元件新领域：磁电子器件及其应用

1 引言

磁电子器件是近几年才出现的新型高技术产品，它是采用纳米制造技术把微小尺寸的磁性元件与传统的半导体器件结合在一起，得到全新的或者高功能的器件。这类器件以铁磁金属中的费米面上或其附近的电子部分地被自旋极化为基础进行工作。电子自旋度愈高，自旋输运效应愈大。如果铁磁层的磁矩全部排列在同1个方向上，器件就有低电阻，若交替反向排列，器件就有高电阻，改变磁矩的排列方向便可以改变电阻值。

磁电子新技术的实用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技术的成功开发。在过去30多年中，对自旋极化输运虽有许多令人鼓舞的想法和实验，但最明显的是在1988年发现的GMR效应，这才是最重要的动力。GMR效应最初是在给金属多层膜（Fe/Cr）面内加电流（CIP）发现的，后来在垂直膜面加电流（CPP）也观察到这种现象。最近，在用绝缘隧穿势垒层隔离的两种金属铁磁薄膜中还观察到室温自旋相关隧道（SDT）效应，其电阻值变化比前者更大。

发现GMR效应后，在应用电子随机自旋度的道路上迈开了第一步。最近10多年来，对自旋输运电子技术的应用开发取得迅速的进展，收到明显的经济效益和社会效益。1995年，美国NVE公司开始制造和销售GMR电桥元件，1997年推出制作在半导体芯片上的数字式GMR传感器；1998年IBM公司开发成功自旋阀（SV）GMR读出磁头并正式上市，使硬磁盘驱动器（HDD）的面记录密度提高到20Gbpi。据统计，目前这种磁头已占领磁记录磁头市场份额的95％，每季度的产值可达10亿美元。2000年，富士通公司开发出记录密度达56.3Gbpi的SVGMR磁头；1998年，西门子公司开发的旋转检测GMR传感器上市；从1999年至2001年，美国的IBM、摩托罗拉，德国的Infineon等公司先后研制成功实用的MRAM芯片。

美国国防部高级研究计划局（DARPA）于1995年创立了1个联合企业，并拟订了1个正式的DARPA计划——“Spintronics"（自旋输运电子技术）。该项计划的核心内容是应用GMR效应，开发各种磁传感器和非易失存储器。同时，还拥有开发GMR以外的其他器件的特许权，其中包括自旋相关隧道结构及实用的磁性氧化物。DARPA计划排定日程，将在以后的几年内制造出1MbitMRAM芯片，开发出实用的军用和民用磁传感器和磁存储器。同时，着手SpinFET、SpinLED自旋共振隧道效应器件、自旋相关器件和自旋量子化器件等多种新型磁电子器件的研究与开发。

2 SV-GMR磁头和传感器

构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀（SpinValve）元件。它的基本结构是由钉扎磁性层（例如Co）、Cu间隔层和自由磁性层（例如NiFe等易磁化层）组成的多层膜。钉扎层的磁矩固定不变，由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SVGMR元件的电阻值改变，进而使读出电流发生变化。为了提高SV元件的灵敏度，必须把自由磁层做得很薄。但是，这样又将导致界面传导电子的不规则反射而降低电阻的变化率。因此，后来又增设了一层氧化物，使电子成镜面反射，故而又把这种元件叫做“镜面SV元件”。从2001年起，GMR磁头制造商正式采用镜面SV元件。据报告，用这种镜面SVGMR磁头，可以读出100Gbpi面记录信息。

1995年，在用绝缘隧道势垒层代替SV元件中的Cu间隔层时，发现了室温自旋相关隧道（SDT）效应，称为隧道结磁电阻（TMR）效应。目前，由这种现象感生电阻的变化率已高达40％，是GMR效应的数倍至10倍，较之GMR元件，检测灵敏度有很大的提高。现在正在积极研究和开发这种TMR元件。

实际上，磁头是1种检测磁场强弱、把磁信号变换成电信号的磁传感器。使用软磁合金薄膜，利用其磁电阻（MR）效应工作的磁传感器，除了用作磁记录读出磁头外，还在检测电流、位置、位移、旋转角度等方面获得了广泛的应用。运用SVGMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件高1至数个量级，更容易集成化，封装尺寸更小，可靠性更高。它不仅可以取代以前的MR传感器，还可以制成传感器阵列，实现智能化，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征，跟踪地磁场的异常现象等。还有人提出可以作为抗体和生物标本检验的传感元件，应用范围较之MR传感器显著扩大。当前，GMR传感器已在液压汽缸位置传感、真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用。在军事上，GMR传感器有着更加重要的应用价值。美国军方正在研制高g军火用捷联式（StropDown）MEMS传感器，用在制导、导航和控制（GN＆C）或时空位置信息（TSPI）中，为测评部门进行飞行中的诊断和用于惯性测量（IMU）中。按陆军的“加固次小型化遥测装置和传感系统（HSTSS）”计划，将提供一大宗商品性成品和组装技术，用于诊断高g和高自旋军火，如火炮、导弹、坦克等。ARL完成了MEMS压力、加速度、角速度和磁场传感器的若干地面和飞行实验。用磁场传感器可以推断与磁场相关的角速度，具简便易行。1996年，ARL用遥测装置和MR磁场传感器（如测自旋速率的Honeywell1002,SCSA50型），检测120mm动能飞弹。在他们新近开发的遥测精密跟踪插塞(20×35mm）中，使用了新的GMR传感器，成功地用于105mm动能训练飞弹试验。