自由层

物理学术语

定义简介

自由层(Free Layer), 它的磁化有两个稳定的取向, 分别与参考层平行或反平行, 这将使磁隧道结处于低阻态或高阻态, 该现象被称为隧穿磁阻效应(Tunnel Magnetoresistance, TMR)。两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”, 是MRAM存储的基本原理.

原理

自由层翻转

当参考层与自由层磁化方向一致时, 两层铁磁材料中处于多数态的电子自旋方向相同, 隧穿概率较高, 隧穿电流较大, 磁隧道结呈现低阻态；反之, 磁隧道结呈现高阻态。

Toggle法自由层写入

MRAM的写入操作通过磁隧道结中自由层的磁化翻转来实现。早期的MRAM直接采用磁场写入方式。磁隧道结置于字线(DigitLine)和位线(Bit Line)的交叉处，字线和位线分别沿着自由层的难磁化轴(Hard-Axis)和易磁化轴(Easy-Axis)方向。写入时，被选中的磁隧道结的字线和位线分别通入电流以产生互相垂直的两个磁场，它们的大小均不足以使自由层完成磁化翻转，但二者能够将彼此方向上的矫顽场(Coercive Field)大小降低至所产生的磁场以下，因此，只有交叉处的磁隧道结能够完成状态的写入。这种写入方式要求位线(或字线)产生的磁场足够大以至于能够有效地减小字线方向上(或位线方向上)的矫顽场，但同时也要足够小以避免同一条位线(或字线)上的其余磁隧道结被误写入(半选干扰问题, Half-Selectivity Disturbance)，由于工艺偏差的存在，所允许写入的磁场范围非常有限。为解决此问题，Freescale的工程师提出一种被称为Toggle的改进型磁场写入方式，基于这种写入方式的磁隧道结采用合成反铁磁结构(Synthetic Antiferromagnet，SAF)的自由层。若将自由层的难(易)磁化轴与写入磁场呈45°放，单独的一个写入磁场无法使自由层完成磁化翻转，从而避免了“半选干扰”问题，也扩展了写入磁场的可操作范围。基于这种Toggle写入方式，Freescale成功推出第一款4 Mb的MRAM商用产品。

TAS法自由层写入

除了Toggle写入方式之外, 学术界还曾提出利用热辅助(Thermal Assisted Switching, TAS)以改善MRAM的写入性能. 图5(c)展示了法国Spintec实验室提出的TAS-MRAM器件结构，在铁磁层上加入反铁磁层，形成交换偏置作用(Exchange Bias)。写入时，首先在磁隧道结通入电流，将器件加热至反铁磁层的转变温度(Blocking Temperature)之上，同时施加写入磁场，然后将器件冷却，在交换偏置的作用下，自由层的磁化被翻转并稳定在与外加磁场相同的方向。这种写入方式只需要一个外加磁场，能够解决半选干扰问题，功耗和可靠性都有所改善。

应用

关于自旋电子在储存器方面的应用，多层膜的磁场线性响应范围大且磁电阻效应大,所以正好适合多层膜巨磁电阻传感器；同样，这样大小的工作磁场令自旋阀自由层磁矩方向完全跟随磁场方向，也比较适合于自旋阀磁场方向传感器。多层膜巨磁电阻传感器和自旋阀方向传感器，都主要针对这类大工业用途，有兴趣的读者可以查看两公司各自的网站。

相关概念

自由转移矩

1996年, Slonczewski和Berger从理论上预测了一种被称为自旋转移矩(Spin Transfer Torque, STT)的纯电学的磁隧道结写入方式，当电流从参考层流向自由层时，首先获得与参考层磁化方向相同的自旋角动量, 该自旋极化电流进入自由层时，与自由层的磁化相互作用，导致自旋极化电流的横向分量被转移，由于角动量守恒，被转移的横向分量将以力矩的形式作用于自由层，迫使它的磁化方向与参考层接近，该力矩被称为自旋转移矩。同理，对于相反方向的电流，参考层对自旋的反射作用使自由层磁化获得相反的力矩，因此，被写入的磁化状态由电流方向决定。

钉扎层

相对巨磁电阻多层膜，线性化自旋阀巨磁电阻模式具有高得多的磁场灵敏度，对于弱小的磁场的检测，后者显然是更合适的选择。需要强调的是，为了减小磁滞实现线性化，要求被钉扎层的磁矩方向与自由层的易轴垂直，通常将自由层和被钉扎层的生长磁场转动9 °, 于是自由层的感生单轴各向异性垂直于被钉扎层的钉扎方向；对于生长磁场不变的情形，沿自由层易轴垂直方向引入一个偏置磁场，且该偏置磁场稍大于自由层易轴的各向异性场。同样能使自由层与被钉扎层的磁矩方向相互正交；除此以外，自旋阀电阻条在微小尺度下，电流的自偏置效应及形状各向异性亦可以考虑加以利用。通过施加一个偏置场，其自旋阀传感器均可实现低磁场的线性化，对弱小外磁场敏感。设计者必须同时牢记相邻桥臂对外磁场的响应极性必须刚好相反。

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