摘要：GMR（巨磁电阻）材料的磁输运性质决定了它们适合用于磁场传感器、读出磁头、随机存取存储器和电流隔离器。本文对GMR的每种应用都进行了讨论，并且介绍了可用的材料。 关键词：GMR；读出磁头；随机存取存储器；电流隔离器
1.引言
在 GMR（巨磁电阻）效应发现的10年后，应用于磁场传感器和硬盘读出磁头的商业化的GMR（巨磁电阻）技术出现了。在之前这种相对短的时间里主要应用的是AMR（各向异性磁阻效应）产品。而将GMR材料引入工业应用的最初动力是它的高的磁阻变化率，其他的性质对应用也非常重要。本文首先探讨这些GMR材料的性质，然后讨论它的一些现有的和潜在的应用。同时也讨论了一些GMR材料的未来研究进展。
2. GMR材料的性质
磁电阻率（在一定的应用磁场范围内，电阻率的变化量相对于其最小值的百分比）和饱和磁场（磁场需要达到这个材料的电阻率的全部变化范围）是GMR材料的最重要的应用性质。灵敏度（电阻该变率与磁场的比值）决定了磁场在低于饱和磁场强度下的信号。
表1比较了几种典型的磁电阻材料的磁电阻、饱和磁场以及灵敏度。磁三明治结构是一种没有钉扎层的自旋阀。颗粒膜是一种由互不相容的磁性和非磁性导体材料构成的薄膜。自旋相关隧道结构与普通的GMR材料的机理不同，但是通常把它放到GMR材料中一起讨论。
表1 各种磁电阻材料的性能比较
多层膜与颗粒膜之间的比较表明多层膜的GMR和灵敏度更好。一般认为颗粒膜结构容易制作，但是在制作多层膜时没有遇到严重的障碍，尤其是非磁性导电层的所谓的第二峰厚度。
在计算机控制的溅射设备制作下，可以制作良好的厚度一致性，多层膜相对容易制造，因此现阶段颗粒膜没有明显的研究必要。
（CMR）庞磁电阻在磁场下可以产生非常大的磁电阻变化，但是由于温度的原因（低于室温下）非常难以应用，因为它具有非常高的电阻温度系数（TCR）。这种性质使得难以补偿温度漂移，以至于在特殊应用中难以分辨温度和磁场。CMR的这种性质使得它难以广泛应用。
表1中所列的其它材料都能应用于特殊的器件中。AMR（坡莫合金薄膜）在10Oe的磁场下灵敏度很高，但是在5Oe以上磁场下产生的信号比自旋阀、三明治或者隧道结要小。多层膜的灵敏度没有其他材料的高，但是可以应用于几百Oe荧光纤维的磁场下，在这种磁场下其他的GMR结构以及AMR结构将会饱和。在高磁场应用中，多层膜将是一个更好的选择。
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磁电阻材料具有一些重要得温度特性。前面已经提到了TCR。（GMR和SDT器件在1500到-700ppm/℃范围内具有饱和的TCR）。短时间（几个小时）的温度稳定性对于器件制造非常重要，因为现在的制造流程中的温度通常超过200℃。在GMR材料与集成电路混合制造中的温度更高。长期（几千小时）稳定性对产品的可靠性是非常必要的。除了汽车和特
定的工业应用，一般的工作温度很少超过125℃。磁三明治的工作温度一般超过200℃。自旋阀的温度特性并不理想，但是最近通过使用 IrMn和自动上料玉米脱粒机NiMn作为反铁磁层而大大改善了，因此相对几年前，自旋阀的工作温度已经不受关注了。
磁致伸缩还没被看作GMR材料的一个问题，但是它仍然具有潜在的问题，特别是小特征的器件中。大部分的报道的合金名义上在大块状是非磁致伸缩的，但是在薄膜中，磁致伸缩会带来磁性的偏移。这一领域值得付出比目前报道为止更多的研究。
