纳米电流通道结构垂直磁隧道结自旋转移磁化反转研究

电流驱动自旋转移（STT）磁化反转效应能有效减小传统MRAM存储单元的写入电流，是实现高密度新型STT-RAM存储的物理基础。本项目拟采用在垂直磁各向异性隧道结（PMTJ）纳米柱自由层中加入纳米电流通道（NCC）结构以减小其自旋转移磁化反转临界电流密度，并深入研究其自旋转移磁化反转机理。在研究中将通过优化NCC-PMTJ纳米柱的结构、纳米电流通道材料及制备工艺，使其具有较低自旋转移磁化反转临界电流密度；将采用微磁学模型模拟NCC-PMTJ的STT磁化反转过程，研究加入不同材料的NCC结构后PMTJ复合自由层层间交换耦合作用及焦耳热效应对PMTJ纳米柱STT磁化反转过程的影响。预期研究成果对深入理解自旋转移磁化反转物理机制及实现高密度STT-RAM存储具有重要意义。

本项目重点对具有纳米电流通道结构垂直磁各向异性隧道结（NCC-PMTJ）的制备及其自旋角动量转移（STT）磁化反转机理进行了深入研究，取得的主要研究成果包括：.（1）采用磁控溅射和电子束光刻等微纳加工工艺成功制备了膜层结构为Ta/Cu电极层/ SmCo/ CoFeB/MgO/CoFeB/FeSiO/CoFeB/ SmCo/Cu电极层/Ta的NCC-PMTJ纳米柱单元及阵列。.（2）通过对SmCo钉扎层、CoFeB层、纳米电流通道层的材料、结构及制备工艺进行优化，制备得到的结构为Ta（10nm）/Cu电极层/ SmCo（20nm）/ CoFeB(6nm）/MgO（1nm）/CoFeB（1.5nm）/FeSiO（0.4nm）/CoFeB（1.5nm）/ SmCo（11nm）/Cu电极层/Ta（5nm）的PMTJ纳米柱在较低电流密度的电流作用下可发生STT磁化反转（临界电流密度为3.78MA/cm2)，相关性能指标都达到了项目计划书指标要求。.（3）理论上，采用基于Landau-Lifshitz-Gilbert方程的Magoasis软件构建了NCC-PMTJ的STT磁化反转微磁模型，研究了NCC-PMTJ纳米柱STT磁化反转过程及特性；并采用基于有限元分析方法的Ansys软件研究了加入自旋电流时NCC-PMTJ纳米柱内的焦耳热及温度分布；结合其STT磁化反转过程和温度分布的模拟结果，分析了NCC-PMTJ纳米柱具有较小STT磁化反转临界电流密度的物理机制。.（4）实验和计算结果表明：NCC-PMTJ纳米柱单元中自由层发生STT磁化反转所需的临界电流密度低于常规PMTJ结构；纳米电流通道层中磁性晶粒与相邻CoFeB层之间的磁耦合作用、纳米电流通道层中导电的磁性晶粒散布在绝缘薄膜中从而导致局部电流密度增大及温度升高，是NCC-PMTJ结构具有较低STT磁化反转临界电流密度的原因。.（5）发表学术论文6篇，其中国际期刊论文4篇，国际会议论文2篇；另投稿国际期刊论文2篇；申请国家发明专利5项；培养博士研究生1人，硕士研究生6人。