conexiuni

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • rezultate si discutii
  • concluzie
  • metode
  • Pregătirea șinelor de barieră MTJ-MTJ
  • Producerea de dispozitive flexibile de barieră MgO MTJ
  • Măsurarea proprietăților magnetice și de transport
  • Mai multe detalii
  • Informatii suplimentare
  • Fișiere PDF
  • Informatii suplimentare
  • Comentarii

obiecte

  • Inginerie electrică și electronică
  • Dispozitive electronice
  • Spintronica

abstract

Joncțiunea de tunel magnetic (MTJ) care utilizează bariera MgO este unul dintre cele mai importante blocuri de construcție pentru dispozitivele spintronice și este utilizată pe scară largă ca senzori magnetici miniaturizați. Acest lucru ar putea juca un rol important în dispozitivele medicale purtabile dacă acestea ar putea fi fabricate pe substraturi flexibile. Cu toate acestea, procesele de fabricație stricte necesare pentru obținerea MTJ-urilor de barieră MgO de înaltă calitate limitează integrarea sa cu dispozitive electronice flexibile. În această lucrare, am dezvoltat o metodă pentru producerea de barieră MgO de înaltă performanță MTJ direct pe o membrană de silicon flexibilă ultra-subțire cu o grosime de 14 μm și apoi transferul și legarea pe substraturi din plastic. În mod remarcabil, astfel de MTJ flexibile sunt complet funcționale și prezintă un raport TMR de până la 190% la raze de îndoire de până la 5 mm. Robustețea dispozitivului se reflectă în performanța excelentă menținută și raportul TMR nemodificat după mai mult de 1.000 de cicluri de îndoire. Bariere MgO flexibile dovedite deschid ușa MTJ pentru a integra dispozitive spintronice performante în dispozitive electronice flexibile și purtabile pentru multe aplicații de detectare biomedicală.

Electronica flexibilă a fost în centrul atenției în ultimele decenii datorită creșterii rapide a pieței și a interesului științific tot mai mare. Flexibilitatea oferă avantaje mari față de dispozitivele electronice rigide convenționale, cum ar fi dispozitivele ușoare, flexibile, portabile și potențial pliabile 1, care ar putea fi integrate în multe tipuri de suprafețe. Există perspective pentru aplicații precum 2 biologice și dispozitive purtabile 3, 4. Electronica flexibilă a beneficiat de dezvoltarea recentă a electronicii organice și anorganice, care sunt preparate folosind folii subțiri sau tehnologii de imprimare. Până în prezent, aplicațiile notabile bazate pe electronice flexibile includ afișajele 5, diode emițătoare de lumină organice (LED-uri) 6, celule solare organice 7 și diferite tipuri de senzori 8, 9. .

Aici, am dezvoltat o metodă diferită și am demonstrat cu succes integrarea MTJ-urilor de barieră MgO flexibile de înaltă performanță direct pe membrane de silicon ultra-subțiri. Rezervoarele MTJ și metodele de producție diferă de rezervoarele enumerate la ref. 33. În procedura noastră, partea din spate a siliciului a fost gravată direct într-un sistem de săpături profunde. Grosimea finală a barierei flexibile MgO MTJ a fost controlată de timpul de gravare. MTJ-uri flexibile cu barieră MgO pot fi plasate pe orice tip de suprafață neplană pentru testări ulterioare. Grosimea membranei de siliciu este de aproximativ 14 μm și poate fi ușor ruptă pe o rază de curbură de 3,3 mm. Îndoirea în continuare pe o rază de curbură mai mică pentru o membrană de siliciu de sine stătătoare devine riscantă, deoarece o mică forță de forfecare va duce la dezintegrarea acesteia. Cu toate acestea, după transferul pe un tampon din plastic, acesta poate fi îndoit în continuare pe o rază de 2 mm. Barierele MgO MTJ produse prezintă un raport TMR la temperatura camerei de până la

190% cu raze de îndoire diferite, ceea ce este mult mai mare decât s-a obținut anterior cu bariere flexibile GMR sau Al2O3 MTJ pe substraturi organice 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23. Aceste MTJ flexibile cu barieră MgO deschid calea către implementarea dispozitivelor spintronice performante în aplicații de dispozitive flexibile și purtabile.

rezultate si discutii

A ) Coșurile de fum cu barieră MgO MTJ au fost cultivate pe o placă de siliciu subțire oxidată termic (150 μm); ( b ) MTG-urile de barieră MgJ au fost modelate utilizând litografie UV standard și frezare cu ioni; După recoacerea ulterioară, un strat de fotorezistent S1813 este aplicat pe suprafața dispozitivului. d ) proba a fost inversată și montată pe o placă de siliciu de patru inci acoperită cu fotorezistent; e ) Săpătura profundă cu plasmă SF6 și Ar a fost efectuată pentru a dilua partea din spate a siliciului; ( f ) După îndepărtarea atentă a fotorezistentului cu acetonă, MTJ-urile flexibile cu barieră MgO au fost eliberate în cele din urmă.

