元件新領(lǐng)域：磁電子器件及其應(yīng)用

1 引言

磁電子器件是近幾年才出現(xiàn)的新型高技術(shù)產(chǎn)品，它是采用納米制造技術(shù)把微小尺寸的磁性元件與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件結(jié)合在一起，得到全新的或者高功能的器件。這類器件以鐵磁金屬中的費米面上或其附近的電子部分地被自旋極化為基礎(chǔ)進行工作。電子自旋度愈高，自旋輸運效應(yīng)愈大。如果鐵磁層的磁矩全部排列在同1個方向上，器件就有低電阻，若交替反向排列，器件就有高電阻，改變磁矩的排列方向便可以改變電阻值。

磁電子新技術(shù)的實用化，源于納米磁性材料和納米制造技術(shù)的成功開發(fā)。在過去30多年中，對自旋極化輸運雖有許多令人鼓舞的想法和實驗，但最明顯的是在1988年發(fā)現(xiàn)的GMR效應(yīng)，這才是最重要的動力。GMR效應(yīng)最初是在給金屬多層膜（Fe/Cr）面內(nèi)加電流（CIP）發(fā)現(xiàn)的，后來在垂直膜面加電流（CPP）也觀察到這種現(xiàn)象。最近，在用絕緣隧穿勢壘層隔離的兩種金屬鐵磁薄膜中還觀察到室溫自旋相關(guān)隧道（SDT）效應(yīng)，其電阻值變化比前者更大。

發(fā)現(xiàn)GMR效應(yīng)后，在應(yīng)用電子隨機自旋度的道路上邁開了第一步。最近10多年來，對自旋輸運電子技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)取得迅速的進展，收到明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。1995年，美國NVE公司開始制造和銷售GMR電橋元件，1997年推出制作在半導(dǎo)體芯片上的數(shù)字式GMR傳感器；1998年IBM公司開發(fā)成功自旋閥（SV）GMR讀出磁頭并正式上市，使硬磁盤驅(qū)動器（HDD）的面記錄密度提高到20Gbpi。據(jù)統(tǒng)計，目前這種磁頭已占領(lǐng)磁記錄磁頭市場份額的95％，每季度的產(chǎn)值可達(dá)10億美元。2000年，富士通公司開發(fā)出記錄密度達(dá)56.3Gbpi的SVGMR磁頭；1998年，西門子公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)檢測GMR傳感器上市；從1999年至2001年，美國的IBM、摩托羅拉，德國的Infineon等公司先后研制成功實用的MRAM芯片。

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）于1995年創(chuàng)立了1個聯(lián)合企業(yè)，并擬訂了1個正式的DARPA計劃——“Spintronics"（自旋輸運電子技術(shù)）。該項計劃的核心內(nèi)容是應(yīng)用GMR效應(yīng)，開發(fā)各種磁傳感器和非易失存儲器。同時，還擁有開發(fā)GMR以外的其他器件的特許權(quán)，其中包括自旋相關(guān)隧道結(jié)構(gòu)及實用的磁性氧化物。DARPA計劃排定日程，將在以后的幾年內(nèi)制造出1MbitMRAM芯片，開發(fā)出實用的軍用和民用磁傳感器和磁存儲器。同時，著手SpinFET、SpinLED自旋共振隧道效應(yīng)器件、自旋相關(guān)器件和自旋量子化器件等多種新型磁電子器件的研究與開發(fā)。

2 SV-GMR磁頭和傳感器

構(gòu)成GMR磁頭和傳感器的核心元件是自旋閥（SpinValve）元件。它的基本結(jié)構(gòu)是由釘扎磁性層（例如Co）、Cu間隔層和自由磁性層（例如NiFe等易磁化層）組成的多層膜。釘扎層的磁矩固定不變，由于釘扎層的磁矩與自由磁層的磁矩之間的夾角發(fā)生變化會導(dǎo)致SVGMR元件的電阻值改變，進而使讀出電流發(fā)生變化。為了提高SV元件的靈敏度，必須把自由磁層做得很薄。但是，這樣又將導(dǎo)致界面?zhèn)鲗?dǎo)電子的不規(guī)則反射而降低電阻的變化率。因此，后來又增設(shè)了一層氧化物，使電子成鏡面反射，故而又把這種元件叫做“鏡面SV元件”。從2001年起，GMR磁頭制造商正式采用鏡面SV元件。據(jù)報告，用這種鏡面SVGMR磁頭，可以讀出100Gbpi面記錄信息。

1995年，在用絕緣隧道勢壘層代替SV元件中的Cu間隔層時，發(fā)現(xiàn)了室溫自旋相關(guān)隧道（SDT）效應(yīng)，稱為隧道結(jié)磁電阻（TMR）效應(yīng)。目前，由這種現(xiàn)象感生電阻的變化率已高達(dá)40％，是GMR效應(yīng)的數(shù)倍至10倍，較之GMR元件，檢測靈敏度有很大的提高?，F(xiàn)在正在積極研究和開發(fā)這種TMR元件。

實際上，磁頭是1種檢測磁場強弱、把磁信號變換成電信號的磁傳感器。使用軟磁合金薄膜，利用其磁電阻（MR）效應(yīng)工作的磁傳感器，除了用作磁記錄讀出磁頭外，還在檢測電流、位置、位移、旋轉(zhuǎn)角度等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。運用SVGMR元件的磁傳感器，檢測靈敏度比使用MR元件的器件高1至數(shù)個量級，更容易集成化，封裝尺寸更小，可靠性更高。它不僅可以取代以前的MR傳感器，還可以制成傳感器陣列，實現(xiàn)智能化，用來表述通行車輛，飛機機翼、建筑防護裝置或管道系統(tǒng)中隱蔽缺陷的特征，跟蹤地磁場的異常現(xiàn)象等。還有人提出可以作為抗體和生物標(biāo)本檢驗的傳感元件，應(yīng)用范圍較之MR傳感器顯著擴大。當(dāng)前，GMR傳感器已在液壓汽缸位置傳感、真假紙幣識別、軸承編碼、電流檢測與控制、旋轉(zhuǎn)位置檢測、車輛通行情況檢測等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在軍事上，GMR傳感器有著更加重要的應(yīng)用價值。美國軍方正在研制高g軍火用捷聯(lián)式（StropDown）MEMS傳感器，用在制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制（GN＆C）或時空位置信息（TSPI）中，為測評部門進行飛行中的診斷和用于慣性測量（IMU）中。按陸軍的“加固次小型化遙測裝置和傳感系統(tǒng)（HSTSS）”計劃，將提供一大宗商品性成品和組裝技術(shù)，用于診斷高g和高自旋軍火，如火炮、導(dǎo)彈、坦克等。ARL完成了MEMS壓力、加速度、角速度和磁場傳感器的若干地面和飛行實驗。用磁場傳感器可以推斷與磁場相關(guān)的角速度，具簡便易行。1996年，ARL用遙測裝置和MR磁場傳感器（如測自旋速率的Honeywell1002,SCSA50型），檢測120mm動能飛彈。在他們新近開發(fā)的遙測精密跟蹤插塞(20×35mm）中，使用了新的GMR傳感器，成功地用于105mm動能訓(xùn)練飛彈試驗。