器件的电阻也是一个重要得参数。在GMR材料中，电阻是器件的长度和宽度的函数，薄层方块电阻一般在2-20Ω/□范围，在这里，方块电阻个数为电阻的长宽比。对于非常小的器件(如内存和读出磁头)，仅仅为几个方阻。对于SDT器件，电阻范围在10-20Ω，另一方面，与器件面积成反比。典型的电阻率相当依赖于工艺参数，大小在104到109Ωμm2范围变化。即使电阻在这个范围的下限，也将会导致几平方微米的器件电阻达到104Ω，并且很容易获得几个数量级大的阻值。
SDT器件相对新颖，但它们的固有高灵敏度和高电阻率非常适合于一些应用。但它的两个
潜在的问题是：（1）施加的电压超过0.1V时，磁电阻会减小，在2V的电压下具有不可逆的破坏。（2）非常薄的沟道与高的温度之间不确定的稳定性。除此之外，高的电阻会导致大的RC时间常数，尤其是在高密度下需要小区域。
3.GMR材料的当前以及潜在应用
GMR和SDT材料具有不少当前以及潜在应用。已经公布的产品如磁场传感器和硬盘读出磁头。SDT材料显示了提高信噪比的应用前景，它可以将GMR传感器的应用范围扩展到非常小的磁场领域。一些公司（包括IBM）已经宣布开发出GMR硬盘读出磁头。在美国和欧洲有一些大的研究项目致力于开发GMR或者SDT非易失性随机读取存储器。一种衍生的GMR传感器可以隔离网络中的数字和模拟信号以保证数据完整并避免瞬间破坏系统中的其他元件。在这部分，分别按照将来应用依次讨论每种应用状态。
传感器——第一个商用化的GMR传感器是在1995年问世的，它采用的是多层膜GMR材料。屏蔽罩和流量集中器的使用使得采用饱和磁场200-300 Oe的GMR材料的传感器能工作在10-100Oe。
图1GMR电桥传感器芯片结构
图1所示为未封装的GMR传感器电桥芯片 结构。图2所示为一个GMR多层膜传感器的磁场响应曲线。传感器采用电流或电压驱动的惠斯通电桥结构。采用电流源驱动，电桥输出随温度增大以4%/100℃的速率减小。而在电压源供电情况下，输出下降速率几乎达到30%/100℃。这种差异是因为外加电阻，它以20%/100℃的速率增大，而GMR电阻以4%/100℃德速率减小。
图2 GMR多层膜的电阻和电桥输出与应用磁场的关系
图3所示的为一个数字式磁传感器，它包括一个电桥和集成电路，另为该图还显示了此传感
器芯片在磁场下的输出。输出的迟滞很大程度是因为芯片上的电路的设计迟滞。新的GMR角度位置传感器在1997年推出。
图3 数字传感器及其输出特性
GMR传感器的两类最大应用为：（1）使用辅助的永磁铁来测量铁质物体的位置或运动速度。（2）采用地磁场磁化铁质物体，以此测量铁质物体的位置或运动速度。第三个巨大的潜在的应用是电流测量，这将在本文的后面讲述。
在第一类应用中，必须要求物体的磁场比地磁场大，以免地磁场的干扰产生误差。对此，1
0 Oe的磁场已经足够。在超过100Oe的磁场下，霍尔传感器已经能够满足并且成本不算高。因此，这里讨论的实用的GMR传感器的应用磁场范围在10-100 Oe的范围。两种提高GMR材料的这种应用效果的方法是：（1）消除在工作磁场范围内所有可能产生的迟滞。（2）自偏置GMR,在磁场下，它的电阻可以双向改变。
对于检测地球磁场的扰动，或者地磁场自身（罗盘）的传感器，灵敏度（信号/磁场）和噪声都是关键的参数。SDT材料具有应用于低磁场的潜力（低于10-3Oe）。它具有20-25%的磁电阻变化率，并且如果合理的偏置，它能够输出与磁场成线性的信号且迟滞很小。尽管SDT材料的噪声测量没有被彻底完成，但是现有的资料表明SDT材料的噪声比同等条件GMR材料的小。这种低噪声、高灵敏度特性使得SDT传感器能够用于现有的磁电阻材料不能实现的低磁场测量领域。
