嵌入式STT-MRAM效应与流致反转

宇芯电子

最初的MRAM都是用微电磁线圈产生电磁场，使自由层的磁矩方向反转来进行0、1数据的读写。这种复杂的结构大大地制约了MRAM存贮单元的微型化进程，因此当时MRAM的存贮密度远远不及DRAM和SRAM。

后来科学家们想出了用自旋极化的电子流脉冲取代微电磁线圈的突破方案。穿过微磁粒的自旋极化电子流脉冲具有确定的磁场方向，它的磁矩在这里被称为“自旋转移力矩”或简称“自旋转矩”，即前面提到的STT。自旋极化电子流可以代替电磁线圈使微磁粒的磁场方向发生反转，因此这种方式也被称为流致反转。

STT可视为相反于巨磁阻的效应，显示的是电流通过多层膜结构后改变多层膜的磁化特性。当具高密度的自旋极化电流通过铁磁金属，由于极化电子角动量的转移部份角动量至铁磁金属中的磁矩，因而产生力矩。对于铁磁(F)/非铁磁(N)/铁磁(F)的多层膜系统，电流方向垂直膜面进行(CPP)。铁磁层F1藉由形状异向性或外加场来保持磁化方向固定，而铁磁层F2则为自由层,两铁磁层间亦由非磁性金属层隔开。

自旋极化电流通过此多层膜结构所转移的力矩效应与电流流向有关:当电子流由固定层F1流向自由层F2时，力矩倾向于将F2中磁矩转向于平行F1层之磁化方向;当电子流由自由层F2流向固定层F1时，力矩效应则倾向于使自由层的磁矩与固定层磁矩反向。因此在不需要外加翻转磁场的情况下，可藉由极化电流的传输而使固定层与自由层铁磁金属同向或反向极化。

通过精细地控制自旋极化电子流脉冲的形状和长度,在实验室中用STT- MRAM原型芯片使其纳米磁粒的反转时间达到了1ns接近了理论上的极限。采用100nm尺度下的磁矩闭合型纳米环状磁性隧道结作为存储单元，利用正负脉冲极化电流直接驱动比特层磁矩翻转的工作原理，解决了常规MRAM相对功耗高、存储密度低等瓶颈问题。该器件利用500～65Q A脉冲极化电流就可以直接驱动存储单元比特层的磁矩翻转进行写操作﹐并有望进一步优化和降低写操作电流，而读操作只需要10～2Q A的脉冲电流。

目前STT效应的研究已发展成磁学界一个重要的研究热点。其重要之处在于，这一效应不仅在理论上提出了自旋电流调控薄膜磁矩的物理新理念，而且它可以用于发展电流直接调控的STT- MRAM。STT - MRAM目前面临的主要问题是翻转电流过大。至于如何降低翻转电流﹐还没有切实可行的办法，但许多研究者已经给出了建议和尝试。

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通过精细地控制自旋极化电子流脉冲的形状和长度,在实验室中用STT- MRAM原型芯片使其纳米磁粒的反转时间达到了1ns接近了理论上的极限。