CC BY
22МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА MICRO- AND NANOSYSTEM TECHNOLOGY
УДК 53.087.92 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-5-432-439
Микросистемы с высоким коэффициентом преобразования слабого магнитного поля на основе магниторезистивных наноструктур
В.В. Амеличев1, А.А. Резнев2, А.Н. Сауров3
1НПК «Технологический центр», г. Москва, Россия 2ФГКУ «В/ч 68240», г. Москва, Россия
3Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук, г. Москва, Россия
avv@tcen.ru
Магниторезистивные преобразователи магнитного поля востребованы как для прямого, так и для косвенного применения в различных областях промышленности, транспорте и специальной технике. В работе отмечены особенности применяемой терминологии и размерностей основных параметров магниторезистивных преобразователей магнитного поля. Представлены основные результаты экспериментальных исследований разработанных тонкопленочных магниторезистивных наноструктур с четной и нечетной передаточной характеристикой. Конструкция данной системы, реализованная на основе анизотропного магниторезистивного эффекта, имеет нечетную передаточную характеристику и коэффициент преобразования на уровне 8 мВ/В/Э. Конструкция, реализованная на основе гигантского магниторезистивного эффекта, имеет четную передаточную характеристику и коэффициент преобразования на уровне 27 мВ/В/Э. Показаны результаты перспективных конструктивно-технологических решений, позволяющих достигать значений коэффициента преобразования тонкопленочных магниторезистивных наноструктур более 100 мВ/В/Э. Приведены результаты исследования тестовой спин-туннельной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры с гигантским магниторезистивным эффектом, превышающим 100 %. Отмечена новизна полученных результатов и определена перспективность использования высокочувствительных тонкопленочных магниторезистивных наноструктур для создания энергонезависимой памяти с произвольной выборкой на основе тонкопленочной маг-ниторезистивной наноструктуры со спин-туннельным магниторезистивным эффектом.
© В.В. Амеличев, А.А. Резнев, А.Н. Сауров, 2020
Ключевые слова: коэффициент преобразования; магниторезистивный эффект; слабое магнитное поле; микросистема; наноструктура
Благодарности: работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Функциональный контроль и диагностика микро- и на-носистемной техники» на базе НПК «Технологический центр» (г. Москва).
Для цитирования: Амеличев В.В., Резнев А.А., Сауров А.Н. Микросистемы с высоким коэффициентом преобразования слабого магнитного поля на основе магниторе-зистивных наноструктур // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 5. С. 432-439. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-5-432-439
Microsystems with High Conversion Coefficient of a Weak Magnetic Field Based on Magnetoresistive Nanostructures
V.V. Amelichev1, A.A. Reznev2, A.N. Saurov3
1SMC «Technological Centre», Moscow, Russia 2FGKU «Military Unit 6840», Moscow, Russia
3Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
avv@tcen.ru
Abstract: The magnetoresistive transducers of magnetic field have been claimed both for direct and indirect applications in various areas of industry, transport and special equipment. In the paper the special features of used terminology and dimensions in the main parameters of magnetic field magnetoresistive transformers have been revealed. The main results of experimental studies on the developed thin-film magnetoresistive nanostructures (TMN) with even and odd transfer characteristics have been presented. The TMN design on an anisotropic magnetoresistive effect has an odd transfer characteristic and conversion coefficient at the level of 8 mV/V/E. The TMN design based on a giant magnetoresistive effect has an even transfer characteristic and a conversion coefficient at the level of 27 mV/V/E. The results of promising design and technological solutions allowing reaching the values of conversion coefficient of TMN at the level exceeding 100 mV/V/E have been shown. The results of the study of the test spintunnel magnetoresistive nanostructure (spin-tunnel TMN) with giant magnetoresistive effect, exceeding 100% have been presented. The novelty of the obtained results has been reflected and the perspective of using highly sensitive TMN and creating the non-volatile MRAM on the basis of thin-film magnetoresistive structure with the spin-tunnel magnetoresistive effect have been determined.
Keywords: conversion coefficient; magnetoresistive effect; magnetic field; microsystem; nanostructure
Acknowledgements, this study work has been performed using the equipment of the Centre for collective use «Functional control and diagnostics of micro-and nanosystem technology» on the basis of the SMC «Technological Centre» (Moscow).
