SV-MRAM

SV-MRAM ehk spinnventiiliga magnetotakistuslik muutmälu on mittekustuv muutmälu, mis on anisotroopse magnetotakistusega AMR-MRAM-i edasiarendus. Põhiline erinevus võrreldes tavalise pooljuhtelektroonikal põhineva muutmäluga on magnetmuutmäludes magnetilised mäluelemendid (või mälurakud), kus infot säilitatakse magnetdomeenides magnetilise orientatsioonina. Erinevalt tavalisest MRAM-ist kasutatakse SV-RAM-is takistussuhte suurendamiseks spinnventiili, mis toimib GMR- või TMR-efekti alusel.

Tööpõhimõte

SV-RAM koosneb tüüpiliselt samasugustest elektroodidest nagu tavalised GMR- või AMR-MRAM-id, kuid mäluelement on teistsugustest materjalidest. Spinnventiil on siin kontekstis funktsionaalne mälu rakk, mis hoiab ühte bitti. Spinnventiil mäluseadmes töötab põhimõtteliselt samamoodi nagu iga teine magnetotakistuslik mälurakk, olles suure takistusega olekus või väikse takistusega olekus. Üks nendest kahest defineeritakse nulli või ühena.

Spinnventiil koosneb kahest ferromagnetilisest kihist, mis on eraldatud mittemagnetilise juhtiva metalli kihiga (nt vask), millest ühte saab ümber magneetida. Vastupidi magneetunud kihid suurendavad elektritakistust. Selline seadistus kasutab GMR-efekti. Takistusmehhanism on põhimõtteliselt sama, mis GMR-mäluraku puhul, kuid GMR-mälurakk on tüüpiliselt pikki voolu suunda orienteeritud.

Samas suunas magneeditud ferromagnetilised kihid lasevad ühte pidi suunatud spinniga elektrone lihtsamalt läbi kui teistpidi suunatud spinniga elektrone. Kui kihid on üksteisele vastupidi magneeditud, ei lasta kumbagi pidi spinniga elektrone lihtsalt läbi, sellest tulenevalt suurem takistus. Selline olukord on efektiivselt antiferromagnetiline. Ühes ferromagnetilises kihis on juhtivateks elektronideks üles-spinniga elektronid, järgmises alla-spinniga elektronid (vt Joonis 1). Kokkuvõttes on kummagi spinnoleku jaoks elektronide jaoks ees keelutsoon ja puudub pidev juhtivusmehhanismi läbi struktuuri.

Joonis 1. Fermi nivoost üle ulatuvad elektrontihedused annavad panuse elektrijuhtivusse. Kui järjestikku on kaks vastupidi orienteeritud ferromagneetikut (nagu pildil kaks parempoolset), siis on tegemist antiferromagnetilise struktuuriga

Joonis 2. Spinnventiili põhimõte. Vasakpoolne (olek a): läbi struktuuri on takistatud vaid ühtepidi spinniga elektronide liikumine. Parempoolne (olek b): pehme kiht on vastupidi orienteeritud, mõlema spinniga elektronide liikumine on takistatud ja elektrivool väheneb struktuuri läbimisel oluliselt

Lastes voolu läbi magnetotakistusliku raku, saab teada, millises takistuse olekus see mälurakk on. See on nn lugemisprotseduur. Kirjutamiseks mälurakku on vajalik selle olek ümber magneetida. Spinnventiili eripära ja suurim eelis tavalise GMR- või AMR-efekti kasutava mäluraku ees on oluliselt nõrgema ümbermagneetimise välja vajadus kümnete örstedite suurusjärgus vastupidi kümnetele tuhandetele örsteditele lihtsa GMR-struktuuri puul. Vastav eripära tuleneb pehme (madala koertsitiivjõuga) ferromagneetiku kihi (nn vaba kihi) kasutamisest mitteferromagnetilise kihi peal, sealjuures teisel pool mittemagneetikut on ikka kõva ferromagneetik (tugeva koertsitiivjõuga), et säiliks vaba kihi ümbermagneetimisel (biti kirjutamisel) alumise kihi magnetiline orienteeritus.

Teine oluline eelis spinnventiilidel on suurem takistuse muutus minnes ühest olekust teise. Magnetotakistuslike seadmete kirjeldamisel kasutatakse laialdaselt mõistet magnetotakistuslik suhe (MR). MR näitab, kui palju süsteemi takistus suureneb suhteliselt rakendatud magnetväljas võrreldes ilma magnetväljata. Spinnventiilide ja muude GMR-, TMR-seadmete puhul ei vaadelda süsteemi konstantses väljas, seetõttu on mõttekam kasutada lihtsalt mõistet takistuse suhe $\delta _{R}$, mis matemaatiliselt on sama.

$\delta _{R}={\frac {R(1)-R(2)}{R(2)}}={\frac {\Delta R}{R}},$

Joonis 3. Lihtsustatud mälu arhitektuur

Tunnelsiirdega spinnventiil on mitu korda suurema takistuse muutusega kui GMR-efektil põhinev spinnventiilmälurakk, $\delta _{R}$ väärtused ulatuvad praegu kasutatavates mäludes 50%-ni. TMR-spinventiilid annavad võimaluse mäluseadmeid veelgi väiksemateks ja energiasäästlikumateks optimeerida.

