Информация, записанная в ячейках памяти стандартов STTMRAM и TAS-MRAM, воспроизводится так же, как в ячейках стан-
дарта Toggle MRAM.
§ 5.7. Перспективные технологии создания запоминающих устройств с магнитной записью
Термоассистируемая магнитная запись (HAMR)* – это техно-
логия записи информации на ЖМД, основанная на предварительном локальном нагреве требуемого участка рабочего слоя для снижения коэрцитивной силы используемого в нем магнитотвердого материала.
Пикосекундный полупроводниковый лазер разогревает область рабочего слоя диаметром около 50 нм (размер пятна обеспечивается использованием специальной фокусирующей системы). После разогрева рабочего слоя индуктивная головка записи намагничивает область логической единицы информации. Воспроизведение записанной информации выполняется с помощью ГМСили ТМС-датчиков. В прототипах, выпущенных компанией «Seagate Technology», для разогрева применяется лазер с длиной волны излучения 810 нм и мощностью 20 мВт, что обеспечивает локальный разогрев рабочего слоя ЖМД до 450 °С.
Процесс записи информации по HAMR-технологии схематично представлен на рис. 5.16.
Такая технология позволяет использовать в качестве запоминающей среды материалы, обладающие более высокими значениями коэрцитивной силы: Fe14Nd2B, CoPt, FePt или SmCo5, которые сохраняют свои ферромагнитные свойства при размерах частиц 1…2 нм.
Разработкой HAMR-технологии занимаются исследовательские лаборатории японских компаний «Seagate Technology», «Fujitsu
Limited», «Hitachi Ltd», «Toshiba Corporation», «Showa Denko K.K».
Прогнозируемая ими плотность данных по HAMR-технологии составляет 200…800 Гбит/см2.
* HAMR – heat assisted magnetic recording.
182
Рис. 5.16. Процесс записи информации по HAMR-технологии
Технология записи на основе самоорганизующихся магнит-
ных решеток (SOMA)* – это технология записи информации на ЖМД, основанная на использовании в качестве рабочего слоя самоорганизующейся решетки магнитотвердого материала.
В SOMA-технологии прототипы рабочего слоя созданы на основе магнитотвердого интерметаллида FePt компанией «Seagate Technology», также рассматриваются возможности использования CoPt, FePd и MnAl. Зерна материала в рабочем слое пространственно упорядочены (рис. 5.17), что теоретически позволяет использовать в качестве области, соответствующей логической единице информации, одно зерно материала.
Самоорганизующиеся слои частиц FePt нанометровых размеров получают методом соосаждения, методом газофазного осаждения, методом Лэнгмюра–Блоджетт и другими методами.
Рабочий слой на основе упорядоченных зерен магнитотвердого материала может быть создан не только в процессе их самоорганизации, но и методами нанопечати и нанолитографии (электроннолучевой, ионно-лучевой и лазерной интерферометрической).
SOMA-технология может быть объединена с HAMR-техноло- гией, что позволит повысить плотность записи носителя данных в ЗУ на ЖМД до 8 Тбит/см2.
* SOMA – self-organized magnetic array.
183
Рис. 5.17. Схематическое изображение процесса записи информации по SOMA-технологии
Беговая (трековая) память (DWM)* – это тип ЗУ на основе ферромагнитной проволоки с малым поперечным сечением, например (30 × 10 нм), в которой единицей логической информации выступает магнитный домен.
Рассмотрим ферромагнитную наноразмерную проволоку, имеющую первоначальную доменную структуру. Передвижение магнитных доменов в такой проволоке за счет эффекта спин-транспортного перемагничивания (СТП) иллюстрирует рис. 5.18. Кодовым значениям «1» и «0» соответствуют противоположные направления намагниченности в доменах. Если вдоль проволоки пропустить справа налево импульс электрического тока І, то электроны проводимости будут двигаться слева направо. Проходя через домен, электроны приобретают спиновую поляризацию (направление спинов электронов становится сонаправленным намагниченности домена).
