Диссертация (1091595), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Заменим металлическую прослойкудиэлектрической.Припропусканиитокаперпендикулярнослоям,диэлектрическая прослойка будет представлять собой потенциальный барьердля носителей заряда. Протекание тока через него будет обусловленотуннелированием электронов через этот барьер, поэтому толщина прослойкидолжна быть менее 1 нм. Трехслойная структура, ток в которой протекает изза туннельного эффекта, имеет меньшее сопротивление, в случае, когданамагниченности ферромагнитных слоёв параллельны, чем в случае, когдаони антипараллельны.
Величинаструктурыпринамагниченностейантипараллельномслоев, гдеиипараллельномсоответственно,называетсясопротивлениенаправленияхтуннельныммагнетосопротивлением (ТМС). Наноструктура с эффектом ТМС, состоящаяиз двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором, называетсямагнитным туннельный переходом (Magnetic Tunnel Junction, MTJ).В устройствах MRAM на основе эффекта ТМС запись битаинформации происходит путём одновременного пропускания тока по двумлиниям (шинам) записи и считывания, на пересечении которых находитсяспин-вентильная структура (MTJ-ячейка памяти) (рис.1.2).
При этом битзаписывается в одном из ферромагнитных слоев, а намагниченность другогоферромагнитного слоя остаётся неизменной. Считывание производитсяподачей напряжения на данную ячейку с помощью управляющеготранзистора. При фиксированном напряжении проходящий ток зависит отсостояния ячейки памяти, определяя величину тока и сравнивая её сэталонной, мы получаем сведения о записанном бите информации.15Рисунок 1.2 – MRAM на основе TMC. Архитектура сетки из MTJ-ячеекпамяти MRAM (a) и ячейка памяти MRAM на основе эффекта ТМС (b)Память на основе эффекта TMС быстро вытеснила с рынка память наоснове эффекта ГМС в силу заметно большей величины эффекта ТМС,составляющей около 70% [5].
Так как токи при измерении сопротивлениямалы, то можно сказать, что данный механизм считывания информацииполностью удовлетворяет современным требованиям энергоэффективностина данном этапе технического развития. Таким образом, проблемусчитывания информации в устройствах MRAM можно считать решенной.161.3.Перемагничивание ферромагнетика спин-поляризованнымтокомДальнейшее развитие памяти связано с новой технологией записи битаи развитием спиновой электроники. Механизм переноса спинового момента(STT- Spin Transfer Torque) от одного магнитного материала к другомупозволяет получать более высокую плотность информации, чем в случаезаписи с помощью магнитных полей, создаваемых электрическими токамипроводящих шин MRAM.Самыми современными устройствами MRAM являются устройстваэнергонезависимой памяти на основе передачи спинового момента (STT) [6],где спин-поляризованный ток вводится в магнитный слой для записимагнитногосостояния.ВSTT-MRAMзаписьпроизводитсяспин-поляризованным током, при этом не требуются шины записи и считывания,что значительно упрощает архитектуру ячейки.
Пропуская ток нужнойполяризации,превосходящийсоответствующеекритическоезначение,можно записать «ноль» или «единицу» в ферромагнитном слое. При этом токсчитывания должен быть меньше критического, чтобы не изменять состояниезаписанного бита.Ограничивающим фактором развития и распространения технологииSTT-MRAM являются значительные энергетические потери, возникающиевследствие резистивного нагрева при уменьшении размеров бита.
Ксущественным недостаткам также можно отнести значительное сокращениесрока службы битов. Эти факторы, а также большие значения энергии,необходимые для записи информации, не делают данный вид памятиреволюционным. Проблема надежности устройств памяти на основе STTсильно препятствует их внедрению, кроме того, другие технологии могутоказаться более конкурентноспособными по своей энергоэффективности.171.4.Преимущества и недостатки MRAM, сравнение с другимивидами памятиОтбольшинствавидовпамятиMRAMотличаетсяхранениеминформации в виде магнитного состояния вместо электрических зарядов исчитыванием путем измерения сопротивления ячейки, без влияния на еемагнитное состояние. Кроме того, в отличие от традиционных жесткихдисков HDD в MRAM нет никакой механики, она заменена матрицей, вкоторой каждая шина чтения перекрывает сотни или тысячи ячеек памяти,что обеспечивает быстродействие.