Spinnventiilmälust lugemine on mittedestruktiivne, ehk info mälurakus säilib pärast lugemist. Lugemisel pingestatakse ainult sõna liin ja bitiliin on sel hetkel mitteaktiivne (maandatud). Joonisel 3 on toodud üks võimalikest mälu ehitusskeemidest. Mõõdukas vool läbib küll mälurakku, kuid kokkuvõttes jääb magnetvälja tugevus liiga nõrgaks, et mälu olekut muuta. Kirjutamise protsessis läbib tugev vool nii sõna kui bitiliini tagades piisava summaarse magnetvälja tugevuse vaba kihi ümber orienteerimiseks. Selliseid korduvaid üksusi võib üksteise järel olla sadu miljoneid ja reaalses mälus neid selles suurusjärgus ongi.

Seadme ehitusest

Spinnventiil on tavaliselt kihilise struktuuriga ja tänapäeval valmistatakse mõne laserlitograafia või aatomkihtsadestamise meetodil. Eelpool olnud käsitluses olid tähtsateks ehituskomponentideks kolme tüüpi materjalid: pehme ferromagneetik, mittemagnetiline metall (paramagneetik) ja kõva ferromagneetik.

Joonis 4. Tunnelsiirdega spinnventiili kihtstruktuur. Ruteeniumiga eraldatud kõvad ferromagneetikud on üksteisega tugevalt antiferromagnetiliselt sidestatud, tekitades nn sünteetilise antiferromagneetiku

TMR-struktuuri asemel on paramagneetik asendatud dielektrikuga.

Rakendustes kasutatavad struktuurid on oluliselt keerulisemad, materjali kihte võib olla kümneid kogu struktuuris. Reeglina kasutatakse kõva ferromagneetiku kihi stabiliseerimiseks nn naelutuskihti, mis aitab hoida kõva kihi magnetilist orientatsiooni.

Joonis 5. TMR-mälurakk

Lisaks kasutatakse täiendavat antiferromagneetiku kihti, mis aitab puhke ajal magneetunud kihte lahti sidestada üksteise väljast ja hoida kõva kihi magneetumust. Kõik need lisa kihid parandavad mäluraku stabiilsust. Uuem ja nüüdseks levinum tehnoloogia on tunnelsiirdega spinnventiil, milles kasutatakse paramagneetiku asemel dielektrilist kihti kõva ja pehme ferromagneetiku vahel.

Dielektriku kiht võib olla valmistatud alumiiniumoksiidist või magneesiumoksiidist. Viimane on võimaldanud suuremaid takistuse muutuse suhteid. Tunnelkihiga mälurakud on paremini manipuleeritava algtakistuse väärtusega, võimaldavad kasutada madalamat voolutugevust parema tundlikkuse tõttu nii kirjutamiseks kui ka lugemiseks. Takistuse ulatust on lihtne seada dielektriku kihi paksusega. Dielektriku kihi paksusest sõltub takistus eksponentsiaalselt.

Ajalugu

Spinnventiilmälu sai alguse 1980. aastate lõpus, kui IBM-i uurimisrühm töötas välja GMR-efektil põhinevad mälud. Nende $\delta _{R}$ on üle kahe korra suurem kui AMR-il põhinevatel mäludel, jäädes vahemiku 4–8%, kuid neis kasutatavate metallide väike eritakistus põhjustab küllalt nõrga signaali madalatel lugemisvooludel, mis on suureks puuduseks pooljuhtseadeldistes.

Mõningane läbimurre magnetmälude tehnoloogias saavutati TMR-efekti kasutusele võtuga mälurakkude valmistamisel. 1994 valmistas Terunobu Miyazak (Tohoku Ülikool, Jaapan) spinnventiili amorfse alumiiniumoksiid tunnelsiirdega, mille $\delta _{R}$ oli 18%. Alumiiniumoksiid tunnelsiirdega parimad spinnventiilid annavad $\delta _{R}$ suhteks kuni 70% toatemperatuuril.

Aastal 2004 valmistasid Parkin ja Yuasa struktuuri, mille $\delta _{R}$ ulatus 200% toatemperatuuril.

Aastal 2009 saavutati $\delta _{R}$ väärtus 600% toatemperatuuril.

Võrdlus teiste suvapöördmälu liikidega

Omadus / mälu liik	DRAM	EEPROM	FeRAM	MRAM	(NAND)
Püsiv	ei	jah	jah	jah	jah
Kirjutusaeg (ns)	50	>1000	30~200	10~50	10^6
Lugemisaeg (ns)	50	20~120	30~200	10~10^6	50
Tsükleid	10^16	10^10	10^15	10^15	10^5
Töövool (mA)	100	10~100	10~1000	10~1000	1000
Puhketarbimine (mA)	100	<1000	<1000	0	0
Andmete eluiga (aastat)	0	10	10	>10	<10

Tabelis toodud arvud on suurusjärgulised. Uuemate mälutehnoloogiate vastavad arvud võivad olla teistsugused. Võrdlusse on toodud ka NAND, mida kasutatakse püsisalvestusmäluna SSD-kõvaketastes.

Kasutusalad

Magnetmälud on tänu suurele töökindlusele olnud pikka aega kasutusel sõja- ja kosmosetehnoloogias. Magnetmälud on radiatsioonikindlad ja neil on pikka aega säiliv mälu, kui toiteahel peaks katkema. Samas suurtes magnetväljades võivad magnetmälud osutuda problemaatiliseks.

MRAM-tehnoloogiad on hakanud pärast spinnventiili leiutamist suure hooga arenema ja mõnede ennustuste järgi võib MRAM asendada personaalarvutites kõik seni kasutusel olevad mälud. Spinnventiilmälu tehnoloogia abil on võimalik ehitada ka kõvaketas, mis oleks kiiruselt ja andmepakketiheduselt võrreldav praeguste NAND-tehnoloogial põhinevate SSD-kõvaketastega või neist veel paremad.