双钉扎层磁隧道结中钉扎层偏置场的精准调控及其在自旋转移矩磁随机存储器中的应用研究

本文创新性地提出了一种双钉扎层磁隧道结（Double PL MTJ）结构优化方案，通过建立精确计算磁静态偏置场（Hbias）的数值方法，设计出底部采用三铁磁层（FM1/FM2/FM3）反平行耦合、顶部采用双铁磁层（FM4/FM5）的钉扎层结构。该结构成功实现了自由层（FL）界面处反平行磁化排列，并将Hbias控制在100 mT以下，有效解决了STT-MRAM中高写入电流和热稳定性等关键技术瓶颈。

　　

双钉扎层磁隧道结的偏置场调控研究

1 引言

自旋转移矩磁随机存储器（STT-MRAM）凭借CoFeB/MgO基磁隧道结（MTJ）的界面垂直磁各向异性（PMA）特性，在存储器件领域展现出巨大潜力。然而传统单钉扎层结构存在写入电流（I_w）不对称性问题：当采用高自旋极化率（η）材料时，虽然反平行态（AP）到平行态（P）的转换电流降低，但P→AP转换电流却显著增加。双钉扎层MTJ结构通过上下钉扎层（PL）协同作用可解决这一难题，但需满足两个关键条件：一是FL界面处上下PL磁化必须反平行排列，二是PL产生的磁静态偏置场（H_bias）需低于FL矫顽力（H_c≈100 mT）。

2 实验方法

建立了一套精确计算H_bias的数值模型。通过积分铁磁层表面磁荷产生的磁场，推导出FL中点P处的偏置场计算公式。其中磁表面电荷产生的元场dh_i通过四重积分求解，耦合能量U_{top_surf}和U_{btm_surf}分别对应PL上下表面对FL的作用。计算参数基于实验值：FL磁化强度M_FL=1.36 T，PL磁化强度M_PL=1.26 T，FL与PL间距为0.92 nm（模拟MgO势垒层厚度），PL内部铁磁层间距0.9 nm（模拟Ru耦合层厚度）。

3 结果与讨论

3.1 单钉扎层MTJ对比研究

传统单FM层PL产生的H_bias在D≤50 nm时超过200 mT，而反平行耦合双铁磁层（AP PL）结构可将H_bias控制在65 mT以下。AP PL通过设计FM1（近FL侧）厚度小于FM2实现磁矩补偿，但直接应用于双PL结构会导致上下PL近FL侧磁矩（m1与m4）平行排列，违反双PL MTJ基本要求。

3.2 双PL结构优化

创新性提出底部PL采用三铁磁层（FM1/FM2/FM3）反平行耦合结构。当施加强磁场后撤除时，满足m2<>_FM2/(t_FM1+t_FM2+t_FM3)<0.50时，H_bias可降至100 mT以下。典型结构如[Co(0.5)/Pt(0.3)]×n/Co(0.5)/CoFeB(1.5)多层膜，当n=0时t_FM1=2.0 nm表现最佳。

3.3 厚度敏感性分析

FM1厚度对H_bias影响显著：当t_FM1从2.0 nm增至2.8 nm（Δ=0.8 nm）时，D=20 nm处的H_bias从44 mT激增至88.5 mT。因此必须最小化FM1厚度，同时保持t_FM4<>_FM5的顶部PL设计准则。

4 结论

本研究建立的数值模型可精确指导双PL MTJ设计。最优结构为：底部三铁磁层（0.28<>_FM2/(t_FM1+t_FM2+t_FM3)<0.50）与顶部双铁磁层（t_FM4<>_FM5）组合，在保证界面反平行磁排列的同时，将H_bias控制在安全阈值内。该方案为突破STT-MRAM高写入电流瓶颈提供了切实可行的技术路径。