Произвольный доступ к ячейкам MRAMболее быстрый, чем у энергозависимой DRAM, которая используется вкачестве оперативной памяти. Время цикла чтения/записи сравнимо состатической памятью произвольного доступа (SRAM). MRAM являетсяэнергонезависимой памятью, такой, как популярная Flash-память илитвердотельные накопители SSD, поскольку сохраняет данные даже приполном отключении источника питания, но при этом нестрадаетдеградацией по прошествии времени и имеет неограниченное количествоциклов перезаписи. Можно сказать, что магниторезистивная память MRAMсочетает в себе лучшие свойства энергозависимой и энергонезависимойпамяти.Стандартные MRAM компании Everspin показали стойкость квоздействиюионизирующегоизлучения750Гриустойчивостьквоздействию тяжелых заряженных частиц 84 МэВ·см2/мг.
При данной дозеоблучения технология MRAM гарантирует коэффициент программныхошибокна двапорядканиже,чему любогоконкурирующегоэнергонезависимого решения.На основе MRAM компании Everspin производитель радиационнозащищенных электронных компонентов Aeroflex выпускает свои устройстваемкостью до 64 Мбит (Рис.1.3) [7].18Рисунок 1.3 – Чипы Aeroflex MRAM на 16 и 64 Мбита [7]MRAM может выполнять как функции внутрисистемной памяти,функции быстрого буфера данных, так и функции энергонезависимогохранилищаданных.СовокупностьпреимуществпамятиMRAMпосравнению со всеми существующими технологиями делает её способнойзаменить SRAM, DRAM и Flash.
Сравнение существующих на данныймомент технологий памяти приведено на рисунках 1.4 и 1.5 [8, 9].Рисунок 1.4 – Скорость и энергоэффективность существующих (NAND иNOR видов флеш-памяти) и появляющихся (MERAM, STT-MRAM, памятьна фазовых-переходах PCRAM, сегнетоэлектрическая FeRAM и резистивнаяпамять RRAM) энергонезависимых технологий памяти [8].19Рисунок 1.5 – Сравнение технологий памяти по данным [9].
Размер ячейкиизмеряется в единицах минимально возможного размера элемента, F-квадрат,который является особенностью технологииEverspin – это первый в мире массовый производитель MRAM. Он исегодняостаетсялидеромэтойиндустрии,несмотрянаактивныеисследования этой технологии такими крупными компаниями, как Samsung иHynix. Сегодня MRAM от Everspin успешно находит свое применение всферах, требующих гарантированное сохранение информации при любыхвоздействиях.
Это, прежде всего, условия высокой радиации, экстремальныетемпературы, военные и космические нужды.Самой высокой в мире плотностью записи по технологии MRAMобладают новые чипы EMD3D256 на 256 Мбит (рис. 1.6). Данные устройстваоснованы на магнитном тунельном элементе и технологии STT, котораяпозволит в дальнейшем увеличить емкость памяти до 1 Гбита. Однако пока20данный вид памяти не готов для широкого применения, из-за относительноневысокой емкости и фундаментальных ограничений связанных с ееувеличением.Рисунок 1.6 – Чипы Everspin ST-MRAM на 256 Мбит [7]Решением данной проблемы является поиск новых физическихпринципов для создания более совершенных устройств магниторезистивнойпамяти (MRAM). Данная диссертационная работа посвящена переходу назапись информации в ферромагнитных слоях магниторезистивной памяти,путем приложения электрического поля, что является одним из наиболееперспективных направлений исследований [10, 11].1.5.Переход на запись электрическим полемНесмотря на успехи в совершенствовании устройств считываниямагнитной информации на основе MTJ, до сих пор нерешенной остаетсяпроблема записи информации.
