Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 65

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 65)

Как правило, они зависят от конкретных требований к памяти. Интегральные микросхемы памяти на эффекте гигантского магнитосопротивления допускают самую высокую плотность упаковки отдельных запоминающих элементов в семействе микросхем памяти с произвольной выборкой. Время записи и чтения у них в 314 Гл а в а 3.

Перенос носителей заряаа в низкоразмерннх структурах... 1,5 — 3 раза меньше, чем у микросхем памяти, построенной на других физических принципах. Информация в них при отключенном питании может храниться бесконечно долго и сохраняется даже при радиационных воздействиях, критичных для работоспособности полупроводниковых интегральных микросхем. Ограничивающими факторами их использования являются сравнительно большие токи, потребляемые от источника питания в рабочем режиме, и уязвимость информации при воздействии сильных магнитных полей. 3.3.6.6. Энергоневввнснмвв полаять нв основе спнн-зависимого туннепнроввннв К группе микросхем магниторезистивной памяти с произвольной выборкой (МВАМ) относятся также и ячейки энергонезависимой памяти, построенные на основе туннельного магнитосопротивления структур ферромагнетик/диэлектрик/ферромагнетик.

Принцип построения такого запоминающего устройства показан на рис. 3.59. Запоминающее устройство с произвольным порядком выборки сформировано из двух ортогональных (в плоскости) массивов параллельных ферромагнитных дорожек, разделенных тонким изолирующим слоем. Каждое пересечение дорожек действует как магнитный туннельный переход. Когда векторы намагниченности двух противоположных ферромагнитных областей ориентируются внешним магнитным полем в одном направлении, туннельное сопротивление оказывается ниже, чем в случае, когда они антипараплельны. На практике ортогональные массивы параллельных дорожек выполняют из немагнитного пронааяшего материала, а их пересечение разделяют не диэлектриком, а туннельной структурой ферромагнетик/диэлектрик/ферромагнетик.

Для практического применения в устройствах памяти необходимо изменение сопротивления, по крайней мере, на величину порядка 30%. Высокое сопротивление туннельных переходов препятствует использованию для считывания той же схемы, что и в запоминаю- Рис. 3.59. Принцип конструкции МКАМ из элементов на основе туннельногомагнитосопротивления структур ферромагнетик/диэлектрик/ферромагнетик зтв Хд Спин-зависимыйтранснорт носителей да щем устройстве на гигантском магннтосопротивлении. Поэтому к каждому элементу присоединяют четырехзондовое измерительное устройство (по двум из четырех зондов протекает ток, а два других позволяют провести независимое измерение напряжения).

Выводы такого устройства допускают его двоякое использование, так как импульсные токи, протекающее по верхней и нижней дорожкам (а не через туннельный переход), могут обеспечивать магнитные поля, необходимые для манипулирования направлением намагниченности в ферромагнитных областях.

Это похоже на схему адресации в памяти на гигантском магнитосопротивлении. Однако проблема заключается в том, что такая матрица многократно шунтируется туннельными элементами, поскольку электрический ток на своем пути от питающего провода до выхода проходит через множество элементов, а не только через те из них, которые находятся на пересечениях дорожек.

Решение этой проблемы состоит в размещении диода на каждом пересечении так, чтобы ток мог проходить только в одном направлении, устранив тем самым альтернативные пути его протекания. Изготовление таких диодов, интегрированных с запоминающими элементами на туннельных переходах, представляет сложную технологическую задачу. Но ее решение позволит создать память с чрезвычайно высокой плотностью компоновки элементарных ячеек.

Конструкция ячейки энергонезависимой памяти на структурах ферромагнетик/диэлектрик/полупроводник схематично показана на рис. 3.60. При использовании в качестве полупроводника кремния такая ячейка памяти легко схемотехнически интегрируется со стандартными элементами КМОП интегральных микросхем. Кроме того, значительная длина спиновой релаксации в этом материале (до нескольких сотен нанометров при комнатной температуре) не требует применения уникальных нанотехнологических подхоРне.

3.60. Принпип построения ячейки памяти на основе туннельного магнитосопротивления структуры ферромагнетик/лиэлектрик/полупроводник 316 Г л а в а 3. Перенос носителей заряда в низкоразнерных структурах... дов, а позволяет использовать стандартные процессы технологии изготовления кремниевых интегральных микросхем с субмикронными размерами элементов.

