新型磁性纳米多层高灵敏的磁阻传感器(译文)

新型磁性纳米多层高灵敏的磁阻传感器 物理及天文系内布拉斯加中心 材料和纳米科学， 内布拉斯加大学 摘要-

软铁磁层中的磁隧道结的磁特性的是确定磁致电阻传感器的性能重要因素之一。在本文中，我们比较两个磁性隧道结不同的自由层的厚度有很大不同的磁力特性，如磁化反转行为，磁性corecivity，饱和磁场，和隧道 magnetoreistance比例等。在这项研究中，我们将展示一个具有灵敏度相当于1916％/ mT(大地电磁)的传感器，该磁传感器只消耗功率的20μW，在 1伏电压下运行。 引言（标题1）

提高磁阻传感器的灵敏度的关键是降低噪声源，以增加信号，并了解他们的基本限制。新型磁性纳米多层膜的发展为提高信号并降低磁性隧道结的噪音提供了明确的途径。经过许多研究小组的共同努力来改进所述磁性隧道结层结构。

影响磁阻传感器的性能的因素有许多。其中之一是自由层的磁性隧道结的磁特性。（查阅磁阻传感器的工作原理）经过我们项目组的研究，我们已经证明通过使用铁磁耦合（FM耦合），以改善自由层的柔软度以增强磁阻传感器的灵敏度高达750％/ mT（原文： we have demonstrated（论证） by using the ferromagnetic coupling （铁磁耦合）(FM coupling) to improve the softness（柔软度） of the free layer which enhance （增强）the sensitivity of the magnetoresistive sensor as high as 750%/mT）

在本文中，我们将比较两个有着不同的自由层的厚度的磁性隧道结不同的磁性特征。我们实现了敏感性高达1916％/ mT的磁阻传感器。这些磁性传感器在1 V的外加电压下运行而消耗功率仅为20μW。

II. EXPIMENTAL DETAILS

在这项研究中使用的磁性隧道结（MTJ）层结构是

1.5 nm 钽/25 nm 钌/7 nm Ir20Mn80/ 2.2 nm Co40Fe60/0.85 nm 钌/2.8 nm Co20Fe60B20/ 2 nm MgO/ 1.5纳米（或1纳米）Co20Fe60B20/1纳米钽/15纳米茹，(各层结构的名称)（下图为结构图）

（图一.磁隧道结层结构ferrimagetic layer 铁磁层）

如图1所示，隧道结，通过光刻和氩铣削被做成大小10微米×20微米的椭圆为（面积157平方微米，偏心率0.866）（原文：as shown in Fig. 1. The junctions（隧道节） were patterned into ellipses （椭圆）with a size of 10 μm x 20 μm (area 157 μm2, eccentricity 0.866) by photolithography and argon milling.)。MTJ传感器桥（原文： The MTJ sensor bridge MTJ：磁性隧道节 ）在350℃ 1.33×10-5Pascal的真空度以及1特斯拉磁场下进行1小时退火（ annealed） 。 The MTJ sensor bridge was annealed at 350 °C under a 1 Tesla magnetic field for 1 hour and a vacuum of 1.33 x10-5Pascal. ）基准层的钉扎(pinning )方向是沿椭圆的短轴。第二退火（ annealed）工艺是在0.1特斯拉的磁场沿椭圆的长轴在320℃下进行2小时，设置自由层的钉扎方向方向是垂直于基准层的。（演讲内容）

正如我们之前所说的磁传感器的噪声将通过N，（个人理解：传感器噪声将将信噪比提升到

N倍）（原文：sensor noise will increase the signal to noise ratio （信噪比）by N）

其中N是MTJ元件串联或并联[23]的数量的增加信号噪声比，为减少噪音，我们设计了一个64元件桥的磁性传感器，用64元桥的磁传感器与该参考的设计是一样的。为避免不必要的外部磁场的波动，测量在屏蔽环境下进行。在本研究中使用的磁传感器，用非对称的桥制成。由两个管芯构成并旋转它们使得所述钉扎方向彼此相反 。该传感器的电压和前置放大器偏置是由电池供电，以减少噪音。磁通集中器，用一个Conetic合金，该合金在氢环境下进行退火（ annealed），在1150℃下速度约1℃/分钟进行20小时的冷却。集中器之间的间隙为一般为1毫米，通常可扩增磁场密度为80-120倍。所有的测量数据在自然条件（ambient conditions）下获得。