For citation. Amelichev V.V., Reznev A.A., Saurov A.N. Microsystems with high conversion coefficient of a weak magnetic field based on magnetoresistive nanostructures. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 5, pp. 432-439. DOI. 10.24151/1561-54052020-25-5-432-439
Введение. Магниторезистивные преобразователи магнитного поля (ПМП) являются востребованными компонентами для изготовления современных магнитометрических приборов и устройств, в частности, в таких областях приборостроения, как автоматические системы управления, информационные системы обработки и передачи информации, системы навигации, системы безопасности и др.
Магниторезистивные ПМП реализуются на основе тонкопленочных магниторезистивных наноструктур как с анизотропным магниторезистивным (АМР), так и с гигантским магниторезистивным (ГМР) эффектом. Передаточная вольт-эрстедная характеристика (ВЭХ) магниторезистивных ПМП может быть четной или нечетной. За предыдущие несколько десятилетий зарубежные магниторезистивные ПМП, в основном производимые фирмами Honeywell (США), NVE и Micro Magnetics, Inc. (США), достаточно прочно закрепились на рынке микроэлектронных компонентов. Отметим, что многие потребители, работая с сопроводительной документацией на изделия данных производителей, используют предлагаемые термины, параметры, размерности и ВЭХ. Поэтому единица напряженности магнитного поля системы СГС эрстед широко применяется специалистами, работающими с приборами контроля и измерения слабого магнитного поля. В настоящей работе эрстед использован для более привычного восприятия достигнутых результатов и удобного сравнения их с параметрами зарубежных аналогичных изделий.
Номенклатура магниторезистивных ПМП указанных американских производителей достаточно широкая, например фирмой Honeywell на АМР-эффекте представлены продукты как с одной осью чувствительности, так и с двумя и с тремя осями чувствительности. Продукция фирмы NVE достаточно широко представлена магниторезистивными ПМП и гальваническими развязками на ГМР-эффекте в многослойных периодических наноструктурах. Применение магниторезистивных ПМП может быть как прямым - для преобразования магнитного поля, так и косвенным - для преобразования тока, перемещения, угла поворота и др.
Количество фирм в данном секторе рынка более полутора десятков и продолжает увеличиваться. Что касается выручки, мировой рынок магнитометров, по оценкам, к 2027 г. достигнет значения ~ 4,7 млрд долл. США с приростом в течение прогнозируемого периода в среднем на 6 % [1].
Отечественные производители магниторезистивных ПМП в данном секторе рынка представлены не так широко, как зарубежные с номенклатурой продукции, реализованной в основном на АМР-эффекте. Стоимость единицы отечественных магниторезистивных ПМП, как правило, более высокая ввиду технических и технологических особенностей выпуска данной продукции, что обусловлено высокими значениями основных параметров магниторезистивных ПМП, их надежностью и стойкостью к внешним воздействующим факторам.
Магниторезистивные микросистемы преобразования слабого магнитного поля. В условиях слабого магнитного поля (не более 1 мТл) широко применяются датчики и преобразователи, реализованные на основе магниторезистивных наноструктур с АМР- или ГМР-эффектом. Одна из основных характеристик данных приборов - чувствительность, выражаемая отношением изменения выходного электрического сигнала к воздействующему магнитному полю (измеряется в В/Тл). В преобразователях, реализованных на основе мостовой схемы Уинстона, уровень выходного сигнала прямо пропорционален приложенному напряжению питания. Поэтому чувствительность магниторезистив-ного преобразователя многие производители приводят в относительных единицах (мВ/В/Э, мВ/В/Гс или мВ/В/Тл). По сути, данный параметр характеризует коэффициент преобразования магнитного поля в электрический сигнал при напряжении питания 1 В.
Не менее важная характеристика магниторезистивных преобразователей - порог чувствительности, или разрешающая способность. Порог чувствительности в единичной полосе частот является минимальным уровнем магнитного поля, регистрируемым датчиком или преобразователем, при отношении сигнал/шум, равном единице [2]. Пороговая чувствительность к магнитному полю зависит от отношения сигнал/шум и характеризует нижнюю границу динамического диапазона. Так, например, для анизотропных тонкопленочных магниторезистивных ПМП нижняя граница динамического диапазона 10-7-10-8 Тл [2, 3].
