Elaboration et étude de jonctions tunnel magnétiques NiO/Co/Al2O3/Co

Fabrication and study of magnetic tunnel junctions NiO/Co/Al2O3/Co

• Auteur / Autrice : Baye Boucar Diouf
• Direction : Jean-François Bobo, André Fert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique

Magnétorésistance

Lithographie

Effet tunnel

Ferromagnétisme

Antiferromagnétisme

Mots clés libres

Masque de contact

Polarisation de spin

Résumé

Cette thèse préparée au LPMC s'inscrit dans le cadre de la recherche aujourd'hui très active en Electronique de Spin. Les jonctions tunnel à forte magnétorésistance (TMR) à température ambiante sont trés prometteurs pour des applications telles que des MRAM ou des têtes de lecture de disques durs, ceci dans un futur relativement proche. Plusieurs objectifs majeurs ont été atteints dans ce travail en combiant sputtering et masques de contact ou lithographie pour la fabrication des dispositifs et pour leur caratérisation, des mesures de transport, de magnétorésistance, la magnétométrie MOKE, la microscopie Kerr et des études en HREM. Le point fondamental pour assurer le transport électrique par effet tunnel est la maîtrise de la fabrication de barrière tunnel, ici Al2O3 ou aussi MgO et NiO, ou une combinaison de ces matériaux. L'épaisseur des barrières fines et continues est comprise entre 10 et 20 Å. L'étude du couplage d'échange entre l'antiferromagnétique NiO et le ferromagnétique Co et de l'influence des conditions de dépôt des couches sur leurs propriétés magnétiques ont permis d'avoir un contrôle des anisotropies uniaxiale et unidirectionnelle des bicouches NiO/Co utilisées comme électrode dure de la jonction tunnel et de mettre en évidence les épaisseurs convenables pour un bon compromis aimantation rémanente/champ coercitif. Ceci afin d'assurer une configuration magnétique parfaitement antipallèle des électrodes une fois la jonction tunnel constituée, l'électrode douce étant une couche de cobalt seule. Ces solides études de base ont permis la réalisation sur substrat de verre des jonctions tunnel NiO/Co/Al2O3/Co étudiées, leur réponse magnétorésistive est parfaitement contrôlée et avec une amplitude pouvant atteindre plus de 20% à température ambiante, ce qui est pratiquement le maximum que l'on puisse obtenir avec des électrodes de Co dont la polarisation de spin est d'environ 33%. Sur le plan théorique nous avons réalisé un modèle décrivant les mécanismes de la TMR, ce modèle simple et réaliste s'inspire de la première expérience (Stern et Gerlach) mettant en évidence la quantification du moment de spin de l'électron

This thesis prepared in LPMC at INSA Toulouse is done in the framework of the active research field of spin electronic. Magnetic tunnel junctions with high TMR signal are competitive components for read heads or MRAM. Many objectives have been touched in this work. We have combined sputtering and shadow mask or lithography technology to fabricate or samples and their characterization was done using transport and magneto-transport measurements, MOKE magnetometry, Kerr microscopy and HREM studies. The key point to achieve electrical transport by tunnelling effect is the control of the barrier fabrication, we made Al2O3, MgO, NiO barriers or a combination of these materials, using natural oxidation. The thickness of the thin and continuous barriers is between 10 and 20 Å. The study of exchange coupling between the antiferromagnetic material NiO and the ferromagnetic material Co and the consideration of the influence of the fabrication conditions of the thin films leaded to control the uniaxial and unidirectional anisotropies in the bilayers NiO/Co used as hard electrode in the tunnel junction. We have determinate convenient thickness for a good compromise between remnant magnetization and coercive field. So a perfect antiparallel configuration can be obtained, the soft electrode being a film of Co of 100 Å thickness. These fundamental studies permitted to fabricate NiO/Co/Al2O3/Co magnetic tunnel junctions on float glass substrates. Their TMR response is perfectly controlled and can touched more than 20% at room temperature, this corresponds almost to the maximum possible with Co electrode if we refer to the 33% spin polarisation of cobalt. We also propose a simple and realistic model describing TMR mechanism, this model is based on the on the first experiment (Stern and Gerlach) proving the quantification of the electron intrinsic momentum