Ç} º þ u § כ Ž % iP c Ü R AlO x /Ni 81 Fe 19 4 ì Å ù p § P c t À W ¥ M ' [, f DZ n ɶ  ¥8 ý

ù m

Ç} º þ u § כ Ž  % iP c Ü R AlO ^x /Ni 81 Fe 19 4 ì Å ù p § P c t À W ¥  M ' [, f DZ n ɶ  ¥8 ý

° ‚

Ç% iP ; c   \ ¥  Ò ãÆ W ¥  M $ []  §R Ñ ÷ Q c t Æ W ¥ ± n ɶ  ¥$ []  §8 ý  Œ”  ô



™ »r )<  ^∗

Francis Bitter Magnet Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139 (2006¸   4 Z 4 26{ 9  ~ Ã Î6 £ §)

‘ :

r  7 Hë  H“ É r  ú ª“ É r r ç ß – (10œ í) 1 l x î ß – | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼ – Ð ³ ð€   % ƒo ô  Ç Ni

81

Fe

19

 ҄  F G`  ¦ ”    l '  V ,

] X ½ + Ë_  \ P % ƒo \    É r ] X ½ + Ë: £ ¤$ í _     o\  ¦ › ' a ¹ 1 Ï % i  . | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + ˓ É r | 9 ™ è % ƒo  î ß –  ) a l ï  r] X 

½

+ Ë ˜ Ð  ± ú “ É r  l $ † ½ Ó (MR)q ü < ± ú “ É r ] X ½ + Ë$ † ½ Ó`  ¦
 ? /% 3  . Õ ª Q
 230

^◦

C \ " f \ P % ƒo  Ê ê\  | 9 

™

è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë_   l $ † ½ Óq   H 18.7 % – Ð ° ú  “ É r “ : r • ¸\ " f \ P % ƒo ô  Ç l ï  r] X ½ + Ë_   l $ † ½ Óq  17.5 %ü <

q

“ §½ + É M : Ä » ô  Ç ° ú כÜ ¼– Ð † ¾ Ó © œ÷ &% 3 Ü ¼ 9, ] X ½ + Ë_  $ † ½ Ó(R)õ  €  & h (A)_  Y  L Ü ¼– Ð
 ? /  H RA ° ú כ“ É r 78 kΩµm

²

Ü ¼– Ð \ P % ƒo  „  _  RA ° ú כ“   100 kΩµm

²

˜ Ð  ± ú “ É r ° ú כs “ ¦ l ï  r] X ½ + Ë_  RA ° ú כ“   418 kΩµm

²

ü <

q

“ §½ + É M : ˜ Ð   s `›   ± ú “ É r ° ú כs  .   " f, s  Qô  Ç | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼ \  _ ô  Ç Â Ò Ni

⁸¹

Fe

19

8 £ x _  ³ ð€   % ƒ o

  H AlO

x

`  ¦ ] X ƒ  8 £ x Ü ¼– Ð  6   x   H  l ' V , ] X ½ + Ë\ " f MRq _  ’ < Hz  ´ \ O s  ] X ½ + Ë_  $ † ½ Ó`  ¦ ´ òõ & h Ü ¼– Ð

± ú

Ø  ¦ à º e ”   H ~ ½ ÓZ O s  .

PACS numbers: 73.40.Gk, 73.40.Rw, 73.43.Qt Keywords:  l ' V , ] X ½ + Ë,  l $ † ½ Ó

I. " e  ] Ø



l ' V , ] X ½ + ˓ É r q 6 fµ 1 Ï$ í  l B j— ¸o ™ è , “ ¦| 9 & h    l

$  © œ B ^ ‰_  o × ¼K ‰× ¼ü < ° ú  “ É r 6 £ x6   x _  ×  æ כ ¹$ í ÷  r ë ß –   m

  „        Û ¼— 2 ;\  _ ” > r   H ™ è    H 8 £ ¤€  \ " f õ

† < Æ& h  › ' a d ” `  ¦ Ô  ¦  Q{ 9 Ü ¼(  Ü ¼ 9, þ j   H Y >  ¸   1 l x î ß – ´ ú §“ É r ƒ  

½

¨ s À Ò# Q& ’  . “ ¦$ í 0 p x, “ ¦| 9 & h   l B j— ¸o  ™ è _  ½ ¨

‰

&

³`  ¦ 0 AK " f  H Z  }“ É r  l $ † ½ Ó (MR; magnetoresistace)q  ü

< ± ú “ É r ] X ½ + Ë$ † ½ Ó`  ¦ ° ú   H  l ' V , ] X ½ + Ës  כ ¹½ ¨  ) a  . : £ ¤ y

