Новый материал открывает двери к более мощным компьютерам на основе MRAM

Магниторезистивная память MRAM - это вид памяти для компьютеров, который использует магнитные свойства материалов для хранения и передачи данных. Каждая ячейка такой памяти состоит из двух слоев ферромагнетиков, то есть материалов, которые могут быть намагничены. Между этими слоями находится слой диэлектрика, то есть материала, который не проводит электричество. Один из ферромагнетиков имеет постоянное направление намагниченности, а другой может менять его под воздействием внешнего поля. В зависимости от того, совпадает или нет направление намагниченности этих слоев, в ячейке памяти хранится бит информации: 0 или 1.


Чтобы записать или считать информацию из магниторезистивной памяти, нужно использовать электрический ток или измерять электрическое сопротивление ячейки. Но это требует много энергии и пространства, поэтому ученые ищут другие способы управлять магнитными ячейками. Один из таких способов - это использовать спин-орбитальный момент. Это когда электроны в атомах вращаются таким образом, что создают свое собственное магнитное поле, которое может влиять на намагниченность ферромагнетиков. Таким образом, можно переключать направление намагниченности одного из слоев ферромагнетика с помощью тока в другом слое, который называется слоем SOT. Это позволяет уменьшить энергопотребление и увеличить скорость работы магниторезистивной памяти.

Но и этот способ имеет свои сложности. Нужно подобрать такой материал для слоя SOT, который хорошо совместим с другими материалами памяти и имеет высокий коэффициент спин-Холла. Это означает, что он хорошо преобразует ток в магнитное поле и наоборот. Кроме того, этот материал должен быть устойчив к высоким температурам и агрессивным химическим реакциям, которые происходят при изготовлении памяти.

MRAM обладает рядом преимуществ перед другими технологиями памяти: она быстрая, емкая и энергоэффективная. Однако существующая технология MRAM имеет свои ограничения, которые снижают ее производительность и надежность.

Одно из решений этой проблемы — это магниторезистивная память с изменением направления спина (SOT-MRAM), которая использует специальный эффект, называемый спин-орбитальным моментом, для переключения магнетизации в слое свободного ферромагнетика. SOT-MRAM является перспективной технологией для встраиваемых приложений памяти, таких как кэш-память L3 (и выше) в высокопроизводительных вычислениях и мобильных устройствах.



Однако SOT-MRAM также имеет свои недостатки. Один из них — это сложность создания подходящего материала для слоя SOT, который должен обладать высоким коэффициентом спин-Холла и хорошей совместимостью с другими компонентами памяти. Кроме того, материал должен быть устойчив к высоким температурам и агрессивным процессам, используемым при изготовлении памяти.

Исследователи из Национального института стандартов и технологии США, Стэнфордского университета и Университета Небраска представили новый материал, который может помочь решить эти проблемы. Это магний-палладий-3 (Mg-Pd₃) — материал с уникальными свойствами, позволяющими контролировать магнетизм в трех направлениях. Это может увеличить эффективность SOT-MRAM и привести к созданию более мощных компьютеров.

Ученые провели расчеты для предсказания неожиданных направлений и движений спина, а также моделирование сложной микроструктуры внутри Mg-Pd₃. Особенности нового материала позволяют ему сохранять свои свойства и выдерживать сложные процессы пост-отжига и магнетронного распыления, что делает его отличным выбором для приложений SOT-MRAM и помогает соответствовать требованиям текущих производственных процессов. Ученые уже проводят работы по созданию прототипов SOT-MRAM на основе Mg-Pd₃ и внедрению их в реальные устройства.

Mg-Pd₃ — это интерметаллическое соединение, состоящее из магния и палладия в соотношении 1:3. Его кристаллическая структура принадлежит кубической сингонии с группой симметрии Pm-3m₂. Этот материал был впервые описан в 1975 году, но его свойства не были изучены подробно до недавнего времени3.

Ученые обнаружили, что Mg-Pd₃ обладает высоким коэффициентом спин-Холла, который определяет эффективность генерации спинового тока в слое SOT. Кроме того, Mg-Pd₃ имеет низкое сопротивление и хорошую адгезию к слою CoFeB, который является свободным ферромагнитным слоем в MTJ. Эти факторы способствуют уменьшению энергопотребления и повышению скорости переключения SOT-MRAM.



Еще одна важная особенность Mg-Pd₃ — это его способность контролировать магнетизм в трех направлениях: вдоль осей x, y и z. Это означает, что материал может индуцировать три разных типа спин-орбитального момента: полевой (FL), демпфированный (DL) и перпендикулярный (PL). FL-момент действует параллельно или антипараллельно направлению магнитного поля, DL-момент действует перпендикулярно направлению магнитного поля и параллельно направлению тока, а PL-момент действует перпендикулярно плоскости пленки. Комбинация этих трех типов момента позволяет более точно управлять направлением магнетизации в слое CoFeB и достигать оптимальных условий для переключения SOT-MRAM.

Исследование нового материала для SOT-MRAM опубликовано в журнале Nature Communications. Это открытие может стать прорывом в развитии MRAM технологии и открыть новые возможности для создания более мощных и энергоэффективных компьютеров.