穿隧磁阻元件之發展

1995 年 J. S. Moodera 等人[6]發現 CoFe/AlO3/Co 的結構會產生大於巨磁阻現象 的磁阻變化率，CoFe/AlO₃/Co 此結構產生的磁阻為 10%，遠大於單純 Co 和 CoFe 薄膜的磁阻變化，如圖 1.5 所示。因其傳輸機制和巨磁阻效應截然不同，為兩鐵磁 層中夾一層薄的絕緣層，傳輸機制非傳導而是穿隧現象，所以稱之為穿隧磁阻 (Tunneling magnetoresistance)。由於這個巨大的發現，將自旋電子學研究推向一個 嶄新的領域。

圖 1.4 La_0.67Ca_0.33MnO₃/LaAlO₃ 薄膜在 77K 時磁阻變化率圖 S. Jin et al. Science 264, 413 (1994)

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目前許多研究團隊致力於鈣鈦礦材料穿隧磁阻的研究，主要的結構有 1.雙晶 接面 2.垂直三明治接面 3.斜坡式接面 4.階梯式接面，如圖 1.6 所示。1999 年 C. Kwon 等 人 [7] 利 用 斜 坡 式 結 構 (Ramp-edge) 製 作 出 平 面 穿 隧 磁 阻 元 件 ， 其 結 構 為 LSMO/STO/LSMO，量測出磁阻為 20%，如圖 1.7 所示。2000 年 J. B. Phillipp 等 人[8]利用不同 a、b 軸方向的雙晶(bicrystals)基板，在 4.2 K 時量測磁阻達 300%，

如圖 1.8 所示。

圖 1.5 CoFe/Al₂O₃/Co 結構磁阻變化率對磁場作圖 J. S. Moodera et al. Phys. Rev. Lett. 74, 16 (1995)

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圖 1.6 穿隧接面(tunneling junction)的種類圖

圖 1.7 斜坡式(Ramp-edge)穿隧磁阻元件磁阻變化對磁場作圖

C. H. Kwon et al. United State Ptent. Patent No.US6445024 (1999)

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2003 年 M. Bowen 等人[9]利用三明治結構製作出垂直方向穿隧磁阻元件，絕 緣層材料為鈦酸鍶(STO)，在 4.2 K 時磁阻變化達到 1800%，如圖 1.9 所示，自旋 極化率更高達 95%，其中自旋極化率已接近鑭系錳氧化物的理論值 100%[10]，顯 示自旋極化率值跟磁阻變化直接相關。

圖 1.8 雙晶(bicrystals)結構穿隧磁阻元件磁阻變化對磁場作圖 J. B. Phillipp et al. Phys. Rev. Lett. 62, 14(2000)

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本實驗室在 2004 年時利用階梯式結構製作出 TMR 元件[11][12]，利用蝕刻 STO 基板的方式製作出各種不同角度的階梯(step)，LSMO 薄膜在階梯部分會形成 晶界(grain boundaries)，晶界部分相當於絕緣層的功用，所以當電子傳輸經過晶界 時會產生穿隧效應。而研究發現階梯的角度越高穿隧磁阻效應越大，如圖 1.10 所 示，在 100 K 時量測穿隧磁阻可以發現，角度 70°時穿隧磁阻變化最大，當階梯角 度越來越低時穿隧磁阻也越來越小了。階梯角度影響穿隧磁阻的原因為階梯角度 越高薄膜越容易沿著其坡度方向生長，使得 c 軸方向和直接生長在 STO 上不同，

因此在交界處形成了晶界造成了電子傳輸的穿隧效應。

圖 1.9 三明治型(Sandwich) 結構穿隧磁阻元件磁阻變化對磁場作圖 M. Bowen et al. Appl. Phys. Lett. 82, 233 (2003)

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而許多文獻皆指出，穿隧元件的磁阻變化率隨溫度上升而下降，甚至到達居 禮溫度(Curie temperature)前就已經消失，所以製作出高於室溫的穿隧磁阻元件將是 各個團隊的一大挑戰。本實驗室在 2004 年時製作階梯式穿隧磁阻並在室溫時量到 穿隧磁阻的現象如圖 1.11，S1 為階梯高度 290 nm，LSMO 膜厚 150 nm 的樣品，

圖 1.11(a)中很明顯可以看到在 5 K 時有穿隧磁阻的效應，其穿隧磁阻變化大約 30%，

圖 1.11(b)為在 300 K 量測薄膜和樣品 S1 的穿隧磁阻現象，發現樣品 S1 仍有和薄 膜不同的趨勢，因此我們在室溫觀察到了穿隧磁阻的現象。甚至更高溫度時仍有 這個現象。

圖 1.10 由本實驗室製作之階梯式穿隧磁阻元件[11]

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