, ] X ½ + Ë_  $ † ½ Ó (R)õ  €  & h  (A)_  Y  L“   RA ° ú כ“ É r B j— ¸o 

™

è – Ð" f_  6 £ x6   x \  e ” # Q" f ’    ñ @ / ¸ ú š6 £ § q  (S/N; signal to noise ratio) ü < RC (Resistance Capacitor) r ç ß –  © œÃ º

\

 ¦   & ñ   H ×  æ כ ¹ô  Ç   à ºs   [1]. { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð 3 l q ³ ð– Ð 

“

¦ e ”   H RA ° ú כ“ É r  l B j— ¸o ™ è _  6 £ x6   x \  e ” # Q" f  H 10 kΩµm

²

s  s “ ¦, o × ¼K ‰× ¼_  6 £ x6   x \  e ” # Q" f  H 10 Ωµm

²

s

 s   [2]. ´ ú §“ É r ” ¸§ 4 [ þ t“ É r [3-6] RA ° ú כ`  ¦ à ºz   ¢ ¸  H à º Ωµm

²

– Ð ± ú Ø  ¦ à º e ”   H 0 p x ô  Ç ~ ½ ÓZ O [ þ t`  ¦ ˜ Г ¦ % i t ë ß –, s

 Qô  Ç ± ú “ É r $ † ½ Ó`  ¦ ° ú   H ] X ½ + Ë[ þ t“ É r þ j& h  o  ) a ] X ½ + Ë_  Z  }

“

É r MR q \  ¦ Ä »t ½ + É Ã º \ O % 3  .



l ' V , ] X ½ + Ë_  l ‘ : r ½ ¨› ¸  H ¿ º> h_  y © œ $ í 8 £ x  s \ 

· û

ª“ É r ] X ƒ  8 £ x s  ¶ ú š{ 9 ÷ &# Qe ”   H ½ ¨› ¸– Ð ½ ¨$ í ÷ &# Qe ” “ ¦, ] X 

∗

E-mail: [email protected]

½

+ Ë_  $ † ½ ӓ É r ] X ƒ  8 £ x _  7 á x À Óü < ¿ ºa \  _ ” > r >   ) a  . { 9  ì

ø Í& h Ü ¼– Ð q “ §& h  ~ 1 >  Z  }“ É r MR q \  ¦
 ? /  H ] X ƒ  8 £ x

“

É r AlO

x

s  9, ] X ½ + Ë_  $ † ½ Ó`  ¦ ± ú Æ Ò 9  H @ / Òì  r _  r • ¸  H

#

Œ Qt  í ß – o~ ½ ÓZ O `  ¦ : Ÿ x # Œ AlO

x

8 £ x`  ¦ ˜ Ð  · û ª“ ¦ (<

1 nm) ç  H{ 9  >  ë ß –× ¼  H X < | 9 ×  æ ÷ &% 3  . ˜ Ð    H‘ : r& h Ü ¼– Ð ] X

½ + Ë_  $ † ½ Ó`  ¦ ± ú Æ ҍ  H ~ ½ ÓZ O “ É r  ½ ™× ¼Ì “ s (band gap)s   Œ •

“ É

r Ó ü t| 9 `  ¦ ] X ƒ  8 £ x Ü ¼– Ð  6   x   H  כ s  . AlN_   ½ ™× ¼Ì “ s

“

É r 6.2 eV – Ð Al

²

O

3

ü < q “ § # Œ ± ú “ É r ° ú כ`  ¦ ° ú   H  . t  ë

ß – Al 8 £ x _  e  ¦  Ý ¼  | 9  o~ ½ ÓZ O “ É r d ” y Œ • õ & ñ `  ¦ 1 l x ì ø Í Ù ¼

–

Ð · û ª“ ¦ ç  H{ 9 ô  Ç ] X ƒ  8 £ x`  ¦ ë ß –× ¼  H X < # Q 9¹ ¡ § s  e ”   [7].

‘

: r  7 Hë  H \ " f  H  l ' V , ] X ½ + Ë_  y © œ $ í 8 £ x õ  ] X ƒ  8 £ x ç ß – _

 > €  \  | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼  % ƒo \    É r % ò † ¾ Óõ  | 9 ™ è % ƒ o

  ) a ] X ½ + Ë_  \ P % ƒo \    É r MR q _     oü < ] X ½ + Ë$ † ½ Ó_ 



  o\  ¦ · ú ˜ ˜ Ѐ Œ ¤ .  l ' V , ] X ½ + Ë_  | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼  % ƒ o

