[논문 리뷰] High TMR ratio in Co2FeSi and Fe2CoSi based magnetic tunnel junctions

Christian Sterwerf, Markus Meinert외 2명|2013. 08. 09.

Magnetic properties of thin films인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 Co2FeSi 및 Fe2CoSi 기반 자성터널접합(MTJs)에서 Fe 도핑을 최적화하여 중간 스토이히오메트리(Fe1.75Co1.25Si)를 달성함으로써 고고도 터널 자기저항(TMR) 비율을 도출하였다. 15 K에서 262%에 이르는 최고의 TMR 비율과 실온에서 159%의 TMR 비율은 후열처리에 의해 유도된 원자적 정렬로 인해 少수 스핀 허위간극 내에서 피에르미 에너지 준위가 정렬됨에 따라 발생하였으며, 이는 스퍼터링과 외부 열처리를 통해 MgO 기반막에 MgO 기초상에서 Fe2CoSi 역 허스러르 필름을 형성함으로써 가능해졌다.

ABSTRACT

Magnetic tunnel junctions with Fe1+xCo2-xSi (0 < x < 1) electrodes and MgO barrier were prepared on MgO substrates by magnetron co-sputtering. Maximum tunnel magnetoresistance (TMR) ratios of 262 % at 15 K and 159 % at room temperature were observed for x=0.75. Correlations of the annealing temperature dependent atomic ordering and TMR amplitude are discussed. The high TMR for an intermediate stoichiometry is ascribed to the adjustment of the Fermi energy within a minority spin pseudo gap.

연구 동기 및 목표

• Fe 도핑을 통한 Co2FeSi 및 Fe2CoSi 조성의 허스러르 기반 자성터널접합(MTJs)에서 고 TMR 비율 달성.
• Co2FeSi 및 Fe2CoSi MTJs에서 원자적 정렬과 열처리 온도가 TMR 성능에 미치는 영향 조사.
• 소수 스핀 허위간극 내 피에르미 에너지 정렬이 TMR 비율 향상에 기여하는 역할 규명.
• Co2FeSi 및 Fe2CoSi 기반 MTJs 간 내재적 스핀 균형도 비교 분석; 특히 Co2FeSi에서 정렬도와 TMR 간 상관관계 부재 원인 분석.

제안 방법

• dc/rf 마그네퍼트론 공침법을 사용하여 실온에서 Cr 시드층을 갖는 MgO(001) 기초상에 에피택셜 Fe1+xCo2−xSi 필름을 성장시켰다.
• 2 nm 두께의 MgO 터널 장벽을 스퍼터링법으로 증착한 후, Co70Fe30/Mn83Fe17/Ru 반도체 전극을 증착하였다.
• 외부 공기 중 열처리를 통해 원자적 정렬 및 결정성 향상을 위해 200 °C에서 500 °C 범위의 온도에서 열처리를 실시하였다.
• X선 회절 및 비특이 반사 측정을 통해 결정학적 정렬도 분석을 수행하였으며, 특히 D-A,C 정렬 파라미터를 중심으로 분석하였다.
• 15 K에서 300 K까지의 온도 범위와 최대 0.3 T의 자기장에서 이중점 측정 기법을 사용하여 TMR 비율을 측정하였다.
• 편압 및 열적 안정성 평가를 위해 전압 의존 TMR 및 온도 의존 TMR 분석을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co2FeSi에 대한 Fe 도핑은 MgO 기반 MTJs의 TMR 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 D-A,C 파라미터로 나타나는 원자적 정렬은 Fe1+xCo2−xSi 기반 MTJs의 TMR 성능에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 Co2FeSi 기반 MTJ는 Fe2CoSi 기반 MTJ와 달리 정렬도와 TMR 간 상관관계가 없는 이유는 무엇인가?
• RQ4 고온 열처리 조건에서 Mn 확산이 TMR 성능에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 소수 스핀 허위간극 내 피에르미 에너지 조절이 Fe1.75Co1.25Si 기반 MTJs의 향상된 TMR 비율을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 375 °C에서 열처리한 후, Fe1.75Co1.25Si 기반 MTJs에서 15 K에서 최고 TMR 비율 262%를 달성하였다.
• 동일한 Fe1.75Co1.25Si 조성에서 실온(300 K)에서도 TMR 비율 159% 유지되었다.
• Fe1.75Co1.25Si MTJs의 TMR 비율은 300 °C에서 375 °C 사이에서 일정하게 유지되었으며, 이는 개선된 정렬도와 Mn 확산 효과 간의 균형을 반영하는 것으로 보인다.
• Co2FeSi 기반 MTJs의 경우 최고 TMR 비율 118%는 325 °C에서 도달하였지만, D-A,C 정렬도가 증가함에도 불구하고 고온에서 TMR 비율이 감소하였다.
• Fe2CoSi의 전압 의존 TMR는 편압 증가에 따라 감쇠가 느리며, -0.8 V에서 약간의 돌출형 패턴을 보이며, 이는 가능성이 있는 밴드 구조 효과를 시사한다.
• 모든 조성에서 TMR(15 K)/TMR(300 K) 비율은 약 1.5 배의 비율로 스케일링되었으며, 다른 허스러르 기반 MTJs와 일관된 결과를 보였다.