplicado (Oe)
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)
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
Refletividade (u. arb.)
Metodologia experimental: Calibração da Taxa
100 Å
500 Å
1000 Å
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
 (°)
Camadas de Fe
Ta (1,24 Å/s)
Espessura Py
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
Canhão para Desbaste
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
Metodologia experimental: Definindo as propriedades
CoFe/AlOx/Co T= 300 K
Fracamente Oxidada
Oxidação muito forte
Du et al. Phy. Stat. Sol. A V.199 N.2 p.289 (2003)
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
Parâmetros intrínsecos da barreira obtidos através de ajustes às curvas I-V usando o modelo de
Simmons 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 os
eletrodos ferromagnéticos no estado de magnetização antiparalela.
Simmons
Tox(s)
30
30
30
45
45
60
60
Observa-se:
Barreira Simétrica
Chow
φo (eV)
t AlOx (Å)
φo (eV)
0.726  0.014
0.743  0.004
0.807  0.023
0.819  0.021
0.793  0.006
0.836  0.024
0.845  0.0009
8.98  0.08
9.39  0.08
9.96  0.18
10.14  0.20
10.53  0.07
10.98  0.11
11.71  0.20
0.778  0.017
0.827  0.006
0.914  0.035
0.926  0.032
0.945  0.013
0.990  0.017
1.039  0.007
Barreira Assimétrica
Chow
φ1 (eV)
(2.9  0.4) 10-9 1.221  0.018
(1.9  0.3) 10-9 1.239  0.015
(1.2  0.4) 10-8 1.231  0.025
(2.1  0.3) 10-8 etric
1.236  0.024
(1.1  0.1) 10-8 1.251  0.013
(3.9  0.4) 10-8 1.269  0.011
(3.5  0.7) 10-8 1.308  0.029
Aeff
2
(cm )
φ2 (eV)
0.985  0.014
1.032  0.019
0.990  0.011
1.002  0.023
1.018  0.022
1.034  0.017
1.075  0.025
1. Barreiras com baixa assimetria
2. Baixa altura da barreira
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:Duas regiões magnéticas diferentes
B)
A)
M/Ms
0.8
M/Ms
Fe
Co50Fe50
0.8
0.0
0.0
-0.8
-0.8
AlOx (16 A)
-100
0
100
Campo Magnético Aplicado (Oe)
SiO2 (100 A)
-50
0
50
Campo Magnético Aplicado (Oe)
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)