Для записи информации используютсямагнитные поля, создаваемые электрическими токами в катушках магнитныхголовок жестких дисков или в проводящих шинах MRAM, а также спинполяризованные токи. Повышение плотности записи информации требуетуменьшения размеров ячеек памяти. По мере миниатюризации они всебольше подверженытепловымфлуктуациям,ичтобыизбежать21случайного перемагничивания, необходимо использовать материалы сбольшими пороговыми магнитными полями переключения, а значит, нужныбольшие значения токов в проводниках.
При миниатюризации устройствтакже необходимо уменьшать поперечные размеры проводников. Все этифакторы приводят к недопустимому увеличению плотности электрическоготока в материале проводника: перегреву и деградации устройства.Исследованиянаправленынарешениепроблем,связанныхсджоулевскими резистивными потерями в современных электромагнитныхустройствах, таких, как магниторезистивная память MRAM.
Эти потеринакладывают фундаментальные ограничения на размеры таких устройств,что препятствует их дальнейшей миниатюризации: токи высокой плотностиведут к полной деградации устройства. Использование мультиферроиковявляется ключом к решению существующих проблем.Однимизперспективныхпутейразвитияэнергоэффективныхустройств памяти является отказ от использования электрических токов длязаписи и переход на запись электрическим полем. Задача сводится кпереключениюнамагниченностиодногоизферромагнитныхслоев,входящих в туннельное магнитное соединение (MTJ), состоящее из двухпроводящихферромагнитныхпрослойкой.Рассмотримслоев,различныеразделенныхмеханизмыдиэлектрическойзаписиинформацииэлектрическим полем.1.6.Способы переключения намагниченности ферромагнитныхнанослоев путем приложения электрического поляДля переключения намагниченности одного из ферромагнитных слоевMTJиспользуетсядополнительныйэлектрочувствительныйсоседствующий с выбранным ферромагнитным слоем (рис.
1.7).слой,22SРисунок 1.7 – Магниторезистивная память на основе эффекта туннельногомагнетосопротивления с записью электрическим полем. F – ферромагнитныеслои, I – слой изолятора, E – электрочувствительный слой, S – подложка.Существуютдваосновныхмеханизмавзаимодействиямеждуэлектрочувствительным и ферромагнитным слоями: за счет обменноговзаимодействия между спинами указанных слоев [10] и взаимодействие засчет упругих деформаций, передаваемых от слоя слою [12, 13].1.7.Обменное взаимодействие между слоямиИзначальноидеясозданиямагниторезистивнойпамятиновогопоколения была основана на использовании магнитоэлектрика [10], в честькоторогоонаполучиланазваниемагнитоэлектрическойпамятиспроизвольной выборкой (MERAM). Энергонезависимая память MERAMпозволит выполнять операции чтения и записи, используя только малые токидля чтения и электрическое поле для записи.23Приложение же к магнитоэлектрику электрического поля вызываетпоявлениелинейнойпополюнамагниченности(обратныймагнитоэлектрический эффект):где– i -ая компонента вектора намагниченности ( i = x, y, z ),– тензоркоэффициентов обратного магнитоэлектрического эффекта,– k -аякомпонента вектора напряженности электрического поля.Индуцированный магнитный момент обменно взаимодействует сослоем ферромагнетика, однако малостьведет к малой величинеиндуцированного магнитного момента и энергии обменного взаимодействия.Действительно,длязначенийкомпоненттензоралинейногомагнитоэлектрического эффекта порядка 10-3 (Cr2O3, система СГС) вэлектрических полях напряженностью порядка 107-108 В/м индуцируемыймагнитный момент в расчете на атом составляет величину ≤10 -3μB (μB –магнетон Бора).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