Imagine la dimensiune completă

A ) Diagrama stivelor MTJ de bariere MTJ utilizate în această lucrare. Un câmp magnetic extern a fost aplicat de-a lungul axei luminii și perpendicular pe direcțiile de îndoire. Definim raza de îndoire (r 1) cu deformare la tracțiune ca pozitivă (+) și raza de îndoire (r 2) cu tensiune de compresiune ca negativă (-). b ) Comportamentul de îndoire a dispozitivelor MTJ reale atunci când este plasat pe film Kapton. Inceputul ( b ) prezintă structuri MTJ cu o dimensiune a coloanei de 4 x 12 μm2. c ) MTJ-urile flexibile de sine stătătoare au fost îndoite folosind etriere, până la o rază de îndoire de 3, 3 mm fără deteriorări. Inceputul ( c ) prezintă o buclă TMR completă și mică, cu un raport TMR de până la 190% pentru un dispozitiv MTJ flexibil nestresat. Produsul de rezistență (RA) este de 1,6 x 104 m2μm2. De asemenea, arată că acest tip de MTJ flexibil poate găzdui cu ușurință o altă suprafață curbată, cum ar fi o limbă. d ) Grosimea substratului de siliciu ultra-subțire pentru MTJ-ul nostru flexibil este de aproximativ 14 μm, ceea ce este mult mai subțire decât siliciul utilizat pentru cipurile de siliciu convenționale (500 μm).

Imagine la dimensiune completă

Proprietățile magnetice de transport în funcție de raza de îndoire au fost măsurate cu atenție la temperatura camerei pentru probele flexibile MTJ cu barieră MgO, așa cum se arată în Figura 3. Eșantionul a fost aderat la două seturi de suporturi de probe curbate cu o rază de acoperire. de la 30 mm la 5 mm folosind banda Kapton. Caracteristica razei de îndoire a fost definită ca pozitivă sau negativă în funcție de presiunea pe MTJ a fost de tracțiune și de compresie, așa cum se arată în Figura 2a. Câmpul magnetic a fost aplicat de-a lungul axei luminii și perpendicular pe direcțiile de solicitare. Bucle TMR complete și mai mici versus bucle de câmp magnetic cu raze de îndoire diferite sunt prezentate în FIG. 3a și inserția sa pentru o coloană MTJ de dimensiune

4 × 12 μm2 și produsul zonei de rezistență (RA)

1, 6 × 104 2μm 2. Așa cum se arată pe inserția din FIG. 3a, cu o rază de îndoire pozitivă de 5 mm, panta de comutare fără CoFeB scade; dar panta de comutare fără stratul CoFeB nu scade și păstrează comportamentul de comutare a formei, precum și configurația plană cu o rază de îndoire negativă de -5 mm, ceea ce este în concordanță cu alte rapoarte ale efectului de solicitare din MTJ 35, 36. Așa cum se arată în Figura 3b, cu raze de îndoire diferite, rezistența în stare paralelă (RP) rămâne aproape aceeași, 342, 5 ± 1, 5 Ω. Doar rezistența la starea anti-paralelă (R AP) diferă ușor, ducând la modificarea raporturilor TMR de 186 ± 6%. Dependența razei de îndoire R AP provine în principal din stresul cauzat de variația câmpului anizotrop CoFeB al stratului liber, care modifică ușor configurația antiparalelă a MTJ 36. Un RP similar sugerează că transportul magnetic peste bariera MgO în MTJ-urile noastre este robust și aproape insensibil la stresul mecanic.

