Dünnschichtsysteme für den Einsatz in magnetischen Tunnelstrukturen

Hauch, Jan Oliver; Güntherodt, Gernot

doi:1224

Dünnschichtsysteme für den Einsatz in magnetischen Tunnelstrukturen

Hauch, Jan Oliver (Author)

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Oliver Hauch

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

Umfang152 S. Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Güntherodt, Gernot (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-07-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-12243
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60255/files/Hauch_Jan.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; TMR (Tunnelmagnetwiderstand ) (frei) ; MBE (Molekularstrahlepitaxie) (frei) ; UV Licht Oxidation (frei) ; Exchange Bias (frei) ; epitaktisch (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In den letzten Jahren besteht in der Informationstechnologie ein immer weiter wachsendes Interesse an der Herstellung und Charakterisierung magnetischer Schichtsysteme. Die Möglichkeit, Informationen auf magnetischer Basis zu speichern oder mit magnetischen Sensoren auslesen zu können, bietet großes Anwendungspotenzial in modernen Massenspeichern. Besonders die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstandes (GMR = Giant MagnetoResistance) hat durch die Nutzbarkeit dieses Effektes, zum Beispiel in Festplattenleseköpfen zum Auslesen und Schreiben magnetischer Bits, ein riesiges Feld zur industriellen Verwendung eröffnet. Eine der großen Herausforderungen in der Magnetoelektronik ist derzeit die Nutzung des Tunnelmagnetwiderstandes (TMR = Tunneling MagnetoResistance) zum Beispiel in magnetischen RAM Bausteinen (MRAM = Magnetic Random Access Memory), die durch ihre Nichtflüchtigkeit und den niedrigen Energieverbrauch entscheidende Vorteile gegenüber den heute üblicherweise in Computern verwendeten dynamischen RAMs (DRAM = Dynamic Random Access Memory) bieten. Der TMR Effekt nutzt die spinabhängige Tunnelwahrscheinlichkeit von Elektronen durch eine zwischen zwei ferromagnetischen Elektroden eingebrachte Isolatorbarriere aus. Das Verhalten solcher auf diesem Effekt beruhenden Elemente hängt entscheidend von den strukturellen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften der ferromagnetischen Filme und der Isolatorbarriere ab. Hierbei spielen zum Beispiel die Fragen nach optimierten Herstellungsprozessen der Tunnelbarriere oder nach den am Tunnelprozess beteiligten elektronischen Zuständen eine wichtige Rolle, auf die im Rahmen dieser Arbeit eingegangen wird. Im ersten Teil der Auswertung wird ein Wachstumsprozess für die Herstellung voll epitaktischer Fe/MgO/Fe Schichtsysteme auf Basis von Fe(110) Elektroden vorgestellt. Auf Basis der auf atomarer Ebene glatten Fe(110) Filme wächst MgO in einer (111)-Orientierung. Die zweite Fe(110) Elektrode zeigt ein Twinning, welches durch einen anschließenden Temperschritt ausgeheilt werden kann. Transporteigenschaften zeigen eine defektfreie MgO(111) Tunnelbarriere. Bei einer nominellen MgO Schichtdicke von 4 nm ergeben sich durch Simmonsfits typischerweise Barrierendicken von d=1,5 nm und Barrierenhöhen von Theta=0,5 eV. Mit Hilfe der sogenannten Poole-Frenkel und der Glazman-Matveev Analyse wird die Barriere detailliert auf das Vorhandensein von Streuzentren oder Defekten untersucht. Mikrostrukturierte MTJs (Metallic TunnelJunctions) mit Tunnelflächen zwischen 4 µm2 und 400 µm2 zeigen einen reproduzierbaren TMR von 18-26% bei Raumtemperatur und von etwa 45% bei T = 77 K. Die R × A Produkte werden zu (6±1) MOmegaµm2 bestimmt. Frequenzabhängige Rauschmessungen geben neben dem erwarteten 1/f Rauschen erste Hinweise auf das Vorhandensein von magnetischem Rauschen und auf eine Struktur in I(U) Kennlinien bei niedrigen Temperaturen. Im zweiten Auswertungskapitel wird ein UV-Licht gestützter Oxidationsprozess zur Herstellung von MTJs am Beispielschichtsystem Co / Al-Oxid / Co eingeführt. Es werden Untersuchungen an zwei verschiedenen Oxidationssystemen vorgestellt und diskutiert, und der Einfluss des UV Lichtes auf den Oxidationsprozess aufgezeigt. Mit niedriger UV Leistung (15 W in-situ UV Lampe) können reproduzierbare MTJs mittels Schattenmaskendeposition hergestellt werden, und TMR Werte bis zu 33% bei niedrigen Temperaturen und bis zu 15% bei Raumtemperatur realisiert werden. Allerdings sind die Oxidationszeiten für eine industrielle Anwendung zu lang. Bei hoher UV Leistung (100 W ex-situ UV Lampe) ist es bisher problematisch, MTJs mit reproduzierbaren Eigenschaften zu mikrostrukturieren. Oxidationsstudien mittels XPS zeigen, dass sowohl ein Einfluss eines direkten oder indirekten UV-Licht Einfalls auf die Probe auf den Oxidationsprozess gegeben ist, als auch die Kristallinität der unterliegenden ferromagnetischen Schicht von Bedeutung ist. Für beide Fälle wurden Oxidationsmodelle vorgestellt und diskutiert. Im dritten Teil der Auswertung wird ein Schichtsystem zur Untersuchung von Cu Verdünnungen in FeMn vorgestellt und die Eigenschaften des Exchange Bias untersucht. Eine Gültigkeit des Domain State Modells wurde auch in FeMn / NiFe Schichtsystemen festgestellt. Für steigende Verdünnungen zeigt sich ein Maximum des Exchange Bias bei Verdünnungskonzentrationen von etwa 20%-25%, was unter anderem von der strukturellen Qualität der antiferromagnetischen Schicht abhängt. Es ist ein eindeutiger Einfluss der Domänenstruktur auf das Verhalten des Exchange Bias gezeigt worden. Studien an reinen (FeMn)1-xCux Schichten, d.h. ohne Kopplung an einen FM, zeigen in der thermoremanenten Magnetisierung eine gute Übereinstimmung mit dem Verhalten des Exchange Bias in gekoppelten (FeMn)1-xCux / Ni81Fe19 Schichtsystemen, was darauf hindeutet, dass der Ursprung des Exchange Bias direkt in der Domänenstruktur des AFM liegt.

