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(fèi)米面上或其附近的電子部分地被自旋極化為基礎(chǔ)進(jìn)行工作。電子自旋度愈高，自旋輸運(yùn)效應(yīng)愈大。如果鐵磁層的磁矩全部排列在同1個(gè)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(shí)用化，源于納米磁性材料和納米制造技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)。在過(guò)去30多年中，對(duì)自旋極化輸運(yùn)雖有許多令人鼓舞的想法和實(shí)驗(yàn)，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(dòng)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(lái)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(shì)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(jī)自旋度的道路上邁開(kāi)了第一步。最近10多年來(lái)，對(duì)自旋輸運(yùn)電子技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)取得迅速的進(jìn)展，收到明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1995年，美國(guó)NVE公司開(kāi)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(kāi)發(fā)成功自旋閥（SV）GMR讀出磁頭并正式上市，使硬磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）的面記錄密度提高到20Gbpi。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前這種磁頭已占領(lǐng)磁記錄磁頭市場(chǎng)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(kāi)發(fā)出記錄密度達(dá)56.3Gbpi的SVGMR磁頭；1998年，西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)GMR傳感器上市；從1999年至2001年，美國(guó)的IBM、摩托羅拉，德國(guó)的Infineon等公司先后研制成功實(shí)用的MRAM芯片。

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）于1995年創(chuàng)立了1個(gè)聯(lián)合企業(yè)，并擬訂了1個(gè)正式的DARPA計(jì)劃——“Spintronics"（自旋輸運(yùn)電子技術(shù)）。該項(xiàng)計(jì)劃的核心內(nèi)容是應(yīng)用GMR效應(yīng)，開(kāi)發(fā)各種磁傳感器和非易失存儲(chǔ)器。同時(shí)，還擁有開(kāi)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(shí)用的磁性氧化物。DARPA計(jì)劃排定日程，將在以后的幾年內(nèi)制造出1MbitMRAM芯片，開(kāi)發(fā)出實(shí)用的軍用和民用磁傳感器和磁存儲(chǔ)器。同時(shí)，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(kāi)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(huì)導(dǎo)致SVGMR元件的電阻值改變，進(jìn)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(lái)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(bào)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(shì)壘層代替SV元件中的Cu間隔層時(shí)，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(cè)靈敏度有很大的提高。現(xiàn)在正在積極研究和開(kāi)發(fā)這種TMR元件。

實(shí)際上，磁頭是1種檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)弱、把磁信號(hào)變換成電信號(hào)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(cè)電流、位置、位移、旋轉(zhuǎn)角度等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用SVGMR元件的磁傳感器，檢測(cè)靈敏度比使用MR元件的器件高1至數(shù)個(gè)量級(jí)，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(shí)現(xiàn)智能化，用來(lái)表述通行車輛，飛機(jī)機(jī)翼、建筑防護(hù)裝置或管道系統(tǒng)中隱蔽缺陷的特征，跟蹤地磁場(chǎng)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(yàn)的傳感元件，應(yīng)用范圍較之MR傳感器顯著擴(kuò)大。當(dāng)前，GMR傳感器已在液壓汽缸位置傳感、真假紙幣識(shí)別、軸承編碼、電流檢測(cè)與控制、旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)、車輛通行情況檢測(cè)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(jià)值。美國(guó)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(shí)空位置信息（TSPI）中，為測(cè)評(píng)部門(mén)進(jìn)行飛行中的診斷和用于慣性測(cè)量（IMU）中。按陸軍的“加固次小型化遙測(cè)裝置和傳感系統(tǒng)（HSTSS）”計(jì)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(chǎng)傳感器的若干地面和飛行實(shí)驗(yàn)。用磁場(chǎng)傳感器可以推斷與磁場(chǎng)相關(guān)的角速度，具簡(jiǎn)便易行。1996年，ARL用遙測(cè)裝置和MR磁場(chǎng)傳感器（如測(cè)自旋速率的Honeywell1002,SCSA50型），檢測(cè)120mm動(dòng)能飛彈。在他們新近開(kāi)發(fā)的遙測(cè)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(dòng)能訓(xùn)練飛彈試驗(yàn)。