实验结果与讨论

磁性隧道节不同的自由层的厚度表现出非常不同的磁特性。我们准备了两个MTJ样本，其中MTJ-A具有1.5 nm的自由层的厚度和MTJ-B的1纳米的自由层的厚度。那些磁特性，如磁化反转行为，磁性corecivity（HC），饱和磁场（H0），以及隧道磁电阻（TMR）（tunnel magnetoreistance (TMR) ）比率等都对层厚度和退火（ annealed）条件非常敏感。如图2所示，MTJ-A样品设置引脚层方向（椭圆的短轴）在1 T的磁场350℃下进行退火（ annealed）。

被使用的磁场强度

（图片描述：对MTJ-A样品的隧道磁阻（TMR）磁滞回线（1.5纳米的CoFeB自由层的厚度）。黑色磁场变化循环是，在1 T的磁场350℃下第一退火后的图形，它设置引脚层方向（椭圆的短轴）。红色MR循环，为第二在320℃0.1 T的磁场下退火，它设置自由层（椭圆的长轴）的易轴。在零磁场的TMR循环桅被标为蓝色系通过退火来说明改变灵敏度。） MTJ-A样品的TMR(隧道磁电阻)比为约120％。TMR（tunnel magnetoreistance (TMR) ）回路在零磁场的斜率是很小的。为了提高在零磁场的斜率，第二退火工艺被引入。将所述MTJ-A样品在0.1 T磁场下加热至320℃，设置其在自由层的易轴（椭圆的长轴）。第二退火工艺，可以在自由层磁化以作为磁性偶极子，使之可以在变化的磁场中顺畅转动。TMR循环中零磁场下灵敏度的斜率（蓝线图2）提高了约11倍，从2％/ mT到22％/ mT。当然，第二退火工艺也增加了TMR比至约186％，可能是由于铁磁性层的更好的晶体取向和MgO绝缘体一样。所述MTJ-A样品的矫顽力（Hc）在第一退火后大约1.4 mT而的第二次退火后大约为0.8 mT。饱和磁场（H0）从1.3mT后的首次退火后上升至第二次退火后的4 mT(The coercivity (Hc) of the MTJ-A sample is about 1.4 mT after the first annealing and 0.8 mT after second annealing. The saturation field (H0) increased from 1.3 mT after the first annealing to 4 mT after second annealing).我们同样对MTJ-B样品做了类似的退火过程。如该图.3，

MTJ-B样品在1 T磁场在350℃下设置引脚层退火 方向（椭圆的短轴）。MTJ-B样品的TMR比仅为50％左右。在零磁场下TMR回路的斜率是小的。MTJ-B样品的第二次退火是在0.1 T的磁场下设置自由层（椭圆的长轴）的易轴加热到320℃。零磁场下的TMR循环中的斜率（蓝线在图3中）可提高约4.4倍，灵敏度从4.3％/ mT变化到19％/ mT。然而，第二退火工艺减小了TMR比大约38％，可能由于MgO绝缘体和非常薄的自由CoFeB层在之间发生相互扩散。（However, the second annealing process decreases the TMR ratio to about 38 % that may due to the interdiffusion occurred between the MgO insulator and the very thin free CoFeB layer）所述MTJ-B样品的矫顽力（Hc）在第一退火后约为0.3 mT第二次退火后约为3 mT。饱和磁场（H0）也从第一退火的1 mT增至第二退火后的3mT。

