詳解TMR隧道磁電阻效應(yīng)

本文由致真精密儀器綜合

進入信息化時代以來，人們對于信息的讀取和存儲要求越來越嚴(yán)格。從最開始用真空管保存信息到現(xiàn)在U盤的大范圍使用，人們對于信息的大容量，高質(zhì)量儲存越來越重視。而隧道磁電阻效應(yīng)(TMR效應(yīng))正是促進信息儲存變革的理論依據(jù)。

TMR效應(yīng)

鐵磁薄片的磁化方向可以在外磁場的控制下被獨立的切換。如果極化方向平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性會更大，其宏觀表現(xiàn)為電阻??；如果極化方向反平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性較小，其宏觀表現(xiàn)是電阻極大。因此，這種結(jié)可以在兩種電阻狀態(tài)中切換，即高阻態(tài)和低阻態(tài)。TMR效應(yīng)是一種與自旋極化輸運過程相關(guān)的現(xiàn)象，其效應(yīng)概述如圖1所示。

想要清楚的理解TMR效應(yīng)，就要對磁場、量子隧穿效應(yīng)和不確定性原理等物理相關(guān)知識點有一定的了解。

圖 TMR原件結(jié)構(gòu)概述圖

Part1 磁場

磁場，是指傳遞實物間磁力作用的場。磁場是電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。由于磁體的磁性來源于電流，電流是由電荷的運動產(chǎn)生的，因而概括地說，磁場是由運動電荷或電場的變化而產(chǎn)生的。用現(xiàn)代物理的觀點來考察，物質(zhì)中能夠形成電荷的終極成分只有電子（帶單位負(fù)電荷）和質(zhì)子（帶單位正電荷），因此負(fù)電荷就是帶有過剩電子的點物體，正電荷就是帶有過剩質(zhì)子的點物體。運動電荷產(chǎn)生磁場的真正場源是運動電子或運動質(zhì)子所產(chǎn)生的磁場，如圖3所示。

Part2 量子隧穿效應(yīng)

由微觀粒子波動性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢壘貫穿?？紤]粒子運動遇到一個高于粒子能量的勢壘，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過勢壘的；按照量子力學(xué)可以解出除了在勢壘處的反射外，還有透過勢壘的波函數(shù)，這表明在勢壘的另一邊，粒子具有一定的概率出現(xiàn)，即粒子貫穿勢壘。理論計算表明，對于能量為幾電子伏特的電子，方勢壘的能量也是幾電子伏特，當(dāng)勢壘寬度為1埃時，粒子的透射概率達零點幾；而當(dāng)勢壘寬度為10埃時，粒子透射概率減小到10-10，已微乎其微。可見隧道效應(yīng)是一種微觀世界的量子效應(yīng)，對于宏觀現(xiàn)象，實際上不可能發(fā)生。

對于能量勢壘，按經(jīng)典力學(xué)的觀點，粒子需先像爬山一樣翻過山頂再到山腳，如果能量勢壘比粒子本身的能量高，則粒子無法通過；按量子力學(xué)的觀點，只要勢壘的能量不是無窮高，即只要山不是無限高無限厚，粒子就有概率可以穿透這道勢壘，就像是有一條直達的隧道一樣。

圖 宏觀、微觀粒子越過勢壘示意圖

粒子穿過勢壘并出現(xiàn)在經(jīng)典力學(xué)禁阻區(qū)域的過程。當(dāng)一個電子通過由金屬層/絕緣層/金屬層構(gòu)成的三明治薄膜，絕緣層就形成一個勢壘很高的勢阱。按經(jīng)典力學(xué)概念，電子是不可能通過絕緣層的。電子具有“波”“?！眱芍匦?，電子的運動可以用波函數(shù)表征。量子力學(xué)對這種情況的分析表明，電子能以一定的幾率通過隧道效應(yīng)而穿過勢壘，逃出勢阱。穿過勢壘的幾率是由波函數(shù)在勢阱的兩壁上必需連續(xù)這個條件決定的。當(dāng)電子通過第一個金屬/絕緣體的界面時，在絕緣體內(nèi)波函數(shù)較快地衰減，如果絕緣層足夠薄，即勢壘薄，電子通過絕緣層到達第二個絕緣體/金屬界面時波函數(shù)沒有衰減到零，那么在第二個金屬薄膜中發(fā)射電子的幾率不是零，即電子穿越了勢壘。