  H ] X ƒ  8 £ x`  ¦ Á ú ¢l  „  \  Â Ò „  F G“   Ni

81

Fe

19

³ ð€  \ 

| 9

™ è e  ¦  Ý ¼ \  ¦  ú ª“ É r r ç ß – 1 l x î ß – ¥ ¸# Œº ¡ § Ü ¼– Ð" f à º' Ÿ  

%

i  . | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + ˓ É r % ƒo  î ß –  ) a ] X ½ + Ëõ  q “ § # Œ

± ú

“ É r MR q ü < ± ú “ É r RA ° ú כ`  ¦ ˜ Ð% i  . Õ ª Q
 230

^◦

C \ " f

\ P

% ƒo  Ê ê\  | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë_  MRq   H | 9 ™ è % ƒo  î ß –

 )

a ] X ½ + Ë_  \ P % ƒo  Ê ê_  MRq ü < Ä » ô  Ç ° ú כÜ ¼– Ð  r4 Ÿ ¤ ÷ &

%

3 “ ¦, \ P % ƒo  Ê ê_  RA ° ú כ“ É r \ P % ƒo  „   ˜ Ð  ± ú “ É r ° ú כ`  ¦

˜

Ð% i  . s  Qô  Ç | 9 ™ è % ƒo \  ¦ : Ÿ x # Œ ] X ½ + Ë_  MRq _  ’ < H z 

´ \ O s  ± ú “ É r RA ° ú כ`  ¦ % 3 >  ÷ &  H  כ “ É r \ P % ƒo \  ¦ : Ÿ x # Œ

-51-

] X

ƒ  8 £ x î ß –Ü ¼– Ð | 9 ™ è_  Ä »{ 9 õ  ] X ƒ  8 £ x ? /\ " f í ß –™ èü < | 9 

™

è_  F C u \  _ ô  Ç   õ – Ð Ò q ty Œ •  ) a  .

II. ÷ m Ç ] M ö



l ' V , ] X ½ + Ë`  ¦ Si/SiO

2

(200 nm) _  l ó ø Í 0 A\  8 × 10

⁻⁸

Torr s  _  ”  / B N • ¸\  ¦ ”   dc ¢ ¸  H rf  Õ ªW 1à ԏ : r Û

¼( ' a A r Û ¼% 7 ›`  ¦ s 6   x # Œ  © œ“ : r \ " f 7 £ x ‚ Ã Ì % i  . Û ¼(  '

a A“ É r 5 mTorr _  · ú ˜Œ 4 H l ^ ‰ · ú š§ 4  \ " f à º' Ÿ  % i Ü ¼ 9 { 9

~ ½ Ó l s ~ ½ Ó$ í `  ¦ ë ß –[ þ t l  0 AK  300 Oe_   l  © œ`  ¦ l ó ø Í

\

 à º¨ î Ü ¼– Ð “   €  " f 7 £ x ‚ Ã Ì % i  . l ï  r] X ½ + Ë_  ½ ¨› ¸



 H Ta (10) / Ni

81

Fe

19

(14) / Fe

50

Mn

50

(10) / Ni

81

Fe

19

(6) / AlO

_x

/ Ni

₈₁

Fe

₁₉

(20) /Au (20) Ü ¼– Ð ½ ¨$ í ÷ &# Qe ” “ ¦, F ‹

c   ñ î ß –_  Õ ü w    H nm é ß –0 A\  ¦ ° ú   H y Œ •8 £ x _  ¿ ºa \  ¦
 



· p . AlO

x

] X ƒ  8 £ x“ É r 1.58 nm _  Al F K5 Å q 8 £ x`  ¦ { 9 ˜ 2 ³ Ê ê í ß

–™ è e  ¦  Ý ¼ \  ¦ s 6   x # Œ í ß – o r (   . í ß – o1 l x î ß – í ß –™ è l

^ ‰_  · ú š§ 4 “ É r 100 mTorr s “ ¦ 7 W_  f ” À ӄ  À Ó\  ¦  6   x

# Œ 2ì  r 1 l x î ß – à º' Ÿ  % i  . | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼  % ƒo   H Al 8 £ x

`

 ¦ Á ú ¢l  „   Ni

81

Fe

19

8 £ x _  ³ ð€  \  100 mTorr_  | 9 ™ èl 

^

‰ · ú š§ 4  \ " f 3.5 W_  f ” À ӄ  § 4 `  ¦  6   x # Œ 10œ í 1 l x î

ß – à º' Ÿ  % i  . | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + ˓ É r | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼ % ƒo  õ

& ñ `  ¦ ] jü @ “ ¦ l ï  r] X ½ + Ëõ  1 l x{ 9 ô  Ç ½ ¨› ¸\  ¦ t “ ¦ e ” 



. s # Q ] X ½ + Ë_  ß ¼l \  ¦ ½ ¨ì  r l  0 AK  Ÿ íž Ðo ™ èÕ ª x  (photolithography) ü < s “ : rx 9 a A (ion-milling) d ” y Œ • ~ ½ ÓZ O 

`

 ¦ s 6   x # Œ ¸ ú ˜ · ú ˜ 9”   self-align / B N& ñ `  ¦    à º' Ÿ  % i  Ü

¼ 9, ‘ : r  7 Hë  H \  æ ¼“   ] X ½ + Ë_  ß ¼l   H 10 × 20 µm

²

s  .