我们从MTJ-A和MTJ-B样品进行磁传感器。传感器配置是通过取两个管芯并旋转它们，使钉扎方向是彼此相对的形成的非对称的桥式电路。我们还增加了一对磁收敛（magnetic flux concentrator ）于每个传感器。MTJ-A和MTJ-B这两个传感器在施加1 V电压时的传感器输出电压（VOUT）与如图4所示。有相当大的磁滞，磁场的范围在-60μT到+60T（There is quite large magnetic hysteresis in the magnetic field range of ± 60 µT.）。在1 V 施加电压下MTJ-A的输出电压是从-580 mV到580 mV而MTJ-B的输出电压是从-180 mV至170 mV。MTJ-A传感器具有约3倍以上Voutthan的MTJ-B的。然而，MTJ-B的Ho（饱和磁场）是MTJ-A传感器的Ho的约3.3倍，MTJ-A的Ho是约40μT，而MTJ-B的Ho是约12μT。

为传感器的灵敏度定义为下面的方程

在图5中，我们展示了MTJ-A的磁传感器的灵敏度。磁传感器响应于增加和减少的±1μT直流磁场范围的输出电压是线性的。磁传感器被下的1伏的施加电压操作时，该传感器在无外部磁场集中器的情况下灵敏度是17.6％/ mT的而在有外部磁场集中器时为1650％/ mT的，这增加了93倍。（we show that the sensitivity of MTJ-A magnetic sensors. Output voltage of the magnetic sensor response to increasing and decreasing DC magnetic field range of ± 1 μT is quite linear. The magnetic sensor was operated under applied voltage of 1 Volt, the sensitivity of this sensor is 17.6 %/mT without external magnetic concentrator and 1650 %/mT with external magnetic concentrator, which increased by 93 times.）。

在图6，我们展示了MTJ-A磁传感器的灵敏度。磁传感器响应的±1μT的增加和减少的直流磁场范围的输出电压是线性的。磁传感器被下的1伏的施加电压操作时，该传感器的灵敏度是16.7％/ mT的无外部磁场集中器和1916％/ mT的外部磁场集中器，从而增加了大约114倍。

于表I中，我们列出了影响磁阻传感器的性能的几个磁力特性。它表明两种样品的磁特性有很大的不同，虽然传感器的灵敏度值非常接近。一般来说，高的TMR比和低霍尔所需的高灵敏度传感器。该Hcare相关的磁滞和传感器的线性度。从这项研究中，我们证明了的参数，如HC，Ho和TMR比等，确定的磁传感器的灵敏度的重要性。（As sown in Table I, we list a

few magnetic characters that affect the performance of the magnetoresistive sensor. It shows that the magnetic characters of two samples are quite different, although the sensor sensitivity values are very close. In general, high TMR ratio and low Hoare desired for high sensitive sensor. The Hcare related to the magnetic hysteresis and the linearity of the sensor. From this study, we show that the importance of parameters, such as Hc, Ho, and TMR ratio etc., that determine the sensitivity of the magnetic sensor.）

总之，我们比较了两种不同的厚度自由层的MTJ的磁传感器具有的不同的磁性字符。与1.5纳米的CoFeB作为自由层的MTJ-A感光芯片显示的0.85 mT的186％和矫顽力退火工艺后的TMR比值。传感器的灵敏度是高达1650％/ mT的一对磁收敛。该MTJ-B传感器与1.0纳米的CoFeB显示了38％，但在0.3 mT的矫顽力的TMR比值。制备成磁性传感器后加聚磁，灵敏度高达1916％/，这是已被报道的最高值。该传感器只消耗功率的20μW而1 V的外加电压下运行（In summary, we have present two different magnetic characters of MTJ magnetic sensors which have different thickness of the free layer. The MTJ-A senor with 1.5 nm CoFeB as free layer shows TMR ratio of 186 % and coercivity of 0.85 mT after annealing processes. The sensitivity of the sensor is as high as 1650 %/mT with a pair of magnetic flux concentrator. The MTJ-B sensor with 1.0 nm CoFeB shows TMR ratio of 38 % but coercivity of 0.3 mT. After prepared into magnetic sensor and added magnetic flux concentrator, the sensitivity is as high as 1916 %/mT, which is the highest value has been reported so far. This sensor only dissipates 20 µW of power while operating under an applied voltage of 1 V.）