Optimisation des performances de capteurs de champ à base de jonctions tunnel magnétiques
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Magnetic field sensors based on magnetic tunnel junctions are a promising solution in the development of miniature low power devices. The performances of these sensors are highly dependent on the free layer dimensions and thus it’s magnetic state (macrospin/vortex). Crocus Technology, the industrial stakeholder of this thesis, has been designing some of the smallest TMR sensors for several years. Sensors at macrospin state, despite their good sensitivity, have a high noise level strongly degrading their ability to detect low magnetic fields, and an undesired hysteresis. This thesis takes place in this context of improving detectivity and reducing hysteresis. It focuses on the study of TMR sensors with a free layer at vortex state to take advantage of the low noise and reduced hysteresis expected for this magnetic state. The objective is to improve the performances of these TMR sensors by studying different dot shapes and magnetic stacks via micromagnetic simulations and electrical characterizations. The first results presented in this thesis concern the improvement of sensitivity without degradation of linearity for sensors based on non-circular dots; experiments confirm the validity of the solutions obtained by micromagnetic simulations. The second part of this work concerns the measure and study of noise and detectivity for different dot shapes and magnetic stacks. We show that noise and sensitivity are correlated and that noise is linked to grains at the interface with MgO tunnel barrier. In particular, we demonstrate that non-magnetic inserts improve detectivity. The third part of this work deals with hysteresis reduction in these sensors. Using micromagnetic simulations, we show that hysteresis can be controlled thanks to a cut at the dot edge. We also note that elliptical dots with a flat cut improve the measuring range. A residual hysteresis is however generated by the cut. An analytical model is then developed in order to confirm simulations results and to determine dots geometry leading to hysteresis suppression. Finally, the last part of this work deals with the suppression of the residual hysteresis via the magnetostatic interaction between neighbouring dots independently of their shape. An analytical model is developed but needs further improvements to confirm simulation results.
Abstract FR:
Les capteurs de champ magnétique à base de jonctions tunnel magnétiques constituent une solution prometteuse dans le cadre du développement de dispositifs miniatures de basse consommation. Les performances de ces capteurs dépendent fortement de l’état magnétique (macrospin ou vortex) et des dimensions de la couche libre. Crocus Technology entreprise partenaire de cette thèse conçoit depuis plusieurs années des capteurs à base de jonctions tunnel. Malgré leur très bonne sensibilité, les capteurs dont la couche libre est à l’état macrospin, présentent un bruit important, dégradant fortement la capacité à détecter des champs de faible amplitude, et une hystérèse, qui réduit la gamme de mesure. Les travaux de cette thèse se situent dans ce contexte d’amélioration de la détectivité et de réduction de l’hystérèse et sont consacrés à l’étude de capteurs dont la couche sensible est à l’état vortex en vertu du faible bruit et de l’hystérèse réduite générés par ces capteurs. L’objectif est d’améliorer les performances des capteurs à base de jonctions tunnel à l’état vortex en étudiant différentes formes de plots et différents empilements magnétiques via des simulations micromagnétiques et des caractérisations électriques. Les premiers résultats présentés portent sur l’amélioration de la sensibilité sans dégradation de la linéarité pour des capteurs à base de plots non circulaires et les solutions identifiées par simulations micromagnétiques sont vérifiées expérimentalement. La deuxième partie de ce travail concerne la mesure et l’étude du bruit dans ces capteurs pour différentes formes de plots et empilements magnétiques. On montre que la sensibilité et le bruit dans les capteurs sont corrélés et associés à la qualité de l’interface avec la barrière tunnel en MgO. Le rôle des inserts non-magnétiques pour améliorer la détectivité est démontré. La troisième partie de ce travail porte sur la suppression de l’hystérèse dans ces capteurs. On montre par simulations micromagnétiques que l’hystérèse est contrôlée grâce à une entaille au bord des plots. On montre également que des plots elliptiques avec méplat permettent d’augmenter la gamme de mesure. Une hystérèse résiduelle est néanmoins générée par la présence de l’entaille. On développe par la suite un modèle analytique permettant de confirmer les résultats de simulations et de déterminer les dimensions des plots et du méplat permettant de supprimer cette hystérésis. Finalement, la dernière partie de ce travail porte sur la suppression de l’hystérèse résiduelle via l’interaction magnétostatique entre plots voisins dans une matrice indépendamment de la forme du plot et de l’entaille. Un modèle analytique est développé pour étudier cette interaction mais il doit encore être amélioré afin de confirmer les résultats de simulations.