In recent years there has been increasing interest in the preparation and characterization of magnetic multilayer systems. The possibility of information storage based on magnetic properties exhibits a large application potential in mass storage devices. Especially the discovery of the GMR (giant magnetoresistance) has opened a large field of application because of its use e.g. for reading and writing of magnetic bits in hard disc read heads. One of the great challenges in magnetoelectronics is the use of the TMR (tunnelling magnetoresistance) e.g. in MRAM (magnetic random access memory) devices, which have crucial advantages over the presently used DRAMs (dynamical random access memory) because of their non-volatility and their low power consumption. The TMR effect plays on the spindependent tunnelling probability of electrons through an insulating barrier located between two ferromagnetic layers. The performance of TMR devices strongly depend on the structural, magnetic and electronic properties of the two ferromagnetic films. E.g. the question concerning the optimization of the preparation of the tunnelling barrier or concerning the electronic states contributing to the tunnelling process play an important role that is discussed within this thesis. In the first part of chapter "Ergebnisse und Diskussion", a growth process of the fully epitaxial Fe/MgO/Fe trilayer system based on Fe(110) electrodes is presented. The surface of the first Fe(110) electrode shows atomically flat terraces with monoatomic steps. MgO(111) barriers grow in a three dimensional growth mode. The second Fe(110) electrode shows a twinned structure that can be healed out by a subsequent annealing procedure. Transport properties show a MgO(111) barrier without defects. Current-voltage (I-U) characteristics of the Fe(110)/MgO(111)/Fe(110) trilayer system show a typical nonlinear shape. The tunneling barrier height Theta and width d estimated from the numerical fitting of the Simmons equation to the experimental data are Theta=0.5eV and d=1.5nm for a nominal MgO(111) thickness of 4nm. By means of Poole-Frenkel- and Glazman-Matveev analysis, the tunnelling barrier is tested for the presence of defects. Microstructured MTJs (metallic tunneljunctions) with tunnelling areas between 4µm2 and 400µm2 show a reproducible TMR of about 18-26% at room temperature and 45% at T=77K. The RxA products (the product of the tunnelling area and the tunnelling resistance) are determined to be (6±1)MOmegaµm2. Noise measurements depending on the frequency show the typical 1/f noise. First hints for the presence of a magnetic noise and a structure in the (I-U) characteristics are found at low temperatures. In the second part, a UV light assisted oxidation process for preparation of MTJs is presented in the Co/Al-oxide/Co trilayer system. Investigations are presented and discussed on two different oxidation systems and the influence of the UV light on the oxidation process is shown. With low power UV light (15W in-situ UV lamp) reproducible MTJs can be prepared by a shadow mask deposition process. TMR values of 33% at low temperature and 15% at room temperature are determined. But the oxidation times are found to be too long for any industrial application using this method. With high power UV light (100W ex-situ UV lamp) the microstructuring of MTJs that show reproducible properties is still problematic. Oxidation experiments by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) show both an influence of the direct or indirect UV irradiation on the film during the oxidation and the influence of the crystallinity of the lower ferromagnetic electrode. For both cases oxidation models are presented and discussed. Finally, a layer system for the investigation of Cu dilusions in the antiferromagnetic FeMn and the influence on the exchange bias effect is presented and discussed, respectively. A prove of the domain-state model is also found in FeMn/NiFe layer systems. For increasing dilusion concentration in the antiferromagnet a maximum of the exchange bias is detemined for a Cu concentration between 20% and 25%. A dependence of the maximum of the exchange bias on the structural quality of the antiferromagnetic film has been found and a clear influence of the domain structure on the characteristics of the exchange bias has been detected. Experiments with pure diluted antiferromagnetic films (without any ferromagnet) show a high agreement of the thermoremanent magnetization with the behaviour of the exchange bias in the (FeMn)1-x/Cux/Ni81Fe19 layer system. One can assume that the origin of the exchange bias can be found directly in the domain structure of the antiferromagnet.

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