\ P

% ƒo   H 5 × 10

⁻⁶

Torr _  ”  / B N \ " f à º' Ÿ  % i Ü ¼ 9, \ P 

%

ƒo  1 l x î ß – ] X ½ + Ë_    o6   x s  » ¡ ¤ \  ¨ î ' Ÿ  >  150 Oe_    l

 © œ`  ¦ “   % i  . \ P % ƒo   H 230

^◦

C \ " f y Œ •y Œ • 30 ì  r 1 l x î

ß – à º' Ÿ ô  Ç Ê ê, …  ;…  ;y  Í ‰ ty Œ •   H í  H " f– Ð ”  ' Ÿ  % i  . ] X 

½

+ Ë_  — ¸Ž  H „  l & h  : £ ¤$ í “ É r  © œ“ : r \ " f f ” À Ó  é ß – Z O `  ¦ s  6

 

x # Œ 8 £ ¤& ñ % i Ü ¼ 9, MR“ É r 10 mV _  { 9 & ñ ô  Ç „  · ú š \ 

"

f 8 £ ¤& ñ % i  .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í ‚ º8 ý

Fig. 1(a) ü < 1(b)  H | 9 ™ è% ƒo  î ß –  ) a l ï  r] X ½ + Ëõ  10œ í 1 l x î

ß – | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë_  \ P % ƒo  „  õ  230

^◦

C \ " f \ P % ƒo  Ê

ê_  ü @ Ò l  © œ\    É r MR / B G‚  _     o\  ¦
  · p .

MR q   H MR = (Rap- Rp)/ Rp Ü ¼– Ð & ñ _  % i “ ¦ Rap  H

“

¦& ñ 8 £ x (pinned layer) “   Â Ò Ni

⁸¹

Fe

19

õ   Ä »8 £ x (free layer) “    © œÂ Ò Ni

⁸¹

Fe

19

ç ß –_   l › ¸½ + Ës  ì ø Í ¨ î ' Ÿ { 9  M : _

 $ † ½ Ó`  ¦
 ? /“ ¦, Rp  H ¨ î ' Ÿ { 9  M :_  $ † ½ Ó`  ¦
  · p

Fig. 1. Tunneling resistance vs applied magnetic field in plane for (a) Ni

81

Fe

19

/AlO

x

/Ni

81

Fe

19

normal junc- tion and (b) nitrogen-treated junction before and after thermal annealing.



. ¢ ¸ô  Ç RA ° ú כ“ É r Rp\  ¦ l ï  r Ü ¼– Ð & ñ _  % i  . \ P % ƒo  „   _

 l ï  r] X ½ + Ë_  MRq   H 14 % s t ë ß – | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼  % ƒo 

 )

a ] X ½ + ˓ É r 10 œ í 1 l x î ß –_   ú ª“ É r % ƒo \ • ¸ Ô  ¦ ½ ¨ “ ¦  Å Ò ± ú 

“

É r MR q “   6.6 %\  ¦ ˜ Ð% i  . t ë ß – 230

^◦

C \ " f \ P % ƒo  Ê

ê\  l ï  r] X ½ + Ë_  MRq   H 14 % \ " f 17.5 % t  7 £ x ô  Ç ì

ø ̀   1 l x{ 9 ô  Ç \ P % ƒo \    É r | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë_  MRq 



 H ˜ Ð  ß ¼>  7 £ x  # Œ l ï  r] X ½ + Ë_  \ P % ƒo  Ê ê_  MRq  ü

< Ä » ô  Ç 18.7 %\  ¦ ˜ Ð% i  .

