磁记忆中心舞台

可穿戴心率传感器。网络化的烟雾探测器。智能照明。智能门铃。在台式电脑甚至智能手机强大的独立工具,物联网设备共享一个需要从环境中收集数据,存储,传输到其他设备的操作或进一步分析。

在许多系统中,数据存储和工作记忆占大多数的电路的总排放量。电池供电的物联网设备面临严格限制备用和有功功率消耗,但他们预计将保留数据如果电池失败。在一起,这些约束描述一个潜在市场机会的非易失性内存比闪电更快,能够规模低于所需的six-transistor足迹静态存储器。

ReRAM、极化和MRAM都被认为是候选人为这些新应用程序。而模拟的特点ReRAM了机器学习和compute-in-memory研究者的注意,这些特点限制其效用在常规内存的应用程序。极化的相对较低的耐力与存储应用程序兼容,但不占空比的计算工作记忆。MRAM设备有更好的耐力和天生的双稳态,总是高和低电阻状态间切换。

从磁存储器的数据存储
数据存储的早期以来依靠磁性媒体电子行业。第一个原油磁记录器是1898年发明的。早期的录音机7200英尺的线用于一个小时的录音,而现代硬盘存储超过每平方英寸500 gb的磁盘区域。作为数据密度增加了行业需要检测较小的磁场更精细的空间分辨率。自2004年以来,需要由磁隧道结。

作为三星Alexey Khvalkovskiy和他的同事们在一个解释全面审查磁隧道结由参考层,固定在一个预定义的取向,分开由非磁性自由层障碍。自由层的取向应对外部磁场的变化,比如可能是由一个“1”位在一个数据盘。当磁化的自由和参考层排列在同一方向,电流很容易可以穿透势垒层和电阻很低。当自由层反向对齐参考层,隧道是困难和阻力高。

这个穿隧磁阻(咯)效应来支持一个可行的电子存储设备,然而,两个重要的进步。第一,Albert Fert在他解释道诺贝尔奖的讲座是意识到一个水晶阻挡层,分别在当前设备,可以根据他们的旋转过滤电子优先通过运营商与旋转匹配对齐的磁层。旋转选择性增加阻力之间的平行和反平行磁场的变化状态,使结更敏感的传感器和增加读取内存元素。(这个现象也能解释为什么这些设备被称为“自旋阀。”)

来自第一第二重要的进步。如果一个磁隧道结是一个电路的一部分,必须能够“打开”或“关闭”电子自旋阀,而不是通过应用一个磁场。当电流通过参考层,通过隧道屏障,进入一个自由层与反平行排列,电子自旋-过滤隧穿势垒的偏差相对于自由层。结果,电子遇到阻力和角动量的更高。

“丢失”的动力哪里去了?角动量是守恒的。一部分是转移到自由层的磁域。以上一些临界电流,这种“自旋扭矩”“推”自由层平行对齐。的自旋扭矩(STT) MRAM取决于这一效应。

图1:治疗创造了高质量的采用障碍和接口。来源:应用材料

工程磁各向异性
设备可以围绕平行和反平行磁场取向之间的差异是因为铁磁材料各向异性。磁域优先排列沿特定的方向,而不是随机的。实用的MRAM设计控制和利用磁各向异性。

磁各向异性有三个来源,任何可能参与一个特定设备结构。首先,它起源于散装材料的属性。层状晶体结构通常提供的最大区别“简单”和“硬”磁化方向,Khvalkovskiy说。在FePt等材料,FePd CoFeB,平面平面外的方向并不是等同的。

CoFeB MRAM设计师是最常见的选择。最佳设备性能这些层与衬底应该精确对齐,采用隧道障碍,和顶部和底部电极。设备完全依靠体积磁各向异性很难,不过,因为厚层往往更耐热而不易调整自己由于热波动。

第二,晶格扰动和电子轨道杂化接口会导致局部界面磁各向异性。设计基于界面各向异性多层堆栈中获益。他们变得更稳定的表面体积比增加。

最后,设备形状有利于各向异性磁行为。最好的设备是圆形或椭圆,椭圆的长轴与首选材料的磁化方向保持一致。在较小的尺寸,边缘效应和形状变化导致阻力波动与设备足迹。设备形状和形状各向异性帮助定义设备的热稳定性。

热稳定性也取决于材料和磁场。它决定如何记忆保留数据,并帮助建立所需的临界电流的高和低电阻状态之间切换。而自旋扭矩提供了所需的能量转变,和STT效率措施的扭矩在给定应用电流、热稳定性决定需要多少能量。此外,该设备结构必须足够稳定容忍后续热过程如back-end-of-line退火和焊料回流在电路组装。

如上所述,隧穿磁电阻率,电阻区别高、低状态,定义了设备的读保证金。这取决于组件的spin-selectivity层,磁层之间的晶格匹配,隧道结,电极。

面向设备的首选磁化方向是平面的底物更容易制造,因为底物提供了一个方便的对齐模板。然而,Sabpreet巴蒂,新加坡南洋理工大学的研究生,解释设备与垂直各向异性更容易。当磁化与衬底,设备一定小磁域和边缘效应更容易。当设备被对齐垂直于这个平面,域大小和横向维度可以独立变化。

后咯比和热稳定性、临界电流是第三MRAM行为的措施。这取决于热稳定性,STT效率,以及材料的阻尼特性。当MRAM开关、电流脉冲一定量的自旋扭矩适用于铁磁域,已经(在零温度)经历热振荡。材料的热稳定性决定了大振荡,而阻尼因子决定了他们死后脉冲的速度有多快。高阻尼材料的稳定”“国家更快,巴蒂说,但是需要更多的电流开关放在第一位。

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