Современные требования для ряда приборов и устройств на основе магниторези-стивных преобразователей диктуют необходимость достижения порога чувствительности 10-9-10-10 Тл в полосе частот 0,1-10 Гц. Для решения данной задачи могут быть использованы современные конструктивные и технологические решения, направленные на повышение отношения сигнал/шум за счет повышения уровня сигнала путем комбинации ряда конструктивно-технологических решений по увеличению коэффициента преобразования прибора. Один из эффективных способов повышения уровня сигнала -применение в конструкции магниторезистивных ПМП концентраторов магнитного поля (КМП) [4-6]. В НПК «Технологический центр» (г. Москва) разработаны конструкции анизотропных магниторезистивных ПМП, в которых коэффициент усиления КМП составляет 15-20. Это напрямую отражается на коэффициенте преобразования прибора и демонстрирует возможность снижения значения его порога чувствительности до требуемых величин.
Другим эффективным способом повышения уровня сигнала является использование ГМР-эффекта в тонкопленочных магниторезистивных наноструктурах, что также позволяет получать магниторезистивные ПМП с более низким порогом чувствительности. Разработанный в НПК «Технологический центр» (г. Москва) конструктивно-технологический базис производства магниторезистивных микросистем содержит блок технологических операций, определяющих способ имплантации миниатюрных КМП в кристалл, на поверхности которого в локальной области сформированы элементы на основе тонкопленочных магниторезистивных наноструктурах с АМР- или ГМР-эффек-том.
На рис.1 представлена нечетная передаточная ВЭХ магниторезистивного ПМП с АМР-эффектом при напряжении питания мостовой схемы 10 В. Магниторезистивные ПМП с нечетной ВЭХ востребованы, когда необходимо определить вектор магнитного поля (навигация, магнитная интроскопия, измерение электрического тока в проводнике и др.). С целью минимизации гистерезиса в тонкопленочных магниторезистивных наноструктурах и начального смещения в конструкциях магниторезистивных ПМП с АМР-эффектом практически всегда присутствуют планарные катушки подмагничивания. В разработанных конструкциях магниторезистивных ПМП с КМП коэффициент преоб-
Рис.1. Нечетная передаточная ВЭХ магниторе-
зистивного ПМП с КМП на АМР-эффекте Fig.1. Odd transfer VOC magnetoresistive TMF with CMF on AMR effect
Рис.2. Четная передаточная ВЭХ разработанного магниторезистивного ПМП с ГМР-эффектом Fig.2. Even transfer VOC developed by magnetoresistive TMF with GMR effect
разования на линейном участке ВЭХ (±0,5 Э) достигает 8 мВ/В/Э, при этом АМР-эффект в тонкопленочных магниторезистивных наноструктурах, из которых сформирована мостовая схема ПМП с сопротивлением 0,7-1,5 кОм, составляет 2-2,5 %.
На рис.2 представлена четная передаточная ВЭХ магниторезистивного ПМП с ГМР-эффектом, построенная при напряжении питания 5 В. Магниторезистивные ПМП с четной ВЭХ востребованы в тех случаях, когда не требуется определения направления вектора магнитного поля, где контролируется только его абсолютное значение с достаточно широким допуском из-за наличия гистерезиса в тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре. Из зависимости, представленной на рис.2, следует, что коэффициент преобразования магниторезистивного ПМП с ГМР-эффектом на линейном участке ВЭХ равен 27 мВ/В/Э.
В сотрудничестве с коллективом ученых Института физики металлов УрО РАН
(г. Екатеринбург) создана магниторезистив-ная многослойная периодическая (ММП) наноструктура с лучшим сочетанием магнитных параметров (высокий ГМР-эффект и малый гистерезис).
На рис.3 приведена зависимость магни-торезистивного эффекта ММП наноструктуры типа Та / FeNiCo / ^е№Со/Си]т / FeNiCo / Та с ГМР-эффектом 18-19 % от напряженности магнитного поля [7].
При использовании разработанного конструктивно-технологического базиса для создания высокочувствительных маг-ниторезистивных микросистем ПМП с КМП в НПК «Технологический центр» (г. Москва) созданы опытные образцы магни-торезистивной микросистемы преобразования слабого магнитного поля на основе
Рис.3. Зависимость магниторезистивного эффекта ММП наноструктуры типа Ta / FeNiCo / [FeNiCo/Cu]7 / FeNiCo / Ta от
напряженности магнитного поля Fig.3. Dependence of magnetoresistive effect of the MMP of a Ta / FeNiCo / [FeNiCo / Cu]7 / FeNiCo / Ta nanostructure on the magnetic field strength
ММП наноструктур с коэффициентом преобразования до 40 мВ/В/Э. Кроме того, данные конструктивно-технологические решения позволяют достигать и более высоких значений коэффициента преобразования - более 100 мВ/В/Э. Полученные экспериментальные образцы магниторезистивных ПМП исследованы в одинаковых условиях с ПМП ААН002 (КУБ, США).
