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Matthias Clemens Mühlenhoff

• Magnetoresistive (xMR) sensors find extensive application in science and industry, replacing Hall sensors in various low magnetic field environments. While there have been some efforts in increasing the dynamic magnetic field range of xMR sensors, Hall sensors remain to dominate high field applications. In this thesis, the implementation of perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in xMR sensors is proposed, in order to increase the magnetic field range of xMR technology from a few hundred Oe to several kOe. The here developed devices cover the gap between established xMR and Hall effect based sensors in terms of their tradeoff in sensitivity and magnetic field range. Through a dominant PMA in either the xMR reference layer (RL) or free layer (FL), the respective layer's magnetic easy axis is oriented out-of-plane (OOP), while that of the other layer is in-plane (IP). Thereby, high magnetic anisotropy fields and magnetic field ranges are realized. First, the PMA RL concept isMagnetoresistive (xMR) sensors find extensive application in science and industry, replacing Hall sensors in various low magnetic field environments. While there have been some efforts in increasing the dynamic magnetic field range of xMR sensors, Hall sensors remain to dominate high field applications. In this thesis, the implementation of perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in xMR sensors is proposed, in order to increase the magnetic field range of xMR technology from a few hundred Oe to several kOe. The here developed devices cover the gap between established xMR and Hall effect based sensors in terms of their tradeoff in sensitivity and magnetic field range. Through a dominant PMA in either the xMR reference layer (RL) or free layer (FL), the respective layer's magnetic easy axis is oriented out-of-plane (OOP), while that of the other layer is in-plane (IP). Thereby, high magnetic anisotropy fields and magnetic field ranges are realized. First, the PMA RL concept is investigated, where the PMA is generated at the interfaces of Co/Pt multilayers. The multilayers are optimized for high PMA, which includes several fabrication parameters, such as seed layer structure and layer thicknesses. To serve as a magnetically stable reference system, the multilayers are coupled via interlayer exchange coupling, forming perpendicular synthetic antiferromagnets (p-SAFs). These are improved for high field stability and the concept of a double p-SAF is explored, which yields higher exchange fields of up to 10 kOe at room temperature. The magnetization reversal behavior of p-SAFs is investigated and modeled using micromagnetic simulations. Strong spin-canting effects are found to dominate at high magnetic fields. Furthermore, giant magnetoresistance (GMR) and anisotropic magnetoresistance (AMR) effects are studied in stacked p-SAF structures. A simple model is proposed that accurately reproduces the measured transfer curves. It is found that the GMR increases linearly with the number of Ru spacer layers, whereas the AMR has layer thickness dependent and independent contributions. The p-SAF structures are then used for the development of GMR sensors with OOP field sensitivity and high dynamic field ranges. While the optimized p-SAFs enable GMR sensor field ranges up to 9 kOe, an introduced magnetic anisotropy control of different FL systems allows sensor customization for magnetic field range and sensor sensitivity. Tunnel magnetoresistance (TMR) sensors on wafer level are fabricated and characterized in terms of sensitivity, hysteresis, and non-linearity. The influence of various fabrication parameters, such as post annealing temperature and magnetic layer thicknesses, is studied. Thereafter, TMR sensors with an IP reference system and OOP FL concept are designed and investigated, where the PMA stems from spin-orbit hybridization at the interface of CoFeB/MgO bilayers. Sensors with PMA FLs in superparmagnetic and ferromagnetic states are fabricated and put in comparison. The influence of post annealing temperature, capping layer, free layer thickness, CoFeB composition and measurement temperature is studied. While ferromagnetic FLs yield greater sensitivities, their effective magnetic anisotropy is also found to be highly temperature dependent. Finally, the developed PMA sensors are compared to established technologies, i.e. Hall effect based sensors, as well as magnetic shape anisotropy and vortex anisotropy xMR sensors. The conclusions drawn from the previous chapters are taken into account to map PMA sensors in the sensitivity/magnetic range spectrum, and to identify their advantages and disadvantages for application purposes. The PMA application in a magnetic angle sensor is presented, which yields smaller angle errors at low magnetic fields than a conventional TMR angle sensor.…
