Amorficzne warstwy w spintronice

Amorficzne warstwy w spintronice T. Stobiecki www.maglay.agh.edu.pl www.nanospin.agh.edu.pl/en/ www.e-control.agh.edu.pl/ 1

Dlaczego spintronika jest ważna? ŁADUNEK SPIN Semiconductor Devices and Integrated Curcuits Metal Spintronics MRAM + Circuit Technology SPINTRONICS Magnetic Recording and Magnetic Sensors Semiconductor Spintronics NANOTECHNOLOGIA Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 2

Mapa drogowa Spintroniki: historia, teraźniejszość, przyszłość Technologia wytwarzania magnetycznych złącz tunelowych (MTJs) nanoszenie: sputtering, MBE materiały, amorficzność vs. krystalizacja nanostrukturyzacja litografia elektronowa Własności magnetycznych złącz tunelowych (MTJs), TMR Dynamika magnetyzacji Spin Transfer Torque (STT), przełączanie prądem spinowo-spolaryzowanym (STT-RAM) Spinowy Eefekt Halla (SHE) Plan Motywacja: cyfrowy zapis magnetyczny (HDD), green I(nformation) T(echnology) Podsumowanie 3

Year 1857 1967 1985 1990 1995 1996 2000 2005 2015 Magnetoresistance MR ratio (RT & low H) AMR effect MR = 1~4% Magnetoresistance in NiFe films (1973) GMR effect MR = 5~15% TMR effect MR = 20~70% T. Miyazaki, J. Moodera Giant TMR effect MR = 200~1000% L.Kozłowski L.Maksymowicz A.Maksymowicz R.Kolano H.Lachowicz H.Szymczak Device applications Lord Kelvin HDD head Inductive head MR head GMR head TMR head MgO -TMR head Memory MRAM Spin Torque MRAM A. Fert, P. Grünberg, 2007 Nobel Prize STT J. Slonczewski, L. Berger 1966 Novel devices Microwave, E-control, Spin Orbit Torque 5

Cyfrowy zapis magnetyczny? Molecular Magnets 100 Tb/in 2 10 Tb/in 2 limit TAR, patterned media Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 7

HDD 1956 60 lat temu First Hard Disk Drive with 24" Diameter Disks Compared with Modern 2.5" HDD. The first HDD was introduced in 1956 with 50 disks of 24" diameter holding a total of 4.4 Mbytes of data. The purchase price of this HDD was $10,000,000 per Gbyte. For comparison in the foreground a modern HDD is shown holding 160 Gbyte of data on two 2.5" diameter disks at a purchase price of less than $1 per Gbyte. Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 8

Miniaturyzacja HDD

Głowica ewolucja technologiczna Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 10

HDD-głowica TMR Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 11

of Hard Disc Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 12

Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 14

Green IT after S. Yuasa (2012) 15

Writing energy (pj/bit) 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 after T. Nozaki AIST Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie GREEN IT zapis energii na bit dla MRAM Spin-transfer torque (STT) - RAM TSMC&Qualcomm 2009 Everspin2010 Hitachi&Tohoku 2010 Samsung 2011 Everspin2010 Toshiba2008 MagIC-IBM 2008 Everspin 2010 Avalanche 2010 SONY 2005 Toshiba 2012 MagIC-IBM 2010 Grandis 2010 STT+voltage effect Voltage effect Target < 1 fj/bit Φ10nm Φ30nm Φ100nm 10-7 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10 0 10 1 MTJ size ( m 2 ) MRAM (Øersted field) MRAM STT-RAM IBM2003 Energy required for data retention (60 k B T) 16

MRAM-Info: Everspin starts sampling 256Mb ST-MRAM chips, plans 1Gb chips by the end of 2016 Posted: 14 Apr 2016 10:52 PM PDT IBM demonstrated 11nm STT-MRAM junction, says "time for STT-MRAM is now" Posted: 07 Jul 2016 09:08 PM PDT IBM in collaboration with Samsung, demonstrated switching MRAM cells for devices with diameters ranging from 50 down to 11 nanometers in only 10 nanoseconds, using only 7.5 microamperes. The researchers say that this is a significant achievement on the way to high-density low-power STT-MRAM. Using perpendicular magnetic anisotropy (PMA), the researchers can deliver good STT-MRAM performance down to 7 10-10 write-error-rate with 10 nanosecond pulses using switching currents of only 7.5 microampere. IBM is quite excited about this new achievement, and the company says that the "time for Spin Torque MRAM is now". This coincides with the fact that twenty years ago, IBM scientist John Slonczewski invented the STT-MRAM and published this in a now seminal paper "Current-driven excitation of magnetic multilayers" in JMMM IBM will host a special STT-MRAM symposium on November 7 Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 17 17

Tunnelowanie Julliere s model Ferromagnetic-electrode 1 Insulator Ferromagnetic-electrode 2 19

Charakterystyki przełączania Przełączanie zewnętrznym polem M 2 M 1 R P AP Przełączanie prądem warstwy buforowe Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 20