A ) Bucle TMR complete și mai mici (inserate) cu o rază de îndoire pozitivă (tensiune de tracțiune) și negativă (tensiune de compresie) de 5 mm. b ) Suma de rezistență în raporturi TMR paralele (RP) și antiparalele (R AP) pentru razele de îndoire pozitive și negative de la 30 mm la 5 mm. Datele de configurare plate au fost, de asemenea, incluse ca punct de referință. Dimensiunea articulației este de 4 x 12 μm2 și produsul RA este de aproximativ 1,6 x 104 104 μm2.

Imagine la dimensiune completă

Explicăm cantitativ efectul stresului în MTJ-urile noastre flexibile de barieră MgO, descriem contribuția indusă de stres la anizotropia stratului liber CoFeB: Ka, σ = 3 λ s σ/2 37, 38 și scriem câmpul anizotrop indus de stres ca: Ha, σ = 3 λ s σ/μ 0 M s, astfel încât câmpul anisotrop total H scade sau crește Ha, σ sub o tensiune instabilă sau compresivă. unde σ este tensiunea uniaxială datorată îndoirii; λ s este coeficientul de magnetostricție efectiv al filmului CoFeB; iar Ms este magnetizarea de saturație a CoFeB. Relația dintre componenta de solicitare (σ xx) și raza de îndoire (r), atunci când grosimea filmului MTJ este mult mai subțire decât substratul, este dată de 39 σ xx = Eε = Et/2 r, deci σ = σ yy - σ xx = - (1 - ν) σ xx unde t este grosimea totală a probelor (

grosimea substratului); E este modulul lui Young, ε este tulpina și ν este raportul lui Poisson. În bariera noastră flexibilă MgO MTJ, substratul are o grosime de aproximativ 14 μm. În timpul testului nostru de îndoire, raza minimă de îndoire în măsurarea noastră este de aproximativ ± 5 mm, deci tensiunea maximă generată este de aproximativ ε

Mai mult, a fost investigat comportamentul TMR la încărcarea ciclică de îndoire. Performanța dispozitivului nu s-a modificat după ce s-a îndoit de până la 500 de ori cu o rază de 15 mm sau s-a îndoit de încă 500 de ori cu o rază de -15 mm. Toate ciclurile TMR au fost măsurate într-o configurație plană după ciclism. Așa cum se arată în FIG. 4a, b, buclele TMR au variat ușor pentru diferite cicluri de îndoire care ar putea fi atribuite tensiunii reziduale, precum și direcția câmpului magnetic ușor deplasată în timpul încărcării pentru fiecare măsurare. Este clar că raportul TMR nu a scăzut sub 1000 de cicluri de îndoire și a rămas la 189 ± 4%, așa cum se arată în Figura 4c. Rezistoarele în stare paralelă și antiparalelă rămân, de asemenea, aceleași, ceea ce indică performanțe ridicate și stabilitate bună a dispozitivelor flexibile cu barieră MTO MTJ.

A ) bucle TMR complete pentru diferite cicluri de îndoire cu rază ( A ) 15 mm (tensiune) și ( b ) -15 mm (solicitare de compresie). TMR a fost măsurat într-o configurație plană după un număr de cicluri de îndoire pentru ( a, b ). c ) Rezistența și raportul TMR MTJ al dispozitivului după diferite numere de cicluri de îndoire pentru o rază de îndoire de 15 mm. După 500 de cicluri cu o rază de 15 mm, proba MTJ a fost supusă la alte 500 de cicluri cu o rază de -15 mm.

Imagine la dimensiune completă

concluzie

În rezumat, am obținut bariere MTJ de înaltă performanță împotriva MgO pe substraturi de siliciu ultra subțire cu o grosime de până la 14 μm. Întregul proces de producție nu a afectat magnetorezistența. Bariere MTO flexibile de sine stătătoare MTJ se poate îndoi fără a se deteriora pe o rază de 3,3 mm. După trecerea la banda Kapton, dispozitivele pot fi îndreptate cu atenție până la 2 mm. Stresul mecanic indus de îndoire contribuie până la ± 4,7 kJ m-3 la câmpul anizotrop efectiv al straturilor de CoFeB, ceea ce are ca rezultat o ușoară modificare a R AP în starea antiparalelă. Raporturile TMR rămân până la 190%, indiferent de raza de îndoire. Raportul TMR nu este detectat la mai mult de 1000 de cicluri de îndoire. Performanța excelentă a MTJ-urilor flexibile cu barieră MgO îi face să fie candidați excelenți pentru senzori magnetici flexibili on-off performanți sau chiar senzori de presiune pentru piei electronice flexibile. Lucrarea combină spintronica performantă și electronica flexibilă, ceea ce poate duce la noi aplicații ale spintronicii flexibile.