• Magnetoresistive (xMR) Sensoren finden umfangreiche Anwendung in Wissenschaft und Industrie und ersetzen Hall-Sensoren in verschiedenen Umgebungen niedriger Magnetfelder. Obwohl einige Anstrengungen unternommen wurden, um den dynamischen Magnetfeldbereich von xMR-Sensoren zu erhöhen, dominieren Hall-Sensoren weiterhin in Hochfeldanwendungen. In dieser Arbeit wird die Implementierung von senkrechter magnetischer Anisotropie (perpendicular magnetic anisotropy, PMA) in xMR-Sensoren für die Erhöhung des Magnetfeldbereichs der xMR-Technologie von einigen hundert Oe auf mehrere kOe vorgestellt. Die hier entwickelten Bauteile schlieBen die Lücke zwischen etablierten xMR und Hall-Effekt basierten Sensoren hinsichtlich ihres Kompromisses zwischen Empfindlichkeit und Magnetfeldbereich. Durch eine dominante PMA in der xMR Referenzschicht (RL) oder der freien Schicht (FL) ist die magnetische Vorzugsachse der jeweiligen Schicht außerhalb der Ebene (out-of-plane, OOP) ausgerichtet, während die derMagnetoresistive (xMR) Sensoren finden umfangreiche Anwendung in Wissenschaft und Industrie und ersetzen Hall-Sensoren in verschiedenen Umgebungen niedriger Magnetfelder. Obwohl einige Anstrengungen unternommen wurden, um den dynamischen Magnetfeldbereich von xMR-Sensoren zu erhöhen, dominieren Hall-Sensoren weiterhin in Hochfeldanwendungen. In dieser Arbeit wird die Implementierung von senkrechter magnetischer Anisotropie (perpendicular magnetic anisotropy, PMA) in xMR-Sensoren für die Erhöhung des Magnetfeldbereichs der xMR-Technologie von einigen hundert Oe auf mehrere kOe vorgestellt. Die hier entwickelten Bauteile schlieBen die Lücke zwischen etablierten xMR und Hall-Effekt basierten Sensoren hinsichtlich ihres Kompromisses zwischen Empfindlichkeit und Magnetfeldbereich. Durch eine dominante PMA in der xMR Referenzschicht (RL) oder der freien Schicht (FL) ist die magnetische Vorzugsachse der jeweiligen Schicht außerhalb der Ebene (out-of-plane, OOP) ausgerichtet, während die der anderen Schicht in der Ebene (in-plane, IP) liegt. Dadurch werden hohe magnetische Anisotropiefelder und magnetische Feldbereiche realisiert. Zunächst wird das Konzept des PMA RL untersucht, bei welchem die PMA an den Grenzflächen von Co/Pt-Multilagen erzeugt wird. Die Multilagen sind für eine hohe PMA optimiert. Diese Optimierung umfasst mehrere Herstellungsparameter, wie z.B. Saatschichtstruktur und Schichtdicken. Um als magnetisch stabiles Referenzsystem zu dienen, werden die Multilagen über eine Zwischenschichtaustauschwechselwirkung gekoppelt und zu senkrechten synthetischen Antiferromagneten (perpendicular synthetic antiferromagnets, p-SAFs) gebildet. Diese werden für eine hohe Feldstabilität verbessert und das Konzept eines doppelten p-SAF wird untersucht, welcher höhere Austauschfelder von bis zu 10 kOe bei Raumtemperatur erreicht. Das Magnetisierungsumkehrverhalten von p-SAFs wird mit mikromagnetischen Simulationen untersucht und modelliert. Es zeigt sich, dass starke Spinverkantungseffekte bei hohen Magnetfeldern dominieren. Darüber hinaus werden die Effekte des Riesenmagnetowiderstands (giant magnetoresistance, GMR) und des anisotropen Magnetowiderstands (anisotropic magnetoresistance, AMR) in gestapelten p-SAF-Strukturen untersucht. Es wird ein einfaches Modell vorgestellt, das die gemessenen Widerstandskurven akkurat reproduziert. Es zeigt sich, dass der GMR linear mit der Anzahl der Ru Zwischenschichten zunimmt, während der AMR schichtdickenabhängige und unabhängige Beiträge enthält. Die p-SAF-Strukturen werden dann für die Entwicklung von GMR-Sensoren mit OOP Feldempfind-lichkeit und hohen dynamischen Feldbereichen verwendet. Während die optimierten p-SAFs bis zu 9 kOe in den GMR-Sensorfeldbereichen ermöglichen, erlaubt eine eingeführte magnetische Anisotropiesteuerung verschiedener FL-Systeme die Anpassung des Sensors an den Magnetfeldbereich und die Sensorempfindlichkeit. Magnetische Tunnelwiderstand-Sensoren (tunnel magnetoresistance, TMR) auf Wafer-Ebene werden hergestellt und hinsichtlich Empfindlichkeit, Hys-terese und Nichtlinearität charakterisiert. Der Einfluss verschiedener Fertigungsparameter, wie z.B. Wärmebehandlungstemperatur und magnetische Schichtdicken, wird untersucht. Danach werden TMR-Sensoren mit einem IP Referenzsystem und OOP FL-Konzept entworfen und untersucht, bei denen die PMA aus einer Spin-Bahn-Hybridisierung an der Grenzfläche von CoFeB/MgO-Doppelschichten stammt. Sensoren mit PMA FLs in superparmagnetischen und ferromagnetischen Zuständen werden hergestellt und verglichen. Der Einfluss von Wärmebehandlungstemperatur, Deckschicht, freier Schichtdicke, CoFeB-Zusammensetzung und Messtemperatur wird untersucht. Ferromagnetische FLs ergeben höhere Empfindlichkeiten, weisen aber auch starke Temperaturabhängig ihrer effektiven magnetischen Anisotropie auf. AbschlieBend werden die entwickelten PMA-Sensoren mit etablierten Technologien verglichen, d.h. Hall-Effekt basierten Sensoren sowie magnetischen Formanisotropie- und Vortex-Anisotropie-xMR-Sensoren. Die Schlussfolgerungen aus den vorangegangenen Kapiteln werden berücksichtigt, um PMA-Sensoren im Empfindlichkeits-/Magnetfeldbereichsspektrum abzubilden und deren Vor-und Nachteile für Anwendungszwecke aufzuzeigen. Es wird die PMA-Anwendung in einem magnetischen Winkelsensor vorgestellt, die bei geringen Magnetfeldern zu kleineren Winkelfehlern führt als ein konventioneller TMR-Winkelsensor.…