元件新領域：磁電子器件及其應用

1 引言

磁電子器件是近幾年才出現的新型高技術產品，它是采用納米制造技術把微小尺寸的磁性元件與傳統的半導體器件結合在一起，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米面上或其附近的電子部分地被自旋極化為基礎進行工作。電子自旋度愈高，自旋輸運效應愈大。如果鐵磁層的磁矩全部排列在同1個方向上，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。

磁電子新技術的實用化，源于納米磁性材料和納米制造技術的成功開發。在過去30多年中，對自旋極化輸運雖有許多令人鼓舞的想法和實驗，但最明顯的是在1988年發現的GMR效應，這才是最重要的動力。GMR效應最初是在給金屬多層膜（Fe/Cr）面內加電流（CIP）發現的，后來在垂直膜面加電流（CPP）也觀察到這種現象。最近，在用絕緣隧穿勢壘層隔離的兩種金屬鐵磁薄膜中還觀察到室溫自旋相關隧道（SDT）效應，其電阻值變化比前者更大。

發現GMR效應后，在應用電子隨機自旋度的道路上邁開了第一步。最近10多年來，對自旋輸運電子技術的應用開發取得迅速的進展，收到明顯的經濟效益和社會效益。1995年，美國NVE公司開始制造和銷售GMR電橋元件，1997年推出制作在半導體芯片上的數字式GMR傳感器；1998年IBM公司開發成功自旋閥（SV）GMR讀出磁頭并正式上市，使硬磁盤驅動器（HDD）的面記錄密度提高到20Gbpi。據統計，目前這種磁頭已占領磁記錄磁頭市場份額的95％，每季度的產值可達10億美元。2000年，富士通公司開發出記錄密度達56.3Gbpi的SVGMR磁頭；1998年，西門子公司開發的旋轉檢測GMR傳感器上市；從1999年至2001年，美國的IBM、摩托羅拉，德國的Infineon等公司先后研制成功實用的MRAM芯片。

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）于1995年創立了1個聯合企業，并擬訂了1個正式的DARPA計劃——“Spintronics"（自旋輸運電子技術）。該項計劃的核心內容是應用GMR效應，開發各種磁傳感器和非易失存儲器。同時，還擁有開發GMR以外的其他器件的特許權，其中包括自旋相關隧道結構及實用的磁性氧化物。DARPA計劃排定日程，將在以后的幾年內制造出1MbitMRAM芯片，開發出實用的軍用和民用磁傳感器和磁存儲器。同時，著手SpinFET、SpinLED自旋共振隧道效應器件、自旋相關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發。

2 SV-GMR磁頭和傳感器

構成GMR磁頭和傳感器的核心元件是自旋閥（SpinValve）元件。它的基本結構是由釘扎磁性層（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生變化會導致SVGMR元件的電阻值改變，進而使讀出電流發生變化。為了提高SV元件的靈敏度，必須把自由磁層做得很薄。但是，這樣又將導致界面傳導電子的不規則反射而降低電阻的變化率。因此，后來又增設了一層氧化物，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。據報告，用這種鏡面SVGMR磁頭，可以讀出100Gbpi面記錄信息。

1995年，在用絕緣隧道勢壘層代替SV元件中的Cu間隔層時，發現了室溫自旋相關隧道（SDT）效應，稱為隧道結磁電阻（TMR）效應。目前，由這種現象感生電阻的變化率已高達40％，是GMR效應的數倍至10倍，較之GMR元件，檢測靈敏度有很大的提高。現在正在積極研究和開發這種TMR元件。

實際上，磁頭是1種檢測磁場強弱、把磁信號變換成電信號的磁傳感器。使用軟磁合金薄膜，利用其磁電阻（MR）效應工作的磁傳感器，除了用作磁記錄讀出磁頭外，還在檢測電流、位置、位移、旋轉角度等方面獲得了廣泛的應用。運用SVGMR元件的磁傳感器，檢測靈敏度比使用MR元件的器件高1至數個量級，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，實現智能化，用來表述通行車輛，飛機機翼、建筑防護裝置或管道系統中隱蔽缺陷的特征，跟蹤地磁場的異常現象等。還有人提出可以作為抗體和生物標本檢驗的傳感元件，應用范圍較之MR傳感器顯著擴大。當前，GMR傳感器已在液壓汽缸位置傳感、真假紙幣識別、軸承編碼、電流檢測與控制、旋轉位置檢測、車輛通行情況檢測等領域得到應用。在軍事上，GMR傳感器有著更加重要的應用價值。美國軍方正在研制高g軍火用捷聯式（StropDown）MEMS傳感器，用在制導、導航和控制（GN＆C）或時空位置信息（TSPI）中，為測評部門進行飛行中的診斷和用于慣性測量（IMU）中。按陸軍的“加固次小型化遙測裝置和傳感系統（HSTSS）”計劃，將提供一大宗商品性成品和組裝技術，用于診斷高g和高自旋軍火，如火炮、導彈、坦克等。ARL完成了MEMS壓力、加速度、角速度和磁場傳感器的若干地面和飛行實驗。用磁場傳感器可以推斷與磁場相關的角速度，具簡便易行。1996年，ARL用遙測裝置和MR磁場傳感器（如測自旋速率的Honeywell1002,SCSA50型），檢測120mm動能飛彈。在他們新近開發的遙測精密跟蹤插塞(20×35mm）中，使用了新的GMR傳感器，成功地用于105mm動能訓練飛彈試驗。