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MRAM用垂直磁各向异性自旋阀的性能优化研究

贺赫  
【摘要】:由于纳米尺寸的垂直磁各向异性自旋阀具有良好的热稳定性、翻转稳定性以及低翻转电流等特点,在研发高密度磁随机存储器(MRAM)方面具有极大的潜在应用前景,从而吸引了研究人员的广泛关注。本文的工作就是针对MRAM用垂直磁各向异性自旋阀进行性能优化,采用的方法主要包括两方面:第一,采用垂直磁各向异性的人工合成反铁磁(synthetic antiferromagnet; SAF)结构;第二:采用TbCo与[Co/Ni]N多层膜的耦合结构。 本论文主要内容如下: 关于人工合成反铁磁结构,我们成功制备出具有垂直磁各向异性的人工合成反铁磁[Co/Ni]N/Ru/[Co/Ni]3多层膜结构。并研究了Ru层厚度及[Co/Ni]N周期数N对其磁性的影响。我们选择具有强的反铁磁耦合场以及大的净磁矩翻转场的SAF结构作为自旋阀的参考层。普通的[Co/Ni]自旋阀在150℃退火时GMR信号就已经迅速下降,与其相比,SAF自旋阀由于具有大的自由层与参考层翻转场差,热稳定性要好得多。室温下,其GMR信号为6.0%,并随着退火温度升高而缓慢降低。我们认为GMR信号的降低是因为热处理导致的多畴形成以及垂直各向异性变差。 关于TbCo与[Co/Ni]N多层膜的耦合结构,我们研究了不同成分比的TbCo合金膜与[Co/Ni]N的耦合作用。然后选择富Tb的TbCo与[Co/Ni]N多层膜组成垂直交换耦合结构,以该结构作为参考层的自旋阀表现出了优异的性能。稍微增加TbCo的厚度,耦合结构的垂直矫顽力会明显增大,从而增加了自由层与参考层的翻转场差,实现在较大的外场范围内磁化方向的平行与反平行。由于参考层的磁矩反平行排列,产生的散磁场很小,因而TbCo耦合自旋阀不仅能保持高的GMR信号,自由层翻转场没有受到散磁场的影响,GMR回线关于原点对称,这些性能对实际应用非常重要。


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