l

ï  r] X ½ + Ë_  \ P % ƒo  „  _  RA ° ú כ“ É r 390 kΩµm

²

s “ ¦, \ P 

%

ƒo  Ê ê\   H 7 £ x  # Œ 418 kΩµm

²

\  ¦ ˜ Ð% i  . | 9 ™ è % ƒo 

 )

a ] X ½ + Ë_  \ P % ƒo  „   RA ° ú כ“ É r kΩµm

²

Ü ¼– Ð l ï  r] X ½ + Ë_  390 kΩµm

²

˜ Ð  ± ú “ É r ° ú כ`  ¦ ° ú   H  .  8¹ ¡ ¤ s  230

^◦

C \ " f

\ P

% ƒo  Ê ê\   H 78 kΩµm

²

Ü ¼– Ð d ” t # Q \ P % ƒo  „  _  $ † ½ Ó

˜

Ð   Œ •“ É r RA ° ú כ_  y Œ ™™ è\  ¦ ˜ Г   . { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð \ P % ƒo 

\

   É r ' V , ] X ½ + Ë_  ] X ½ + Ë$ † ½ Ó_  y Œ ™™ è  H F K5 Å q" é ¶ ™ è ] X 

ƒ

 8 £ x Ü ¼– Ð S X ‰ í ß –\  _ K 
 
 9 MRq _  y Œ ™™ è\  ¦ 4 Rš ¸

>

  ) a   [8,9]. t ë ß – 230

^◦

C _  \ P % ƒo  “ : r • ¸  H F K5 Å q" é ¶ ™ è

Table 1. Summary of Simmons’ fitting results for the I-V data in Fig. 2; f: barrier height, d: barrier width, +: positive voltage bias, -: negative voltage bias.

φ

+

(eV) d

+

(nm) φ

−

(eV) d

−

(nm) ∆φ (eV) = |φ

+

- φ

−

|

As-grown junction 1.55 1.16 1.66 1.13 0.11

Annealed junction at 230

^◦

C 2.23 0.98 2.17 0.99 0.06

_

 S X ‰ í ß –s  ] X ƒ  8 £ x Ü ¼– Ð { 9 # Q± ú ˜ ë ß –
p u Z  }“ É r “ : r • ¸  m  9, MR q  ¢ ¸ô  Ç \ P % ƒo  „  ˜ Ð  y Œ ™™ è t · ú §“ ¦ €  • 3C & ñ • ¸ 7 £ x

 % i  . s  Qô  Ç \ P % ƒo \    É r ] X ½ + Ë$ † ½ Ó_  y Œ ™™ èü < MR q

_  7 £ x   H | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼  % ƒo \  _ K  ŠҖ Ð Ni

⁸¹

Fe

19

8

£

x õ  AlO

^x

8 £ x > €  \  ì  r Ÿ í “ ¦ e ” ~   | 9 ™ è_  ì  r Ÿ í \ P 

%

ƒo \  ¦ : Ÿ x ô  Ç F ì  r Ÿ í– Ð s K  | ¨ c à º e ”  . \ P % ƒo  „  _  | 9 

™

è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë_  RA ° ú כs  l ï  r] X ½ + ˘ Ð  ± ú “ É r  כ Ü ¼– Ð

^

 ¦ M :, | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼  % ƒo \  _ ô  Ç Ni

₈₁

Fe

19

“ ¦& ñ 8 £ x ³ ð€   _

 | 9 ™ è  H Al F K5 Å q8 £ x s  { 9 ) €| 9  M :  Òì  r& h Ü ¼– Ð > €  \ " f AlN + þ A$ í \  l # Œ   H  כ Ü ¼– Ð Ò q ty Œ •  ) a  . ¢ ¸ô  Ç 230

^◦

C _ 

\ P

% ƒo ü < † < Êa  ˜ Ð  > €  \ " f_  | 9 ™ è[ þ t s  AlO

x

8 £ x Ü ¼– Ð Ä

»{ 9 ÷ &“ ¦ í ß –™ èü < † < Êa  F ì  r Ÿ í ÷ &# Q AlO

^x

N

y

ü < ° ú  “ É r + þ A I

– Ð Z  }“ É r MR q ü < ± ú “ É r RA ° ú כ`  ¦
 ? /  H þ j& h  o  ) a

| 9

™ è_  ì  r Ÿ í\  ¦ s À ҍ  H  כ Ü ¼– Ð Ò q ty Œ •  ) a  . s  Qô  Ç \ V © œ“ É r AlN (-76kcal/mol) _  + þ A$ í \  € 9 כ ¹ô  Ç  ' p» 1 Ïx  (enthalpy)

Ni

81

Fe

19

³ ð€  \  + þ A$ í | ¨ c à º e ”   H FeN

4

(-2.5 kcal/mol) ¢ ¸



 H Ni

3

N (0.2 kcal/mol) ü < ° ú  “ É r „  _ F K5 Å q _  | 9  oÓ ü t _   ' p

» 1

Ïx ˜ Ð  ± ú “ É r \ P % i † < Æ& h    õ – Ð ^  ¦ M :  { © œ$ í `  ¦ ° ú   H  .