На рис.4 приведены ВЭХ изготовленного в НПК «Технологический центр» (г. Москва) экспериментального образца магниторезистивного ПМП на основе ММП наноструктур с улучшенными магнитными параметрами и ВЭХ ААН002 (КУБ, США).
100
80
DD
о я
о Р
X
3
и
а> <D
2 s
й я
К о
s *
о a Я S Сц О
К
60
40
20
НП K«T_ 1»
N VEA AH0( 12 11
4 4 s 4 у ✓ r —
\ \ \ > ь 1 \ 1 \ 1 v j 1 / / 'x1 / /
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Напряженность магнитного поля, Э
Рис.4. ВЭХ экспериментального образца магниторезистивного ПМП на основе ММП наноструктур с улучшенными магнитными
параметрами и ВЭХ AAH002 (NVE, США) Fig.4. VOC of an experimental sample of magnetoresistive TMF based on MMP nanostructures with improved magnetic parameters and VOC AAH002 (NVE, USA)
С целью создания высокочувствительных магниторезистивных ПМП и энергонезависимой магниторезистивной памяти с произвольной выборкой ведутся работы по созданию тонкопленочных магниторезистивных наноструктур с более высокими значениями ГМР-эффекта [8].
На рис.5 представлена зависимость изменения сопротивления в тестовой спин-туннельной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре с ГМР-эффектом, сформированной интегральным способом, от напряженности магнитного поля. В настоящее время достигнуто не только значение ГМР-эффекта, превышающее 100 %, но и способы модификации зависимости R(H). Линеаризация данной зависимости в области нуля необходима для создания магниторезистивных ПМП с нечетной ВЭХ и достигается при установлении неколли-неарной конфигурации магнитной анизотропии оси легкой намагниченности и оси однонаправленной анизотропии в наноструктуре спин-туннельного магниторези-стивного элемента.
Одна из особенностей спин-туннельной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры - низкое напряжение питания
Рис.5. Зависимость сопротивления спин-туннельной магниторезистивной наноструктуры
от напряженности магнитного поля Fig.5. Dependence of the spin-tunnel magnetoresis-tive nanostructure resistance of the nanostructure on the magnetic field strength
(не более 0,1 В), ограниченное напряжением пробоя тонкого слоя диэлектрика (не более 5 нм), разделяющего ферромагнитные слои в тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре. С учетом данного факта, как правило, в магниторезистивный ПМП последовательно включаются несколько десятков таких наноструктур, что приводит к высокому входному сопротивлению (до нескольких сотен килоом). Высокое значение ГМР-эффекта спин-туннельной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры в перспективе позволит получить более высокочувствительные магниторезистивные ПМП с малым энергопотреблением и высоким коэффициентом преобразования. Кроме того, подобные спин-туннельные тонкопленочные магниторезистивные наноструктуры могут быть использованы в составе ячейки энергонезависимой памяти с произвольной выборкой.
Заключение. Результаты исследования магниторезистивных ПМП и спин-туннельной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры с ГМР-эффектом, созданных на основе конструктивно-технологического базиса магниторезистивных микросистем с КМП, являются очередным шагом в развитии отечественных высокочувствительных магниторезистивных ПМП, имеющих низкое энергопотребление, высокий коэффициент преобразования и более низкий порог чувствительности (до 10-10 Тл).
Литература
1. Global Magnetometer Market: Snapshot. URL: https://www.transparencymarketresearch.com/magne-tometer-market.html (дата обращения: 04.12.2019).
2. БараночниковМ.Л. Микроэлектроника. М.: ДМК Пресс, 2001. Т. 1. С. 27-137.
3. Ripka P Advances in magnetic field sensors // IEEE Sensors Journal. 2010. Vol. 10. No. 6. P. 1108-1116.
4. Буслов И., Бауткин В., Драпезо А., Ярмолович В. Датчики слабых магнитных полей на эффекте Холла // Современная электроника. 2011. № 1. С. 12-17.