Tunelowa Magnetorezystancja (TMR) Ikeda, Appl. Phys. Lett. 93, 082508 (2008). CoFeB MgO CoFeB Ru CoFe J. Wrona, AGH, Singulus Timaris PVD Cluster Tool System TEM: L. Yao, S. Van Dijken, Aalto, Finland 21 Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 21

Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 22 22

Krystalizacja bariery tunelowej MgO AIST, Anelva Djayaprawira, Yuasa APL (2005) Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 23 23

Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie Sputtering deposition (industrial process) Singulus TIMARIS Multi Target Module Top: Target Drum with 10 rectangular cathodes; Drum design ensures easy maintenance; Bottom: Main part of the chamber containing LDD equipment Oxidation Module Low Energy Remote Atomic Plasma Oxidation; Natural Oxidation; Soft Energy Surface Treatment Soft-Etch Module (PreClean, Surface Treatment) Transport Module (UHV wafer handler) Cassette Module (according to Customer request) Ultra High Vacuum Design: Base Pressure 5*10-9 Torr (Deposition Chamber) High Throughput (e.g. MRAM): 9 Wafer/Hour (1 Depo-Module) High Effective Up-time: 18 Wafer/Hour (2 Depo-Module) Courtesy of 24

Transmission electron Microscopy (TEM) of TMR multilayers 7 30 10 2.3 0.6 1.1 2.3 0.9 2 16 + AF 0.9nm FFT (001) MgO 3 50 3 50 3 L. Yiao, S. van Dijken Aalto Univ. TEM EDX 25

Litografia elektronowa - clean-room 100 Wet bench E-beam microscope Ion beam eatching Mass spectrometer Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 26

Maski R. Kolano ok.1975 Maska mechaniczna 1967 negatyw pozytyw 70 μm x 1 μm 20 μm x 2 μm Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 27

Resistance [Ohm] Electron-beam lithography e-litography by RAITH system 300 250 200 breakdown 150 100 Nanopillar 3 steps: e-beam litography, ion etching, lift-off -1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 Voltage [V] 28

TMR & RA vs. MgO barrier thickness W. Skowronski, T. Stobiecki, et al. J. Appl. Phys. (2010), 093917 A. Zaleski, W. Skowroński, T. Stobiecki et al. J. Appl. Phys. (2012), 033903 29

Unpolarized electrons Spin Transfer Torque (STT) Polarized electrons Transmitted electrons Electron flow Conduction Electrons Polarizer P Free layer M Transfer of transverse moment m = Torque (Spin Torque ST) ST tends to align M (anti-)parallel to P Local magnetization 31

Dynamika magnetyzacji - LLG precession dm dt m H eff damping m dm dt L(andau) L(ifszic) G(ilbert) dynamics 32

precession dm dt m H Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie eff Spin Transfer Torque (STT) damping m dm dt STT m ( m M ) m M M SV M SV 33

Power (nv/hz 0.5 ) Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie STT CIMS Spin Transfer Torque Curent Induced Magnetization Switching 10 8 6 4 DC current -0.1 ma -0.5 ma -1 ma -1.5 ma -1.7 ma -1.8 ma I = I Critical 2 1,0 1,5 2,0 2,5 Frequency (GHz) W.Skowroński, T.Stobiecki et al. APEX 5, 063005 (2012) 34

Zero-magnetic field STO W.Skowroński, T.Stobiecki et al. APEX 5, 063005 (2012) 35

Metal wykazujący sprzężenie spin-orbita Spinowy efekt Halla E(J) indukowana prądem elektrycznym poprzeczna akumulacja spinów w metalu niemagnetycznym generacja prądu spinowego prostopadłego do kierunku przepływu prądu ładunkowego Spinowy kąt Halla θ SH - stosunek prądu spinowego do prądu ładunkowego: θ SH = ħ(2e) 1 J s J e Wysoki spinowy kąt Halla w Ta, W, Pt, CuIr, BiSe Domieszkowanie Izolatory topologiczne Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 37

Spinowy efekt Halla (SHE) Oddziaływanie prądów spinowych na warstwę magnetyczną: wzbudzenie rotacji namagnesowania zmiana kierunku namagnesowania L. Liu et al., Science 336, 555-558, (2012) Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 38

Metoda harmonicznych napięcia SHE Anizotropia prostopadła Detekcja sygnału przy pomocy wzmacniacza typu lock-in - modulacja sygnału wejściowego. Dwie składowe pola efektywnego: ΔH L, T = -2 V 2ω H L,T 2 V ω H2 L,T Damping Efektywność SHE damping i field-like: ξ DL/FL = ΔH L,T 2eµ 0 M S t CoFeB J e Ta ħ f = 386 Hz H T y z H Z H L x Field-like Dwa momenty siły tzw. field-like i damping-like J. Kim et al. PRB 89, 174424 (2014) J. Sinova et al. Rev. Mod. Phys. 87, 4 (2015) 3 9 Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 39