Инжектор и коллектор такой ячейки памяти выполнены в виде магнитных туннельных переходов ферромагнетик/диэлектрик/кремний. Направление намагниченности ферромагнитного слоя ЕМ! в инжекторе задается при первичной инициализации ячейки памяти и остаегся неизменным в процессе ее работы. Ферромагнитный слой ЕМ2 коллектора является магнитомягким и направление его намагниченности может меняться в зависимости от направления магнитного поля, создаваемого импульсом тока 1, пропускаемого через расположенную над ним шину записи. Диэлектрик Р имеет туннельную толщину н обеспечивает туннельную инжекцию спин-поляризованных электронов в кремниевую подложку.

Инжектированные электроны в результате дрейфа в электрическом поле, создаваемом между р+ и л' контактами, попадают в обласп детектора, где приобретают способность туннелировать через диэлектрик О в ферромагнитный слой ЕМ2. Однако туннелируют в него только электроны с ориентацией спина, совпадающей с направлением намагниченности этого слоя. Сопротивление ячейки памяти зависит от относительной ориентации намагниченности ферромагнитных слоев РМ1 и ГМ2.

Его величина минимальна, если слои намагничены в одинаковом направлении и максимальна при антипараллельной намагниченности. В общем случае это сопротивление является функцией угла 0 между направлениями намагниченности слоев: Я=А и+05(Я -Я и)(1-созО), (3.3.33) где Л',„и Я „— сопротивления структуры параллельной и антипараллельной намагниченности ЕМ1 и ГМ2 соответственно. Ток в детекторе максимален при совпадении направлений намагниченности в инжекторе и детекторе и близок к нулю, когда эти направления противоположны, что соответствует двум логическим состояниям ячейки. В качестве ферромагнетиков, совместимых с кремниевой технологией, предложено использовать кобальт, никель или сплавы на их основе — СоЕе, СореВ, 1х11Ре, 1з11ЕеВ, хотя поиск материалов с более высокой степенью спиновой поляризации электронов продолжается. Поскольку инжектор и коллектор разнесены в пространстве, а направление их намагниченности контролируется локальными магнитными полями, они могут изготавливаться из одного и того же материала.

Среди диэлектриков наилучшие результаты по эффективности инжекции получены для МяО. яд Спин-завиеииий т непарт наеитеяей заряда згт При сравнении характеристик элементов на гигантском магнитосопротивлении и спин-зависимом туннелировании следует иметь в виду, что рабочие токи в элементах на эффекте туннелирования обычно намного меньше токов в металлических элементах на гигантском магнитосопротивлении. Это делает их предпочтительными для использования в портативных экономичных приборах с ограниченной потребляемой мощностью.

Однако высокое сопротивление этих элементов приводит к увеличению времени срабатывания и уровня шума. Эта проблема обостряется по мере уменьшения размера элементов, так как в элементах на эффекте туннелирования ток протекает перпендикулярно плоскости пленок, и поэтому при уменьшении площади элемента его сопротивление увеличивается. Основными достоинствами магниторезистивной памяти являются ее энергонезависимость, возможность перезаписи информации более 10" раз, радиационная стойкость, время «чтение — запись» менее 10 нс, время хранения информации более 10 лет.

Кроме рассмотренных принципов построения приборов спинтроники перспективным направлением новых разработок является использование взаимодействия спина подвижных носителей заряда с магнитными моментами ядер атомов. Преимущество спина ядер для хранения и обработки информации состоит в том, что ядерные спины гораздо слабее взаимодействуют с окружающей средой, нежели электронные, и поэтому лучше сохраняют свое состояние.

Применение магнитных моментов ядер дает дополнительные возможности для хранения и обработки квантовой информации. Однако следует иметь в виду, что магнитный момент ядра более чем в тысячу раз слабее магнитного момента электрона, но управлять им гораздо сложнее. Одним из способов управления магнитными моментами ядер является использование магнитных моментов электронов, захваченных с помощью квантовых ям в малую область пространства внутри магнитного полупроводника. Для этого внутри магнитного полупроводника создают квантовую яму, попадая в которую электроны с упорядоченным направлением спинов образуют область с определенным магнитным моментом. В результате взаимодействия магнитных моментов электронов с магнитными моментами ядер последние тоже принимают упорядоченное состояние, т.

Характеристики

Список файлов книги