Kohti spintronisia MRAM-muisteja

Uusi yksinkertainen materiaaliyhdistelmä toimii muistiyksikkönä, joka tukee sekä luku- että kirjoitusoperaatioita. Topologisen eristemateriaalin spininjektio kääntää ferromagneettisen materiaalin magnetoinnin, toimien "kirjoitus" -operaationa. Lisäksi spin-injektio muuttaa materiaalien kokonaisresistanssia, jota voidaan mitata ulkoisen piirin kautta ja toimien "luku" -operaationa.

Tokion teknillisen instituutin tutkijat kehittävät uutta materiaalikokoonpanoa, joka asettaa uuden vaiheen magneettisille hajasaantimuisteille, jotka luottavat spiniin ja voisivat suorituskyvyllään ylittää nykyiset tallennuspiirit.

Läpimurto kuvaa uutta strategiaa spinilmiöiden hyödyntämiseksi topologisissa materiaaleissa, mikä voisi aikaansaada useita edistysaskeleita spinelektroniikan alalla.

Tutkijat ovat maailmanlaajuisesti yrittäneet manipuloida spiniin liittyviä ominaisuuksia tietyissä materiaaleissa ja jo toimivissa sovelluksissa, etenkin haihtumattomissa muisteissa.

Tokion työryhmä julkaisi tutkimuksen yksisuuntaisesta spin Hall-magnetoresistanssista (unidirectional spin Hall magnetoresistance, USMR), spiniin liittyvästä ilmiöstä, jota voidaan käyttää MRAM-solujen kehittämiseen erittäin yksinkertaisella rakenteella.

Nykyinen MRAM-rakenne vaatii noin 30 erittäin ohutta kerrosta, mikä on erittäin haastavaa valmistaa. Hyödyntämällä riittävän suurta USMR-ilmiötä lukuoperaatioihin, muistisoluille tarvitaan vain kaksi kerrosta.

Spin Hall -vaikutus johtaa elektronien kertymiseen tietyllä spinillä materiaalin sivupinnoille. Tämän tutkimuksen taustalla oli, että spin Hall -vaikutus, joka on erityisen vahva topologisissa eristeissä voi johtaa jättiläismäiseen USMR:ään yhdistämällä topologinen eriste ferromagneettisen puolijohteen kanssa.

Periaatteessa, kun elektroneja, joilla on sama spin, kerääntyy kahden materiaalin väliseen rajapintaan spin Hall -efektin vuoksi, spinit voidaan injektoida ferromagneettiseen kerrokseen ja siten kääntää sen magnetoituminen, mikä mahdollistaa muistin kirjoitusoperaatiot.

Samanaikaisesti komposiittirakenteen resistanssi muuttuu magnetointisuunnan myötä USMR-vaikutuksesta johtuen. Koska resistanssi voidaan mitata ulkoisella piirillä, tämä mahdollistaa muistin lukuoperaatiot, joissa data voidaan lukea samalla virtapolulla kuin kirjoitusoperaatiot.

Tähänastisilla materiaaliyhdistelmillä ei kuitenkaan ole saavutettu riittävän suurta USMR-vaikutusta.

Tokyo Techin tutkijat kehittivät yhdistelmärakenteen, joka käsitti kerroksen galliummangaaniarsenidia (GaMnAs, ferromagneettinen puolijohde) ja vismutti-antimonidia (BiSb, topologinen eriste). Tällä yhdistelmällä he ovat onnistuneet saamaan jättimäisen USMR-suhteen, mikä tekee mahdolliseksi käyttää tätä ilmiötä reaalimaailman sovelluksissa.

"Tuleva materiaalitekniikan kehitys voi edelleen parantaa USMR-suhdetta, mikä on välttämätöntä USMR-pohjaisille MRAM:ille, joilla on erittäin yksinkertainen rakenne ja nopea lukema. Yli 1%:n USMR-suhteen osoittaminen on tärkeä askel kohti tätä tavoitetta", toteaa tri Hai yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Uusia rakenteita MRAM-muisteille

Spintroniikkaa ja topologiaa