Fig. 2  H | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë_  \ P % ƒo  „  õ  Ê ê_  „  À Ó-

„

 · ú š (I-V) / B G‚  _     o\  ¦
  · p . ¿ º   õ  — ¸¿ º „  · ú š s

 7 £ x † < Ê\     „  À Ó q ‚  + þ A& h Ü ¼– Ð 7 £ x    H „  À Ó-

„

 · ú š / B G‚  `  ¦ ˜ Ðs “ ¦ e ” Ü ¼ 9, \ P % ƒo  „  _  ] X ½ + Ë\  q K  \ P 

Fig. 2. Current-voltage (I-V) characteristic curve for nitrogen-treated junction before and after thermal an- nealing. Solid lines indicate Simmons’ fitting results. In- set: x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) intensity of nitrogen 1s for nitrogen-treated and untreated normal junctions without free (Ni

81

Fe

19

) and capping (Au) lay- ers.

%

ƒo  Ê ê_  ] X ½ + Ë_  $ † ½ Ós  ± ú  4 R e ” 6 £ §`  ¦ S X ‰ “   ½ + É Ã º e ”  .

Fig. 2 î ß –_  ¶ ú š{ 9  ) a Õ ªa Ë >“ É r \ P % ƒo  „  _  | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë õ

 % ƒo ÷ &t  · ú §“ É r l ï  r] X ½ + Ë_  XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) _  | 9 ™ è (N) 1s\  › ' a ô  Ç Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 s  . l ï  r ] X

½ + Ëõ   H ² ú ˜o  | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + ˓ É r 398 eV õ  396 eV   s

_  binding energy\ " f Alõ  Ni

⁸¹

Fe

19

_  > €  \ " f | 9 

™

è_    ½ + Ë\  _ ô  Ç i ”  (peak)`  ¦ S X ‰ “   % i  . Fig. 2_  I- V   õ – РÒ'  ] X ƒ  8 £ x _  Z  } s  (φ: barrier height)ü < ] X ƒ   8

£

x _  ; Ÿ ¤ (d: barrier width)`  ¦ · ú ˜ ˜ Ðl  0 A # Œ Simmons [10]  ] jî ß –ô  Ç — ¸4 S q`  ¦ s 6   x # Œ Æ Ò& ñ % i “ ¦   õ \  ¦ Table 1 \ 
 ? /% 3  . | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë_  \ P % ƒo  „   ] X ½ + Ë_ 

€

ª œ„  · ú š\ " f_  ] X ƒ  8 £ x _  Z  } s  φ

+

  H 1.54 eV s “ ¦ 6 £ §„  · ú š

\

" f_  φ

−

  H 1.66 eV s  . \ P % ƒo  Ê ê\   H € ª œA á ¤ „  · ú š\ 

"

f — ¸¿ º 7 £ x  # Œ φ

+

  H 2.23 eV s “ ¦ φ

−

  H 2.17 eV s  .

NiFe/AlO

x

/NiFe l ï  r] X ½ + Ë_  \ P % ƒo  „   φ ° ú כ“ É r · ú ˜ 94 R e ”

  H ° ú כ [11]õ  Ä » ô  Ç 2.37 eV– Ð | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë\ " f φ ° ú כ“ É r \ P % ƒo  „   ÷  r ë ß –  m   Ê ê\ • ¸ l ï  r ] X ½ + Ë_  ° ú כ˜ Ð



 ± ú “ É r ° ú כ`  ¦ S X ‰ “   ½ + É Ã º e ” % 3  . ¢ ¸ô  Ç | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë _

 \ P % ƒo  „   ∆φ(∆φ = /φ

₊

- φ

₋

/) ° ú כ“ É r 0.11 eV – Ð € ª œ A

á

¤ „  · ú š\ " f_  φ  H q @ /g A`  ¦ ˜ Ð% i t ë ß – \ P % ƒo  Ê ê\ 



 H 0.06 eV – Ð ± ú  4 R q “ §& h  @ /g A& h “     õ \  ¦ % 3 % 3  . s 

 

õ   H AlN _   ½ ™× ¼Ì “ ss  Al

²

O

3

_   ½ ™× ¼Ì “ s ˜ Ð   Œ •6 £ §`  ¦ “ ¦

Fig. 3. Normalized bias voltage dependence of magne- toresistance (MR) for nitrogen-treated junction before and after thermal annealing. A dashed line indicates 50

% reduction points for maximum MR.