Struktura warstwowa układu SHE d Ta / 0.91 nm Co 40 Fe 40 B 40 / 5 nm MgO / 1 nm Ta d Ta = 5 nm, 10 nm, 15 nm Wygrzewane w 330 C przez 20min. 10μm i Warstwa ochronna MgO sprzyja uzyskaniu PMA w CoFeB Warstwa ferromagnetyczna Metal z oddziaływaniem spin-orbita Termicznie utlenione podłoże Si(001) sputtering: Singulus Timaris PVD Cluster Tool System PMA prostopadła anizotropia magnetyczna Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 40 01.06.2016 40

Intensity [a.u.] Ta (331) Ta (410) MgO (002) Ta (312) FL [%] DL [%] Si (002) Ta (002) Ta (330) Ta (202) Ta (212) Ta (411) Intensity [a.u.] Ta (002) Ta (410) Ta (330) Ta (202) Ta (212) Ta (411) Ta (331) Ta (312) MgO (002) Si (002) Intensity [a.u.] MgO (002) ( cm) Si (002) 1400 1200 1000 800 600 400 200 1400 1200 1000 800 600 400 200 1400 1200 1000 800 600 400 200 Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie amorphous 32 34 36 38 40 42 44 46 2 ( ) Tetragonalna faza β- Ta Spinowy Efekt Halla w Ta Ta 5 nm Ta 10 nm Ta 15 nm 24 20 16 12 8 4 250 240 230 220 210 200 190 180 170 0 50 100 150 200 250 300 5Ta 10Ta 15Ta 0 0 50 100 150 200 250 300 T [K] T (K) 4 5Ta 2 10Ta 15Ta 0 0 50 100 150 200 250 300 41 12 10 8 6 5 Ta 5 Ta/ 0.9 CoFeB 10 Ta 10 Ta/ 0.9 CoFeB 15 Ta 15 Ta/ 0.9 CoFeB T [K]

Intensity [a.u.] -W (211) -W (200) -W (210) DL, FL (%) -W (110) Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie Spinowy efekt Halla w W/CoFeB 800 600 t W (nm): 2 4 6 60 50 40 60 50 40 400 30 30 200 0 30 40 50 ( O ) Przejście z fazy FCC β-w do fazy BCC α-w 20 10 0 DL FL 50 100 150 200 250 300 Temperature (K) 20 10 0 42

Aparatura pomiarowa Politechnika Wrocławska, Instytut Instytut Metali Materiałoznawstwa Nieżelaznych, Wisła i Mechaniki 29-30 września Technicznej 2016 01.06.2016 43

Podsumowanie Wytworzono magnetyczne złącze tunelowe (MTJ) o strukturze nanopilaru z bardzo cienką barierą MgO. Zbadano efekt STT (Spin Transfer Torque), wytworzono prototyp komórki pamięci STT-RAM. Uzyskano przełączanie magnetyzacji indukowanym prądem (CIMS) oraz STT-oscylacje w złączach MTJ. Badano Spinowy Efekt Halla w Ta/CoFeB i W/CoFeB. 44

Współpraca i finansowanie AGH Department of Electronics: Dr. M. Czapkiewicz (micromagnetic simulations, magnetooptics) Dr. J. Kanak (structure: XRD, AFM/MFM) Dr. W. Skowroński (e-lithography, TMR, CIMS,Spin-diode, VCMA, SHE/SOT) Dr. hab.p. Wiśniowski (MR-sensors, noise measurements and analysis) W. Powroźnik (technical service) M. Dąbek, PhD student (noise in sensors) S. Ziętek PhD student (e-lithography, multiferroics) M. Cecot, PhD student (SHE/SOT, AFM/MFM, e-lithography) M.Frankowski, PhD student (micromagnetic simulations) J. Chęciński, PhD student (micromagnetic simulations) P. Rzeszut, student (LabView programming, electronic service, measurements) ACMiN AGH: prof. M.Przybylski, A. Żywczak (e-litography, PLD deposition, magnetic measurements) Katedra Fizyki Ciała Stałego AGH: prof. J. Korecki + zespół (MTJ z MBE) Singulus AG: J. Wrona (sputtering deposition at Singulus AG, CIPT-capres measurements) IFM PAN: J. Barnaś (UAM), P. Balaz (UAM, ChU Prag), A. Dyrdał (UAM), Ł. Karwacki (UAM), P. Ogrodnik (PW), J. Dubowik (IFM PAN), H. Głowiński (IFM PAN), F. Stobiecki (IFM PAN) AIST, Japan: T. Nozaki, S. Yuasa, Y.Suzuki EPFL, Switzerland: J-Ph. Ansermet, A.Vetro University of Bielefeld, Germany: prof. G. Reiss Aalto University, Espoo, Finland: prof. S. van Dijken 45

Podziękowania Nanoscale spin torque devices for spin electronics NANOSPIN Grant no. PSPB- 045/2010 Polish National Science Center Grant No. Harmonia-DEC 2012/04/M/ST7/00799 2009 2012 Krajowe Centrum nanostruktur magnetycznych do zastosowań w elektronice spinowej SPINLAB 46

Dziękuję za uwagę 47