metode

Pregătirea șinelor de barieră MTJ-MTJ

Ca substrat folosim napolitane de siliciu lustruite pe două fețe, cu o grosime de 150 μm și SiO 2 de 300 nm pe o parte. Rugozitatea substratului este sub 0,3 nm. Bariera MgO MTJ se acumulează cu secvențele straturilor Ta 5/Ru 30/Ta 5/Ni 81 Fe 19 (NiFe) 5/Ir 22 Mn 78 (IrMn) 10/Co 90 Fe 10 2, 5/Ru 0, 9/Co 20 Fe 60 B 20 (CoFeB) 3/MgO 2, 4/CoFeB3/Ta5/Ru5 (grosime în nanometri) a fost preparat la temperatura camerei într-un instrument de pulverizare Shamrock cu trei camere modificat. Toate straturile de metal au fost preparate folosind pistoale de curent continuu și MgO a fost crescut prin pulverizare RF folosind un domeniu de tragere a țintei într-o altă cameră. Presiunea de bază pentru filmele metalice este sub 2 x 10 −7 Torr, iar pentru bariera MgO este sub 2 x 10 −8 Torr. Un mic câmp magnetic precomprimat a fost aplicat în timpul creșterii filmului metalic

50 Oe pentru a induce o axă a luminii în straturile feromagnetice.

Producerea de dispozitive flexibile de barieră MgO MTJ

În primul rând, complexele de barieră MTJ-MTJ au fost modelate în joncțiuni de 4 x 12 μm2 utilizând litografie UV standard și procese de frezare a ionilor (prezentate în Figura S2). Dispozitivele MTJ eșantionate au fost suplimentar recoapte sub vid ridicat (1 x 10-6 Torr) la 325 ° C sub un câmp magnetic extern de 4 kOe timp de 1 oră pentru a regla direcția efectului de schimb, precum și pentru a induce MgO de înaltă calitate ( 100) și CoFe cristalină pentru un raport TMR ridicat. În al doilea rând, după testarea comportamentului TMR, un strat de rezistență fotorezistentă S1813 a fost aplicat pe suprafață la o viteză centrifugă de 2.000 rpm pentru a proteja dispozitivele. Între timp, napolitena de siliciu de 2 cm a fost, de asemenea, acoperită cu S1813 la aceeași viteză, iar dispozitivele MTJ au fost inversate și montate pe această suprafață de napolitane de siliciu și coapte împreună la 115 ° C timp de 1 minut pe o placă fierbinte. au fost plasate în sistem săpături profunde. Partea din spate a siliciului a fost gravată cu atenție cu plasmă SF 6 și Ar pentru a atinge grosimea dorită. În cele din urmă, napolitele MTJ au fost plasate pe scurt într-o soluție de acetonă pentru a elimina rezistența fotorezistentă S1813. MTJ-uri flexibile cu barieră MgO au fost eliberate și selectate cu atenție pentru a fi spălate cu apă deionizată și uscate cu gaz N2.

Măsurarea proprietăților magnetice și de transport

Proprietățile magnetice ale șinelor de barieră MgO non-alternate post-recoacere MTJ au fost măsurate la temperatura camerei folosind un magnetometru cu probă vibrantă (VSM). Pentru măsurători de transport, MTJ-urile flexibile cu barieră MgO au fost atașate mai întâi la banda Kapton pentru a-și crește rezistența și au fost plasate pe două tipuri de suporturi curbate pentru probe cu raze diferite de la 30 mm la 5 mm. Proprietățile de magneto-transport ale probelor MTJ au fost măsurate cu un curent continuu constant de 10 μA în timpul îndoirii la temperatura camerei. Un câmp magnetic extern a fost aplicat de-a lungul axei luminoase a dispozitivului MTJ și perpendicular pe direcțiile de solicitare mecanică.

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Chen, J.-Y. și colab. Bariere magnetice de tunel de înaltă eficiență cu barieră MgO pentru aplicații de conectare flexibile și purtabile. Știință. reprezentant. 7, 42001; doi: 10, 1038/srep42001 (2017).

Nota editorului: Springer Nature rămâne neutru în revendicările de jurisdicție în hărțile publicate și asociațiile instituționale.

Informatii suplimentare

Fișiere PDF

Informatii suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.