9½ + É M : | 9 ™ è Al 8 £ x Ü ¼– Ð Ä »{ 9 ÷ &# Q ô  ÇA á ¤ > €  \ ë ß – ŠҖ Ð ì

 r Ÿ í÷ &# Q e ”   \ P % ƒo \  ¦ : Ÿ x # Œ í ß –™ èü < † < Êa  F ì  r Ÿ í

÷

&# Q e ” 6 £ §`  ¦ ˜ Ð# ŒÅ ғ ¦ e ”  .

Fig. 3“ É r | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X ½ + Ë_  230

^◦

C \ " f \ P % ƒo  „   õ

 Ê ê_  V ≈ 0\ " f_  MR ° ú כÜ ¼– Ð l ï  r  o  ) a MR q _ 

„

 · ú š\    É r    o\  ¦
 ? /% 3  . MRs  þ j“ ¦ ° ú כ_  ì ø Í Ü

¼– Ð b  # Qt   H & h _  „  · ú š`  ¦ V

1/2M R

– Ð & ñ _  % i  .  Â

Ò Ni

81

Fe

19

8 £ x ³ ð€  _  | 9 ™ è% ƒo   H MR q  ÷  r ë ß –  m   MR _  „  · ú š\    É r    o\   t • ¸ € Œ • % ò † ¾ Ó`  ¦ p • 2 ; .

Fig. 3 î ß –\   H
 ? /t  · ú §€ Œ ¤t ë ß – \ P % ƒo  „  _  l ï  r] X ½ + Ë _

 V

1/2M R

  H €  • 350 mV_  ß ¼l s “ ¦ € ª œA á ¤ „  · ú š\ " f q 

“

§& h  @ /g A& h “   ° ú כ`  ¦ ° ú   H  . t ë ß – fig. 3_  | 9 ™ è % ƒo   ) a ] X

½ + Ë_  V

1/2M R

“ É r 6 £ § „  · ú š\ " f 300 mV s “ ¦ € ª œ „  · ú š\ 

"

f 254 mV– Ð q  @ /g A& h “   MR_  „  · ú š _ ” > r$ í `  ¦ ˜ Г   .

ì

ø ̀  \  230

^◦

C \ " f \ P % ƒo  Ê ê\   H 6 £ § „  · ú šõ  € ª œ „  · ú š\ 

"

f V

1/2M R

s  y Œ •y Œ • 322 mVü < 465 mV– Ð 7 £ x  % i  . s 



Qô  Ç | 9 ™ è% ƒo – Ð “  K  ˜ Ð  ± ú “ É r € ª œ„  · ú š_  V

1/2M R

° ú כs 

\ P

% ƒo – Ð “  K  / å L  y  † ¾ Ó © œ H † d`  ¦ ˜ Ðe ” “ É r  À » é ß –| à Ì\ " f ƒ   /

å LÙ þ ¡~   > €  \  ” > r F  ~   | 9 ™ è \ P % ƒo \  ¦ : Ÿ x K  F ì  r Ÿ í

 )

a    H Šҁ © œõ  { 9 › ' a$ í `  ¦ ° ú   H  .

IV. + s Ç Â ] Ø

 