读出磁头——新的GMR读出磁头产品是IBM公司推出的。在这里，自旋阀材料被刻蚀成条状，钉扎层的磁化方向沿着膜表面垂直于条状结构。图4显示了自旋阀读出磁头的结构。自旋阀条状结构与媒质的方向一致，以便探测存储的数据。
在过去的几年里，反铁磁层的材料已经有了相当大的改变了（例如IrMn,NiMn）。这样就
提高了自旋阀的磁场范围、工作和制造温度范围。此外，通过增加一层Ru薄膜以及其它铁磁层可以进一步提高温度特性和其他性能。
通过在设计磁头时缩小尺寸可以提高密度以符合工业需要。但是在一个非常狭小的空间消除磁效应是一个很大的挑战。例如，一个10nm转印板厚，0.25um宽的坡莫合金条，其中心具有接近200Oe的自消退磁场。而条的边缘，消磁效应可能将磁化方向钉扎在沿着边缘的方向。这使得邻近于条状边缘的磁化对磁场不敏感。边缘附近的交换耦合将会减小与边缘较近的材料的灵敏度，这种效应随着尺寸的缩小而更加严重。这些消磁效应限制了灵敏度，尽管更巧妙地技术可以改善消磁效应，线宽的不断缩小变得越来越难。
图4 自旋阀读出磁头的结构
一种减小水平自旋阀条状的消磁效应的方法是使磁性薄膜（包括非磁性中间层）变薄，以获得更高的GMR效应。这有助于提高电阻和信号水平（使电流密度变高）。
另外一种方法是减小磁层的磁化作用。这就提高了磁化强度和GMR之间的关系的基本问题。直观上，可以怀疑磁矩和GMR之间的关系是由自旋极化电子引起的。
另外一个有用的发展方向仍然是提高自旋阀灵敏度、减小交换耦合。再次强调，这会提出GMR与交换常数之间的基本关系问题。高GMR效应会不会与低铁磁耦合共存？一般认为，低的交换耦合会意味着低序化温度。在磁记录媒质中，这种问题已经被解决了。通过掺入晶粒边界减小晶粒之间的交换耦合，且晶粒间材料的性质。自旋阀中可不可以采用相似的方法？玻璃微电极
因为媒质中垂直于条状的磁场随于条状的垂直距离减小而快速减小，自旋阀靠近磁头外表面的部分对磁场很灵敏是非常重要的。快速减小是由于媒质磁场的本性，和条状两边的用于阻止读取邻近位数据的磁屏蔽罩。屏蔽罩材料厚且具有高的渗透性，因此创造一个低阻分流通道。
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Pohm提出一个降低消磁效应的具有潜力的方法是使用垂直条状结构。消磁问题减小了，但没有消除。这种配置的最好的GMR材料是最大化磁矩，以为传感器的媒质信号提供尽可能低的磁阻路径。如果实施这种方案的话，在制造或设计的过程中固定垂直条状的边缘也将是一个技术挑战。
MRAM——自旋阀、隧道结和伪自旋阀结构都可以应用于高密度非易失性随机存取存储器。采用GMR材料取代AMR材料显示可以改善MRAM技术中的一个难题——小信号水平导致的相对长的读取时间。
Honeywell第一个展示了采用 GMR材料制造的存储器芯片。信号线采用了近2μm的线宽。亚微米GMR存储单元需要一个改进的工作模式，而一个更有前景的方法是采用伪自旋阀结构。图5显示伪自旋阀的概念。两个磁层被一个薄的导电层隔开。这些层被刻蚀成足够窄的条状以使磁化方向沿着条状的易轴方向。导电层被刻蚀成线条状跨过条状以便电流通过。其中一个磁薄膜的开启磁场比另外一个小。这是由于两层膜的厚度或成分不同产生的。数据存储在磁化层中需要更大的磁场以完成翻转。软一点的薄膜在存储薄膜没有翻转的情况下可以前后翻转。如图6所示，磁阻读取数据是通过观察电阻在磁场从负到正翻转时
是否增大或减小来判断的。大部分可用的电阻范围可以从图中观察出来，数据0和1是两种相反的信号。
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