5. Создание интегральных компонентов усиления магнитного сигнала в беспроводной МЭМС на основе магниторезистивных элементов / В.В. Амеличев, В.В. Аравин, А.Н. Белов и др. // Нано- и микросистемная техника. 2013. №3. С. 29-33.
6. Амеличев В.В., Резнев А.А. Микросистемы на основе тонкопленочных анизотропных магниторезистивных преобразователей магнитного поля и тока // Нано- и микросистемная техника. 2018. Т. 20. № 5. С. 303-307.
7. Перспективные магнитные наноструктуры с гигантским магнитосопротивлением и высокочувствительные сенсорные элементы на их основе / Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уро РАН. URL: http://imp.uran.ru/?q=ru/content/perspektivnye-magnitnye-nanostruktury-s-gigantskim-magnitosoprotivleniem-i-0 (дата обращения: 04.12.2019).
8. Развитие технологий магнитополупроводниковых микросистем / В.В. Амеличев, И.Е. Абанин, В.В. Аравин и др. // Изв. вузов. Электроника. 2015. Т. 20. № 5. С. 505-510.
Поступила в редакцию 13.03.2020 г.; после доработки 13.03.2020 г.; принята к публикации 30.06.2020 г.
Амеличев Владимир Викторович - кандидат технических наук, начальник отдела НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шоки-на, 1), avv@tcen.ru
Резнев Алексей Алексеевич - доктор технических наук, профессор, заместитель руководителя ФГКУ «В/ч 68240» (Россия, 101000, Москва, Главпочтамт), village@dol.ru
Сауров Александр Николаевич - академик РАН, доктор технических наук, профессор, директор Института нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук (Россия, 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 32А), org@inme-ras.ru
References
1. The global market of magnetometers: a snapshot. Available at: https://www.transparencymarketresearch.-com/magnetometer-market.html (accessed: 10.03.2020).
2. Baranochnikov M.L. Microelectronics. Vol.1. Moscow, DMK Press Publ., 2001, p. 27-137. (in Russian)
3. Ripka P. Achievements in the field of magnetic field sensors. Magazine IEEE Sensors, 2010, vol. 10, no. 6, pp. 1108-1116.
4. Buslov I., Bautkin V., Drapezo A., Yarmolovich V. Sensors of weak magnetic fields on the Hall effect. Sovremennaya electronika = Modern Electronics, 2011, no. 1, pp.12-17. (in Russian).
5. Amelichev V.V, Aravin V.V, Belov A.N., Krasyukov A.Yu., Reznev A.A., Saurov A.N. Creation of integral components of a magnetic signal in a wireless MEMS based on magnetoresistive elements. Nano- i mikro-sistemnaya tehnika = Nano- and Microsystems Technology, 2013, no. 3, pp. 29-33. (in Russian).
6. Amelichev V V, Reznev A.A. Microsystems based on thin-filmed anisotropic magneto-resistant magnetic field and current converters. Nano- i mikrosistemnaya tehnika = Nano- and Microsystems Technology, 2018, vol. 20, no. 5, pp. 303-307 (in Russian)
7. Promising magnetic nanostructures with giant magnetoresistance and highly sensitive sensor elements based on them. Available at: http://imp.uran.ru/?q=en/content/perspektivnye-magnitnye-nanostruktury-s-gi-gantskim-magnitosoprotivleniem-i-0 (accessed: 10.03.2020). (in Russian).
8. Amelichev VV, Abanin I.E., Aravin VV, Kostyuk D.V., Kasatkin S.I., Reznev A.A., Saurov A.N. The development of technology of magnetic semiconductor microsystems. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2015, vol. 20, no. 5, pp. 505-510. (in Russian).
Received 13.03.2020; Revised 13.03.2020; Accepted 30.06.2020. Information about the authors:
Vladimir V. Amelichev - Cand. Sci. (Eng.), Head of Department, SMC «Technological Centre» (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), avv@tcen.ru
Aleksey A. Reznev - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Deputy Head, FGKU «Military Unit 68240» (Russia, 101000, Moscow, Main Post Office), village@dol.ru
Alexander N. Saurov - Acad. RAS, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of Nanotechnology of the Microelectronics of the Russian Academy of Sciences (Russia, 119991, Moscow, Leninsky pr., 32A), org@inme-ras.ru
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Полные тексты статей журнала с 2009 по 2019 гг. доступны на сайтах Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru и журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»: http://ivuz-e.ru