圖 電子隧穿勢壘波函數(shù)示意圖

Part3 不確定性原理

初步看來，量子隧穿問題似乎是個佯謬，但是使用能量-時間不確定性原理可以合理解釋這問題。假設(shè)粒子的原本能量為E，位勢壘的位勢為V，而E

其中，ΔE, Δt分別為能量與時間的不確定性，?是約化普朗克常數(shù)。

圖 不確定性原理示意圖

盡管在經(jīng)典力學(xué)里，總能量不能改變，否則，會違背能量守恒定律。然而，在量子力學(xué)里，假若時間的不確定性為Δt，則能量的不確定性為ΔE≈?/2Δt?，F(xiàn)在，假設(shè)粒子暫時借得能量ΔE，而且E+ΔE>V，則粒子就可以從區(qū)域 A移動到區(qū)域 C，但是為了不違背能量-時間不確定性原理，粒子必須在時間Δt≈?/2ΔE內(nèi)，還回能量ΔE，并且粒子必須在時間Δt內(nèi)從區(qū)域 A移動到區(qū)域 C，否則它仍舊不能從區(qū)域 A移動到區(qū)域 C。

注意到兩點：假若位勢壘過寬與過高，則粒子借得足夠能量在時間限制內(nèi)從區(qū)域 A移動到區(qū)域 C是很困難的事件，這事件的概率會變得非常低，大多數(shù)粒子都會被反射回去。

按照上述解釋，由于粒子的能量變得大于位勢壘的位勢，粒子不是穿越過位勢壘，而是跳躍過位勢壘。

Part4 TMR效應(yīng)的產(chǎn)生

磁性金屬的3d以至4s電子能帶會發(fā)生按自旋方向的交換劈裂，使正自旋子帶和負(fù)自旋子帶中電子數(shù)不等。費米面上正負(fù)自旋電子數(shù)不等將導(dǎo)致鐵磁金屬中傳導(dǎo)電子流的自旋極化。

圖 (a)非磁性半導(dǎo)體和(b)鐵磁金屬的態(tài)密度示意圖

在磁性隧道結(jié)（由磁性層/絕緣層/磁性層組成的結(jié)構(gòu)）中，中間絕緣層的作用是提供一個勢壘并隔開鐵磁層，這樣鐵磁層之間的導(dǎo)電就是一種隧穿效應(yīng)。隧穿電流由兩種自旋電子流組成。對于磁隧道結(jié)中的上下兩層鐵磁電極，當(dāng)它們的矯頑力不同（或一種鐵磁層被釘扎）時，其磁化方向會隨著外加磁場的變化呈現(xiàn)出平行或反平行兩種狀態(tài)。磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)和原理如圖所示。

圖 磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)和原理示意圖：(a)兩磁性層的磁矩平行態(tài),通常為低電阻態(tài); (b)兩磁性層磁矩反平行,通常為高電阻態(tài)

當(dāng)兩鐵磁層的磁化方向平行時，一鐵磁層中的多數(shù)自旋子帶的電子將進人另一鐵磁層的多數(shù)子帶的空態(tài)，同時少數(shù)自旋子帶的電子也從一個鐵磁層進人另一個鐵磁層少數(shù)子帶的空態(tài)，此時隧穿幾率大，總的隧穿電流較大；當(dāng)兩鐵磁層的磁化方向反平行時，則一鐵磁層中的多數(shù)自旋子帶的電子自旋與另一個鐵磁層的少數(shù)自旋子帶的電子自旋平行，一鐵磁層中的多數(shù)自旋子帶的電子將進人另一鐵磁層的少數(shù)子帶的空態(tài)且少數(shù)自旋子帶的電子也從一個鐵磁層進人另一個鐵磁層多數(shù)子帶的空態(tài)，此時隧穿幾率小，隧穿電流比較小。因此,隧穿電導(dǎo)隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化，磁化矢量平行時的電阻低于反平行時的電阻。通過施加外磁場可以改變兩鐵磁層的磁化方向，從而使得隧穿電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。

Part5 應(yīng)用現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代初,磁電阻型讀出磁頭在硬磁盤驅(qū)動器中的應(yīng)用，大大促進了硬磁盤驅(qū)動器性能的提高，使其面記錄密度達到了Gb/in2的量級。十幾年來，磁電阻磁頭已從當(dāng)初的各向異性磁電阻磁頭發(fā)展到GMR磁頭和TMR磁頭。

表1TMR磁頭和GMR磁頭性能比較

基于TMR效應(yīng)制作的磁隨機存儲器(MRAM)芯片具有集成度高、非易失性、讀寫速度快、可重復(fù)讀寫次數(shù)大、抗輻射能力強、功耗低和壽命長等優(yōu)點，它既可以做計算機的內(nèi)存儲器，也可以做外存儲器。

表2TMR作為內(nèi)存儲器的優(yōu)點

表3TMR作為外存儲器的優(yōu)點

與硬磁盤相比，它的優(yōu)勢是無運動部件，使用起來與Flash存儲器一樣方便。除此之外TMR材料還可以做成各種高靈敏度磁傳感器，用于檢測微弱磁場和對微弱磁場信號進行傳感。由于此類傳感器體積小、可靠性高、響應(yīng)范圍寬，在自動化技術(shù)、家用電器、商標(biāo)識別、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測量技術(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯：湯梓紅