Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions Based on CoFeB and MnIr/CoFe with Exchange Bias

Die Informationstechnologie hat zahlreiche neue Erfindungen und Innovationen hervorgebracht. Die Umwelt ist zunehmend vernetzt, mit Sensoren ausgestattet und digital verbunden. Ein weit verbreiteter Konsens besagt, dass die Erfindung des Internets den Grundstein für das Informationszeitalter gelegt hat. In den ersten zehn Jahren des 21. Jahrhunderts wurden enorme Datenmengen generiert, die möglicherweise die gesamte Menge des 20. Jahrhunderts übersteigen. Die Datenspeichertechnologie steht vor der Herausforderung, das kontinuierlich wachsende, ungebundene Datenvolumen zu verwalten. In diesem Zusammenhang sind flüchtige und nicht-flüchtige Speicher für ihren signifikanten Beitrag in diesem Bereich von Bedeutung. Flüchtige Speicher, wie dynamischer und statischer RAM, benötigen konstante Energie, um die gespeicherten Informationen aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu behalten nicht-flüchtige Speicher die Informationen auch nach dem Ausschalten der Energie. Ein Typ nicht-flüchtiger Speicher, der erhebliches wissenschaftliches Interesse geweckt hat, ist der magnetoresistive RAM (MRAM), der den Vorteil des Tunnelmagnetoresistanz-Effekts nutzt. Der Kern eines MRAM-Zell ist die sogenannte magnetische Tunnelverbindung (MTJ), die aus einer dünnen isolierenden Barriereschicht besteht, die von zwei ferromagnetischen Schichten umgeben ist.

Die Spintronik ist ein aufstrebendes Forschungsfeld, das sich mit der Nutzung des Spins von Elektronen zur Informationsverarbeitung beschäftigt. Der GMR-Effekt (Giant Magnetoresistance) und der TMR-Effekt (Tunnel Magnetoresistance) sind zentrale Konzepte in diesem Bereich. Der GMR-Effekt wurde 1988 von Fert und Grünberg entdeckt und stellte einen Durchbruch in der Speichertechnologie dar. Der TMR-Effekt, der in MTJs auftritt, ermöglicht hohe TMR-Verhältnisse, die durch die kohärente Tunnelung von Elektronen entstehen. MTJs mit einer vollständig epitaxialen MgO-Barriere zeigen signifikante Vorteile gegenüber in-plane magnetisierten Systemen. Insbesondere die perpendikulare magnetische Anisotropie (PMA) bietet Vorteile wie eine höhere Dichte von Speicherelementen auf einem Wafer und eine verbesserte Speicherrückhaltung bei kleinerer Größe. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Entwicklung zukünftiger Speicheranwendungen.

Die experimentellen Methoden zur Herstellung von p-MTJs umfassen die Verwendung von e-beam Lithographie und die Analyse der strukturellen und magnetischen Eigenschaften. Die X-ray Diffraction und die X-ray Reflectivity sind wichtige Techniken zur Charakterisierung der Schichten. Die magnetischen Eigenschaften werden durch den Alternating Gradient Magnetometer und den magnetooptischen Kerr-Effekt untersucht. Diese Methoden ermöglichen eine detaillierte Analyse der magnetischen Tunnelverbindungen und deren Eigenschaften. Die Ergebnisse dieser Analysen sind entscheidend für das Verständnis der physikalischen Mechanismen, die den TMR-Effekt antreiben, und für die Optimierung der Speichertechnologien. Die Robustheit der Referenzmagnetisierung in MTJs mit Austauschbias ist ein weiterer wichtiger Aspekt, der in den experimentellen Studien behandelt wird.

Die praktischen Anwendungen von p-MTJs sind vielfältig und reichen von magnetischen Speichern bis hin zu Sensoren. Die Fähigkeit, Informationen effizient zu speichern und abzurufen, ist entscheidend für die Entwicklung moderner Speicherlösungen. Die Robustheit der MTJs mit Austauschbias bietet Vorteile in der Speichertechnologie, insbesondere in Bezug auf die Stabilität der magnetischen Zustände. Zukünftige Forschungen könnten sich auf die Verbesserung der TMR-Eigenschaften und die Entwicklung neuer Materialien konzentrieren, um die Leistung von MRAM weiter zu steigern. Die Integration dieser Technologien in kommerzielle Produkte könnte die Art und Weise, wie Daten gespeichert und verarbeitet werden, revolutionieren.