Простая модель передачи спинового момента для двух противоположно намагниченных слоёв. Ток, вытекающий из неподвижного слоя, поляризован по спину. Когда он достигает свободного слоя, большинство спинов релаксируют в состояния с противоположной ориентации спина с более низкой энергией, при этом прилагая крутящий момент к свободному слою. Принципиальная схема перехода спиновый клапан/магнитный туннельный переход. В спиновом клапане промежуточный слой (фиолетовый) — металлический; в магнитном туннельном переходе он сдалан из изолятора.
Передача спинового момента (STT)[1] — это эффект, при котором ориентация магнитного слоя в магнитном туннельном переходе или спиновом клапане может управляться с помощью спин-поляризованноо тока.
Носители заряда (такие как электроны) обладают свойством, известным как спин, который представляет собой небольшую величину собственного углового момента, присущего частице. Электрический ток обычно неполяризован (состоит на 50 % из электронов со спином вверх и на 50 % со спином вниз); спин-поляризованный ток — это ток с большим количеством электронов любого спина. Пропуская ток через толстый магнитный слой (обычно называемый «неподвижным слоем»), можно создать спин-поляризованный ток. Если этот спин-поляризованный ток направить во второй, более тонкий магнитный слой («свободный слой»), то угловой момент может быть передан этому слою, изменив его намагничеснность. Эффекты обычно наблюдаются только в устройствах нанометрового масштаба.
Память на основе эффекта передачи спинового момента
Эффект передачи спинового момента можно использовать для изменения намагниченности активных элементов в магнитной оперативной памяти. Магнитная память с произвольным доступом и передачей спинового момента (STT-RAM или STT-MRAM) представляет собой энергонезависимую память с почти нулевым энергопотреблением утечки, что является основным преимуществом по сравнению с памятью на основе электрических зарядов, такой как SRAM и DRAM.
STT-RAM также имеет преимущества более низкого энергопотребления и лучшей масштабируемости, чем обычная магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM), которая использует магнитное поле для переворота намагниченности активных элементов[2]. Технология передачи спинового момента потенциально может сделать возможными устройства MRAM, сочетающие низкие требования к току и сниженную стоимость; однако величина тока, необходимая для переориентации намагниченности, в настоящее время слишком велика для большинства коммерческих приложений, и одно только уменьшение этой плотности тока является основой современных исследований в области спиновой электроники (спинтроники)[3].
Индустрия
В 1997 году исследовательский центр Sony опубликовал первую заявку на патент Японии на SPINOR (энергонезависимую ортогональную память чтения/записи со спин-поляризованной инжекцией), предшественника STT RAM[4]. Впоследствии, на конференции IEDM[англ.] 2005, исследователи Sony сообщили о первой работающей STT-памяти ёмкостью 4 КБ, получившей название Spin-RAM, с заменой парамагнитного промежуточного слоя памяти SPINOR на диэлектрик MgO[5]. Комании Hynix Semiconductor и Grandis заключили партнерство в апреле 2008 года для изучения коммерческого развития технологии STT-RAM[6][7]. Hitachi и Университет Тохоку продемонстрировали 32-Мбит STT-RAM в июне 2009 года[8].
В 2011 году Qualcomm представила встроенную STT-MRAM на 1 Мбит, произведённую на 45-нм заводе TSMC на симпозиуме по СБИС[9].
В 2012 году Everspin Technologies[англ.] выпустила первый коммерчески доступный DIMMDDR3 SDRAM ST-MRAM ёмкостью 64 МБ[10].
В июне 2019 года Everspin Technologies запустила опытное производство 28-нм чипов STT-MRAM объёмом 1 Гб[11].
В декабре 2019 года Intel продемонстрировала STT-MRAM для кэша L4[12].
В 2022 году TechInsights[англ.] обнаружила встроенную память STT-MRAM ёмкостью 16 МБ в микроконтроллере фитнес-трекераFitbit Luxe и в несколько других коммерчески доступных носимых продуктов[13].
Другие компании, работающие над STT-RAM, включают Avalanche Technology, Crocus Technology[англ.][14] и Spin Transfer Technologies[15].
↑Hosomi, M. A novel nonvolatile memory with spin torque transfer magnetization switching: Spin-ram // IEEE International Electron Devices Meeting, 2005. IEDM Technical Digest. — December 2005. — P. 459–462. — ISBN 0-7803-9268-X. — doi:10.1109/IEDM.2005.1609379.
Борисенко Виктор Евгеньевич, Данилюк Александр Леонидович, Мигас Дмитрий Борисович. Спинтроника : учебное пособие. — 2-е. — М.: «Лаборатория знаний», 2021. — 232 с. — ISBN 978-5-93208-558-5.