 : r& h Ü ¼– Ð Â Ò “ ¦& ñ 8 £ x _  ³ ð€  \  @ /ô  Ç | 9 ™ è e  ¦  Ý ¼



 % ƒo   H  Å Ò Â ú ª“ É r r ç ß –“   10œ í 1 l x î ß –e ” \ • ¸ Ô  ¦ ½ ¨ “ ¦ l

ï  r] X ½ + Ëõ  q “ §½ + É M : ± ú “ É r RA ° ú כ`  ¦ ˜ Ð% i Ü ¼ 9  l ' V ,  ] X

½ + Ë_  6 £ x6   x \ " f ×  æ כ ¹ô  Ç : £ ¤$ í “   MRq , V

1/2M R

1 p x`  ¦ d ”  y

Œ

• >  € Œ • or †   . t ë ß – \ P % ƒo  Ê ê\  ] X ½ + Ë_  : £ ¤$ í s  ß

¼>  † ¾ Ó © œ H † d`  ¦ › ' a ¹ 1 Ï % i  . 230

^◦

C \ " f \ P % ƒo  Ê ê\  | 9 

™

è % ƒo   ) a ] X ½ + ˓ É r 18.7 % _  Z  }“ É r MR q ü < 78 kΩµm

²

_ 

\ P

% ƒo  „  ˜ Ð • ¸ ± ú “ É r RA ° ú כ Õ ªo “ ¦ V

1/2M R

° ú כ• ¸ ß ¼>  7

£

x † < Ê`  ¦ ˜ Ð% i  . s  Qô  Ç ‰ & ³ © œ“ É r ] X ƒ  8 £ x õ  y © œ $ í 8 £ x > 

€

 \  e ” ~   | 9 ™ è_  S X ‰ í ß –Ü ¼– Ð “  K  AlO

^x

] X ƒ  8 £ x \ " f_  í ß –

™

èü < | 9 ™ è_  F ì  r Ÿ í\  _ ô  Ç   õ – Ð Ò q ty Œ •  ) a  .   " f | 9 

™

è e  ¦  Ý ¼  % ƒo  ~ ½ ÓZ O “ É r AlO

x

\  ¦ ] X ƒ  8 £ x Ü ¼– Ð  6   x   H



l ' V , ] X ½ + Ë\ " f ± ú “ É r ] X ½ + Ë$ † ½ Ó`  ¦ % 3 `  ¦ à º e ”   H ´ òõ 

&

h “   ~ ½ ÓZ O s “ ¦ \ P % ƒo \  ¦ : Ÿ x # Œ ± ú “ É r ] X ½ + Ë$ † ½ Ó`  ¦ Ä »t 

€  " f Z  }“ É r MR q \  ¦ % 3 `  ¦ à º e ”   H ~ ½ ÓZ O s  .

P

c p 8 ý ò k >

s

  7 Hë  H“ É r ô  Dz D G õ † < ÆF é ß –_  K ü @ Post-doc. ƒ  à ºt " é ¶

\

 _  # Œ ƒ  ½ ¨÷ &% 3 6 £ §.

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] R. C. Sousa, T. T. Galvao, J. J. Sun, and P. P. Fre- itas, IEEE international conference 2, 327 (1998).

[2] P. P. Freitas, S. Cardoso, R. C. Sousa, W. Ku, R.

Ferreira, V. Chu, and J. P. Conde, IEEE Trans.

Magn. 36, 2796 (2000).

[3] J. J. Sun, K. Shimazawa, N. Kasahara, K. Sato, T.

Kagami, S. Saruki, S. Araki and M. Matsuzaki, J.

Appl. Phys. 89, 6653 (2001).

[4] J. R. Childress, M. M. Schwickert, R. E. Fontana, M. K. Ho, P. M. Rice, and B. A. Gurney, J. Appl.

Phys. 89, 7353 (2001).

[5] Z. G. Zhang, P. P. Freitas, A. R. Ramos, N. P. Bar- radas, and J. C. Soares, Appl. Phys. Lett. 79, 2219 (2001).

[6] J. Wang, P. P. Freitas, and E. Snoeck, Appl. Phys.

Lett. 79, 4553 (2001).

[7] P. Shang, A. K. Petford-Long, J. H. Nickel, M.

Sharma, and T. C. Anthony, J. Appl. Phys. 89, 6874 (2001).

[8] R. C. Sousa, J. J. Sun, V. Soares, P. P. Freitas, A.

Kling, M. F. da Silva, and J. C. Soares, J. Appl.

Phys. 85, 5258 (1999).

[9] S. Cardoso, P. P. Freitas, C. de Jesus, P. Wei, and J. C. Soares, Appl. Phys. Lett. 76, 610 (2000).

[10] J. G. Simmons, J. Appl. Phys. 34, 1793 (1963).

[11] M. Sharma, J. H. Nickel, T. C. Anthony, and S. X.

Wang, Appl. Phys. Lett. 77, 2219 (2000).

Annealing Effects of a Magnetic Tunnel Junction with a Nitrogen-Treated AlO _x /Ni ₈₁ Fe ₁₉ Interface

Heejae Shim

^∗

Francis Bitter Magnet Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139 (Received 26 April 2006)

We investigated the physical properties of a magnetic tunnel junction with a bottom Ni

81

Fe

19

pinned layer exposed to a nitrogen plasma for a short time (10 s). The nitrogen-treated junction shows a lower magnetoresistance (MR) ratio and junction resistance than the untreated normal junction. However, the junction properties of the nitrogen-treated junction are highly improved upon thermal annealing. After annealing at 230

^◦

C, the improved MR ratio (18.7 %) of the nitrogen- treated junction is similar to that the one (17.5 %) of a normal junction while the resistance times area (RA = 78 kΩµm

²

) remains keeps much lower than that (RA = 418 kΩµm

²

) of a normal junction. Nitrogen plasma treatment at the AlO

x

/Ni

81

Fe

19

interface is found to be an effective way to fabricate a low-RA junction without lowering the MR ratio.

PACS numbers: 73.40.Gk, 73.40.Rw, 73.43.Qt

Keywords: Magnetic tunnel junction, Magnetoresistance

∗

E-mail: [email protected]