GMR應用.doc

GMR（巨磁电阻）应用 摘要：GMR（巨磁电阻）材料的磁输运性质决定了它们适合用于磁场传感器、读出磁头、随机存取存储器和电流隔离器。本文对GMR的每种应用都进行了讨论，并且介绍了可用的材料。 关键词：GMR；读出磁头；随机存取存储器；电流隔离器 1.引言 在 GMR（巨磁电阻）效应发现的10年后，应用于磁场传感器和硬盘读出磁头的商业化的GMR（巨磁电阻）技术出现了。在之前这种相对短的时间里主要应用的是AMR（各向异性磁阻效应）产品。而将GMR材料引入工业应用的最初动力是它的高的磁阻变化率，其他的性质对应用也非常重要。本文首先探讨这些GMR材料的性质，然后讨论它的一些现有的和潜在的应用。同时也讨论了一些GMR材料的未来研究进展。 2. GMR材料的性质 磁电阻率（在一定的应用磁场范围内，电阻率的变化量相对于其最小值的百分比）和饱和磁场（磁场需要达到这个材料的电阻率的全部变化范围）是GMR材料的最重要的应用性质。灵敏度（电阻该变率与磁场的比值）决定了磁场在低于饱和磁场强度下的信号。 表1比较了几种典型的磁电阻材料的磁电阻、饱和磁场以及灵敏度。磁三明治结构是一种没有钉扎层的自旋阀。颗粒膜是一种由互不相容的磁性和非磁性导体材料构成的薄膜。自旋相关隧道结构与普通的GMR材料的机理不同，但是通常把它放到GMR材料中一起讨论。 表1 各种磁电阻材料的性能比较 多层膜与颗粒膜之间的比较表明多层膜的GMR和灵敏度更好。一般认为颗粒膜结构容易制作，但是在制作多层膜时没有遇到严重的障碍，尤其是非磁性导电层的所谓的第二峰厚度。在计算机控制的溅射设备制作下，可以制作良好的厚度一致性，多层膜相对容易制造，因此现阶段颗粒膜没有明显的研究必要。 （CMR）庞磁电阻在磁场下可以产生非常大的磁电阻变化，但是由于温度的原因（低于室温下）非常难以应用，因为它具有非常高的电阻温度系数（TCR）。这种性质使得难以补偿温度漂移，以至于在特殊应用中难以分辨温度和磁场。CMR的这种性质使得它难以广泛应用。 表1中所列的其它材料都能应用于特殊的器件中。AMR（坡莫合金薄膜）在10Oe的磁场下灵敏度很高，但是在5Oe以上磁场下产生的信号比自旋阀、三明治或者隧道结要小。多层膜的灵敏度没有其他材料的高，但是可以应用于几百Oe的磁场下，在这种磁场下其他的GMR结构以及AMR结构将会饱和。在高磁场应用中，多层膜将是一个更好的选择。 磁电阻材料具有一些重要得温度特性。前面已经提到了TCR。（GMR和SDT器件在1500到-700ppm/℃范围内具有饱和的TCR）。短时间（几个小时）的温度稳定性对于器件制造非常重要，因为现在的制造流程中的温度通常超过200℃。在GMR材料与集成电路混合制造中的温度更高。长期（几千小时）稳定性对产品的可靠性是非常必要的。除了汽车和特定的工业应用，一般的工作温度很少超过125℃。磁三明治的工作温度一般超过200℃。自旋阀的温度特性并不理想，但是最近通过使用 IrMn和NiMn作为反铁磁层而大大改善了，因此相对几年前，自旋阀的工作温度已经不受关注了。 磁致伸缩还没被看作GMR材料的一个问题，但是它仍然具有潜在的问题，特别是小特征的器件中。大部分的报道的合金名义上在大块状是非磁致伸缩的，但是在薄膜中，磁致伸缩会带来磁性的偏移。这一领域值得付出比目前报道为止更多的研究。 器件的电阻也是一个重要得参数。在GMR材料中，电阻是器件的长度和宽度的函数，薄层方块电阻一般在2-20Ω/□范围，在这里，方块电阻个数为电阻的长宽比。对于非常小的器件(如内存和读出磁头)，仅仅为几个方阻。对于SDT器件，电阻范围在10-20Ω，另一方面，与器件面积成反比。典型的电阻率相当依赖于工艺参数，大小在104到109Ωμm2范围变化。即使电阻在这个范围的下限，也将会导致几平方微米的器件电阻达到104Ω，并且很容易获得几个数量级大的阻值。 SDT器件相对新颖，但它们的固有高灵敏度和高电阻率非常适合于一些应用。但它的两个潜在的问题是：（1）施加的电压超过0.1V时，磁电阻会减小，在2V的电压下具有不可逆的破坏。（2）非常薄的沟道与高的温度之间不确定的稳定性。除此之外，高的电阻会导致大的RC时间常数，尤其是在高密度下需要小区域。 3.GMR材料的当前以及潜在应用 GMR和SDT材料具有不少当前以及潜在应用。已经公布的产品如磁场传感器和硬盘读出磁头。SDT材料显示了提高信噪比的应用前景，它可以将GMR传感器的应用范围扩展到非常小的磁场领域。一些公司（包括IBM）已经宣布开发出GMR硬盘读出磁头。在美国和欧洲有一些大的研究项目致力于开发GMR或者SDT非易失性随机读取存储器。一种衍生的GMR传感器可以隔离网络中的数字和模拟信号以保证数据完整并避免瞬间破坏系统中的其他元件。在这部分，分别按