Рис. 5.18. Передвижение магнитных доменов
вферромагнитной проволоке за счет эффекта СТП
*DWM – racetrack memory, domain-wall memory.
184
К доменной границе ДГ1 подходят в основном электроны с магнитным моментом, направленным вправо. Если ток превышает некоторое критическое значение, то в доменной границе ДГ1 происходит поворот магнитных моментов и она смещается вправо, при этом в доменах происходит спин-транспортное перемагничивание. Движение электронов проводимости слева направо происходит синхронно во всех сечениях ферромагнитной проволоки, поэтому к доменным границам ДГ2, ДГ3, …, ДГi тоже подходят электроны. Они в основном имеют магнитный момент, направленный параллельно направлению намагниченности предыдущего домена. В частности, к ДГ2 подходят электроны, спин которых поляризуется в соответствии с направлением намагниченности в домене, расположенном между ДГ1 и ДГ2, т. е. влево. В результате доменная граница ДГ2 тоже сдвигается вправо. К ДГ3 в тот же момент подходят в основном электроны с магнитным моментом, направленным вправо, что заставляет ее также сдвигаться вправо.
Таким образом, под влиянием импульса электрического тока І происходит СТП, и все домены, имеющиеся в ферромагнитной проволоке, синхронно перемещаются слева направо (смещается распределение намагниченности в проволоке, проволока и все атомы в ней остаются неподвижными). Воспроизвести информацию можно при помощи магниторезистивного датчика, который фиксирует изменение намагниченности при перемещении магнитных доменов.
Критическая плотность тока и скорость перемещения доменных границ (а следовательно, и скорость перемещения доменов) зависят от материала проволоки, ее геометрии и условий на ее границах. Критическая плотность тока составляет 1011…1014 А/м2 (0,1…100 мкА/нм2), а скорость движения доменов 5…500 м/с. В частности, для проволоки из пермаллоя сечением 30 × 10 нм (с дополнительными слоями) для перемещения доменов требуется электрический ток ~30 мкА, а скорость перемещения достигает 100…500 м/с.
Запись-воспроизводение информации в ферромагнитной проволоке может производиться, например, при помощи устройств, изображенных на рис. 5.19.
185
а |
б |
Рис. 5.19. Узлы записи (а) и воспроизведения (б) информации с проволоки: Мф – намагниченность фиксированного слоя; Мс – намагниченность свободного слоя
На рис. 5.19, а, изображена полупроводниковая пластина 1, на поверхности которой сформирована ферромагнитная проволока 2. Перпендикулярно последней проложена проводящая проволока 3 (например, из Au). По проволоке 3 можно пропустить импульс электрического тока записи, создающий магнитное поле, условно изображенное штриховой окружностью 4, напряженность которого достаточна для соответствующего намагничивания участка ферромагнитной проволоки 2. Узел записи в предварительно однородно намагниченной проволоке создает необходимую доменную структуру или перестраивает ранее существовавшую. Внутри полупроводниковой пластины 1 расположена электронная схема 5, формирующая требуемый импульс тока заданного направления.
Воспроизведение информации, зависящей от направления намагниченности домена 6, производится магниторезистивным датчиком, расположение отдельных его элементов показано на рис. 5.19, б: свободный слой 7, фиксирующий слой 8 и металлические электроды 9 и 10. Соответствующие сигналы для считывания вырабатывает электронная схема 11, расположенная внутри полупроводниковой пластины 2.
Одна из возможных реализаций трековой памяти, разрабатываемая фирмой «ІВМ», включает в себя запоминающую среду в виде массива упорядоченно расположенных проволок, изготовленных из ферромагнитного материала (например, пермаллоя или сплава Fe–Co) U-образной формы, толщиной менее 100 нм и высотой 20…40 мкм. Каждая проволока (рис. 5.20) устанавливается верти-
186
кально на поверхности пластины кремния, в которой сформированы элементы управления памятью, в том числе – токовая шина записи и ТМС-датчик. На половине каждой проволоки могут быть записаны 75…280 доменов, в которых хранятся 64…256 бит информации, плюс определенное количество резервных бит для выявления и исправления единичных или двойных сбоев.
