自由層

自由層(Free Layer), 它的磁化有兩個穩定的取向, 分別與參考層平行或反平行, 這將使磁隧道結處於低阻態或高阻態, 該現象被稱為隧穿磁阻效應(Tunnel Magnetoresistance, TMR)。兩個阻態可分別代表二進位數據“0”和“1”, 是MRAM存儲的基本原理.

當參考層與自由層磁化方向一致時, 兩層鐵磁材料中處於多數態的電子自旋方向相同, 隧穿概率較高, 隧穿電流較大, 磁隧道結呈現低阻態；反之, 磁隧道結呈現高阻態。

MRAM的寫入操作通過磁隧道結中自由層的磁化翻轉來實現。早期的MRAM直接採用磁場寫入方式。磁隧道結置於字線(DigitLine)和位線(Bit Line)的交叉處，字線和位線分別沿著自由層的難磁化軸(Hard-Axis)和易磁化軸(Easy-Axis)方向。寫入時，被選中的磁隧道結的字線和位線分別通入電流以產生互相垂直的兩個磁場，它們的大小均不足以使自由層完成磁化翻轉，但二者能夠將彼此方向上的矯頑場(Coercive Field)大小降低至所產生的磁場以下，因此，只有交叉處的磁隧道結能夠完成狀態的寫入。這種寫入方式要求位線(或字線)產生的磁場足夠大以至於能夠有效地減小字線方向上(或位線方向上)的矯頑場，但同時也要足夠小以避免同一條位線(或字線)上的其餘磁隧道結被誤寫入(半選干擾問題, Half-Selectivity Disturbance)，由於工藝偏差的存在，所允許寫入的磁場範圍非常有限。為解決此問題，Freescale的工程師提出一種被稱為Toggle的改進型磁場寫入方式，基於這種寫入方式的磁隧道結採用合成反鐵磁結構(Synthetic Antiferromagnet，SAF)的自由層。若將自由層的難(易)磁化軸與寫入磁場呈45°放，單獨的一個寫入磁場無法使自由層完成磁化翻轉，從而避免了“半選干擾”問題，也擴展了寫入磁場的可操作範圍。基於這種Toggle寫入方式，Freescale成功推出第一款4 Mb的MRAM商用產品。

除了Toggle寫入方式之外, 學術界還曾提出利用熱輔助(Thermal Assisted Switching, TAS)以改善MRAM的寫入性能. 圖5(c)展示了法國Spintec實驗室提出的TAS-MRAM器件結構，在鐵磁層上加入反鐵磁層，形成交換偏置作用(Exchange Bias)。寫入時，首先在磁隧道結通入電流，將器件加熱至反鐵磁層的轉變溫度(Blocking Temperature)之上，同時施加寫入磁場，然後將器件冷卻，在交換偏置的作用下，自由層的磁化被翻轉並穩定在與外加磁場相同的方向。這種寫入方式只需要一個外加磁場，能夠解決半選干擾問題，功耗和可靠性都有所改善。

關於自旋電子在儲存器方面的應用，多層膜的磁場線性響應範圍大且磁電阻效應大，所以正好適合多層膜巨磁 電阻感測器；同樣，這樣大小的工作磁場令自旋閥自由層磁矩方向完全跟隨磁場方向，也比較適合於自旋閥磁場方向感測器。多層膜巨磁電阻感測器和自旋閥方向感測器，都主要針對這類大工業用途，有興趣的讀者可以查看兩公司各自的網站。

1996年, Slonczewski和Berger從理論上預測了一種被稱為自旋轉移矩(Spin Transfer Torque, STT)的純電學的磁隧道結寫入方式，當電流從參考層流向自由層時，首先獲得與參考層磁化方向相同的自旋角動量, 該自旋極化電流進入自由層時，與自由層的磁化相互作用，導致自旋極化電流的橫向分量被轉移，由於角動量守恆，被轉移的橫向分量將以力矩的形式作用於自由層，迫使它的磁化方向與參考層接近，該力矩被稱為自旋轉移矩。同理，對於相反方向的電流，參考層對自旋的反射作用使自由層磁化獲得相反的力矩，因此，被寫入的磁化狀態由電流方向決定。

相對巨磁電阻多層膜，線性化自旋閥巨磁電阻模式具有高得多的磁場靈敏度，對於弱小的磁場的檢測，後者顯然是更合適的選擇。需要強調的是，為了減小磁滯實現線性化，要求被釘扎層的磁矩方向與自由層的易軸垂直，通常將自由層和被釘扎層的生長磁場轉動9 °, 於是自由層的感生單軸各向異性垂直於被釘扎層的釘扎方向；對於生長磁場不變的情形，沿自由層易軸垂直方向引入一個偏置磁場，且該偏置磁場稍大於自由層易軸的各向異性場。同樣能使自由層與被釘扎層的磁矩方向相互正交；除此以外，自旋閥電阻條在微小尺度下，電流的自偏置效應及形狀各向異性亦可以考慮加以利用。通過施加一個偏置場，其自旋閥感測器均可實現低磁場的線性化，對弱小外磁場敏感。設計者必須同時牢記相鄰橋臂對外磁場的響應極性必須剛好相反。