Потребность в быстрых, надежных и неприхотливых
элементах памяти ограничена не только персональными
компьютерами, ноутбуками и мобильными устройствами.
Огромное количество узкоспециализированных электронных устройств, управляемых микроконтроллерами, требует для своей работы быстрые, надежные и неприхотливые элементы памяти. Объем памяти таких устройств как правило небольшой (от нескольких килобит до десятков и сотен мегабит).
Магниторезистивная память произвольного доступа или МВАМ (magnetoresistive random-access memory) представляет собой новый тип устройств хранения информации. Произвольный доступ означает, что доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время. Важными преимуществами данного вида памяти перед конкурентами являются энергонезависимость (способность хранить информации в отсутствии внешнего питания), скорость доступа к информации, а также практически неограниченное количество циклов перезаписи информации (более 101° циклов [1]). Благодаря этим свойствам МВАМ память является одним из наиболее перспективных видов современной памяти.
Рассмотрим подробнее механизм работы такой памяти [2]. На рис.1. представлена простейшая схема ячейки для хранения информации. Она состоит из 3 слоев - двух ферромагнитных проводников (толщиой порядка 100 нм) и одного диамагнитного изолятора между ними. Слой изолятора как правило очень тонкий (меньше 2 нм). При пропускании электрического тока через такой слой электроны имеют возможность «туннелировать» - пройти через энергетический барьер, величина которого значительной больше собственной энергии электрона. Данное явление имеют чисто квантовомеханическую природу и носит вероятностный характер. Чем больше толщина слоя, тем меньше электронов проходят сквозь него и тем больше сопротивление всей системы слоев, называемой сэндвичем. Электрический ток, проходящий через сэндвич, представляет собой поток электронов. Каждый отдельный электрон с точки зрения квантовой механики обладает внутренней характеристикой, называемой спиновым квантовым числом или кратко - спином. Спин электрона имеет две возможные проекции - условно обозначены вверх и вниз на рис. 1. В ферромагнетиках как правило имеется неодинаковое количество электронов с различным направлением спина. Например, если ферромагнетик намагничен вверх, то электронов с направлением спина вверх в нем больше, чем со спином вниз. В таком случае слой ферромагнетика выступает в качестве фильтра - пропускает из всего потока электронов только те, которые имеют направление спина вверх.
В ситуации, изображенной на рис.1(а) (слои РL и FL намагничены в одном направлении) в слое РL большее количество электронов обладают направлением спина вверх. При прохождении через тонкий слой изолятора часть электроновтуннелирует и попадает в слой FL, в котором также преобладающим состоянием электронов является состояние со спином вверх. После прохождения электрического тока через такой сэндвич в нем остаются только электроны с одним направлением спина (состояние вверх - малое сопротивление).
В ситуации, представленной на рис. 1(6) (слои РL и FL намагничены в противоположных направлениях). В этом случае туннелирующие из слоя РL в слой FL электроны с направлением спина вверх попадают в слой с преимущественным направлением спина вниз. В результате эти электроны испытывают сильное рассеяние в слое FL и сопротивление сэндвича резко возрастает (состояние «0» - большое сопротивление).
Использование изолятора в качестве прослойки между ферромагнитными слоями обусловлено в первую очередь необходимостью создать большое (порядка нескольких десятков кОм) сопротивления сэндвича. Это необходимо, для того, чтобы в процессе чтения информации сопротивление сэндвичей в состояния «0» и «1» были легко отличимые друг от друга по сопротивлению.
Реальная схема сэндвича выглядит несколько сложнее. Одним из наиболее подходящих материалов для свободного слоя является сплав СоFеВ. В качестве изолятора как правило используется аморфный материал МgО. Закрепленный слой выполняется из того же материала, что и свободный слой. Для того, чтобы этот слой не менял направления намагниченности в процессе записи информации, его «скрепляют» с помощью специального антиферромагнитного (АFМ) слоя, устойчивого к приложению магнитных полей большой величины. Закрепленный и закрепляющий слои разделены с помощью разделяющего слоя из Ru толщиной в несколько нм.