Рис. 5.20. Единичный элемент запоминающей среды трековой памяти, разрабатываемой фирмой «ІВМ»
С помощью импульсов тока перемещения Іпер того или другого направления записанные домены могут коллективно перемещаться из левой половины проволоки в правую или наоборот за время ~100…200 нс. Для создания ЗУ на кремниевой подложке создается массив рядом расположенных проволок. Схема управления позволяет адресно обращаться к любой проволоке и за время 150…300 нс воспроизвести или записать 64…256 бит информации.
Вертикальное расположение ферромагнитных проволок позволяет достичь более высокой плотности данных по сравнению с горизонтальным.
Промышленный выпуск трековой памяти возможен, если исследователи смогут:
187
– снизить ток Іпер, который разогревает ферромагнитную проволоку и тем самым снижает надежность хранения информации в доменах малого размера;
–разработать технологию создания массивов ферромагнитных проволок на кремниевых подложках;
–уменьшить количество примесей в проволоке, которые снижают скорость перемещения доменов.
Решение вышеуказанных проблем позволит создать надежное, энергонезависимое, быстродействующее запоминающее устройство
свысокой плотностью данных.
Скирмионная трековая память (Sk-RM, skyrmion racetrack memory) – ЗУ, в котором для записи единицы информации используется скирмион*.
Магнитный скирмион как топологическая квазичастица представляет собой спиновую структуру с вихреобразной конфигурацией размером в единицы, десятки и сотни нанометров, которые можно создать в некоторых магнитных материалах (рис. 5.21).
Магнитные скирмионы впервые наблюдались в 2009 г. в объемном кристаллическом MnSi и других материалах со схожей структурой. Они возникают за счет взаимодействия Дзялошинского–Мория (ДМ). ДМ-взаимодействие – асимметричное обменное взаимодействие, вызванное нарушением инверсионной симметрии кристаллической структуры материала. ДМ-взаимодействие может возникать в нанотолщин-
ных слоистых структурах при наличии межслойной границы между магнитной и немагнитной пленками металла. Немагнитная пленка должна выполняться из металла, обладающего значительной атомной массой, либо плотностью (т. е. из тяжелого металла – Pt, Ta, Ir и др.) и сильным спинорбитальным взаимодействием.
* Скирмион (название по имени британского физика Тони Скрайма) – одно из частицеподобных состояний ансамбля спинов, имеющих нетривиальный топологический заряд.
188
Возможность пространственного перемещения скирмионов электрическим током позволяет построить на их основе ЗУ по принципу беговой (трековой) памяти (см. ранее), при этом плотность записи носителя данных будет зависеть от размеров скирмионов (единицы – сотни нанометров).
Один из возможных вариантов реализации скирмионной трековой памяти показан на рис. 5.22.
а |
б |
Рис. 5.22. ЗУ на основе скирмионной трековой памяти:
а – структура и принцип работы; б – последовательные операции генерации 7 скирмионов и их продвижения вдоль трека (дорожки)
ЗУ представляет собой пленочный сэндвич на подложке SiO2, состоящий из слоя Ta толщиной 5 нм, слоя магнитного сплава Co40Fe40B20 (1,2 нм) и диэлектрического слоя TaOx (1,5 нм). Подложка и диэлектрический слой на рис. 5.22 не показаны. Магнитный слой обладает одноосной перпендикулярной магнитной анизотропией.
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный слой обладает лабиринтной доменной структурой. При воздействии внешнего магнитного поля (напряженностью 300…400 А/м), ориентированного по направлению оси z (рис. 5.22, а), магнитный слой намагничивается однородно.
При подаче импульса тока Iз (амплитуда 2 В, длительность 5 мс) в узкой области магнитного слоя (рис 5.22, а) образуется полосовой домен, который преобразуется в скирмион в геометрически переходной области магнитного слоя. Перемещение скирмионов по направлению оси Х производится подачей импульсов тока Iпер (амплитуда 8 В, длительность 10 мкс). При этом новые скирмионы в
189