自旋轨道矩协助自旋转移矩驱动磁化强度翻转

以磁隧道结/重金属层组成的三端口磁隧道结为理论模型,通过对包含自旋转移矩和自旋轨道矩的Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程做线性化稳定性分析,研究了自旋轨道矩协助自旋转移矩驱动的磁化强度翻转.发现在自旋轨道矩协助下,磁矩的翻转时间极大减小,翻转时间随自旋轨道矩电流密度的增大而减小,且自旋转移矩和自旋轨道矩的结合可实现零磁场的磁化翻转.另外,相比自旋轨道矩的类阻尼项,类场项在磁化强度的翻转中起着主导作用,且自旋轨道矩类场项的出现也可以减小磁化强度的翻转时间,磁化强度翻转时间随自旋轨道矩类场项强度的增大而减小.

基于工艺偏差的自旋转移矩辅助压控磁各向异性磁隧道结电学模型及其应用研究

自旋转移矩辅助电压调控磁各向异性磁隧道结(STT辅助VCMA-MTJ)作为非易失性全加器(NV-FA)中的核心部件,具有切换速度快、功耗低,稳定性好等优点,将在物联网、人工智能等领域具有良好的发展前景.然而随着磁隧道结(MTJ)尺寸的不断缩小以及芯片集成度的不断提高,工艺偏差对MTJ及NV-FA电路性能的影响将变得越来越显著.本文基于STT辅助VCMA-MTJ磁化动力学,在充分考虑薄膜生长工艺偏差以及刻蚀工艺偏差影响的情况下,建立了更为精确的STT辅助VCMA-MTJ电学模型,研究了上述两种工艺偏差对MTJ及NV-FA电路性能的影响.结果表明,当自由层厚度偏差γ_(tf)≥6%或氧化层厚度偏差γ_(tox)≥0.7%时,MTJ将无法实现状态切换;当隧穿磁阻率偏差β增大到30%时,读取裕度SM将下降高达17.6%.对于NV-FA电路,通过增大电压V_(b1)以及写‘0’时增大电压V_(b2)或写‘1’时减小V_(b2),可有效降低非易失性加数写入错误率;通过增大逻辑运算驱动电压V_(dd),可有效降低逻辑运算结果输出错误率.

自旋转移矩纳米振荡器原理、结构与研究进展

自旋转移矩纳米振荡器(STNO)主要依据磁电阻效应(MR)和自旋转移矩效应(STT)两种效应来工作的。自旋转移矩效应中自旋电子能够有效地控制磁性薄膜磁化矢量变化,从而STNO可以被直流偏压电流和外加直流磁场调制。由于其高集成度、高可调谐性,而且可以和CMOS工艺完全兼容,使得STNO成为了未来射频收发器的理想器件。首先简单介绍STNO的基本结构和原理,然后重点阐述近年来针对输出功率和带宽等问题而提出的最新解决办法,最后对STNO的发展前景进行了展望。

基于斯格明子的自旋转移矩纳米振荡器的微磁学模拟

最近,人们发现了一种性能优良的新型磁性结构——斯格明子,为了解决传统微波发生器件能耗高、频谱窄等一系列问题,人们提出设计一种基于磁性斯格明子的自旋纳米振荡器。该器件的研发还处于理论设计阶段,因此有必要对斯格明子在器件中的产生及振荡机制进行研究。本文采用微磁学模拟方法,探究了极化电流密度以及DMI(Dzyaloshinkii-Moriya interaction)对斯格明子成核的影响规律。着重模拟了单个斯格明子在纳米圆盘中的振荡行为,并总结了电流密度以及DMI对斯格明子进动频率以及进动半径的影响。最后,探索了斯格明子个数对振荡器输出频率的影响,以期对该器件的研发提供理论预测和指导。

1Kb自旋转移矩磁随机存储器电路设计

使用Verilog-A硬件描述语言对自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)的基本存储单元磁隧道结(MTJ)器件进行建模,采用Cadence软件对模型进行验证.基于已建立的MTJ模型设计STT-MRAM的读写电路.针对写入延迟过长的问题,对传统写入电路进行改进,通过增加写入支路上晶体管的数量来增加写入电流及降低基本存储单元(1T1MTJ)结构中晶体管的压降,有效地缩短了磁隧道结翻转过程的开关延迟时间,提高了写入驱动电路的工作速度;读取电路采用改进的三稳态传输结构,降低了电路功耗,提高了读取数据的准确性.最后设计实现了1Kb的STT-MRAM的非易性存储,仿真结果表明所设计的STT-MRAM能够实现数据的存取过程.

自旋转移矩效应激发的非线性磁化动力学

本文基于宏观磁矩(macrospin)的Landau-Lifshitz-Gilbert方程,模拟研究了磁性自旋阀结构中由垂直膜面流向的自旋极化电流所激发的磁化转动动力学特性.直流自旋极化电流借助自旋转移矩效应可驱动磁矩翻转或作周期性振荡,交流电可以激发出具有混沌行为的磁矩振荡.展示了磁矩振荡行为随电流强度变化而发生倍周期分岔、直至混沌振荡的行为规律.

自旋转移矩驱动的磁化翻转理论研究

采用宏自旋模型和Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程讨论了垂直磁化隧道结的磁化翻转,结果表明:(1)减小隧道结自由层的厚度可以加快磁化翻转;(2)通过增加外电场,可以降低自由层的磁各向异性,从而加快磁化翻转速度;(3)双界面五层膜隧道结可以增加自旋极化电流,从而加快磁化翻转速度。上述理论分析对于提高自旋转移矩磁随机存储器的性能有重要意义。

垂直自由层倾斜极化层自旋阀结构中的磁矩翻转和进动

在理论上研究了垂直自由层和倾斜极化层自旋阀结构中自旋转移矩驱动的磁矩翻转和进动.通过线性展开包括自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert方程并使用稳定性分析方法,得到了包括准平行稳定态、准反平行稳定态、伸出膜面进动态以及双稳态的磁性状态相图.发现通过调节电流密度和外磁场的大小可以实现磁矩从稳定态到进动态之间的转化以及在两个稳定态之间的翻转.翻转电流随外磁场的增加而增加,并且受自旋极化方向的影响.当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向平行时,翻转电流最小;当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向垂直时,翻转电流最大.通过数值求解微分方程,给出了不同磁性状态磁矩随时间的演化轨迹并验证了相图的正确性.

具有倾斜极化层的自旋阀结构中磁翻转以及磁振荡模式的微磁模拟

基于自由层与钉扎层均为垂直磁各向异性的自旋阀结构,采用微磁学模拟与傅里叶分析相结合的技术,研究了极化层磁矩小角度倾斜情形下自由层磁矩的进动翻转特性.通过沿样品垂直膜面方向同时施加电流与磁场,观察到自由层磁矩垂直膜面方向分量的平均值随磁场的演化翻转曲线中出现了多个凹槽.模拟研究结果表明:在一定的电流范围内,凹槽出现的位置与电流大小无关;而在固定的应用电流下,凹槽出现的位置将会受到样品厚度的影响;在凹槽区域内,非一致进动模式、自旋驻波模式、局域自旋波模式等多种磁振荡模式被激发.通过傅里叶分析,得到了各种磁振荡模式的频谱,频谱中的频率分布体现出了倍频以及间谐波的频率特性.

垂直磁各向异性自旋阀结构中磁性相图

通过线性展开包含自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程,并且使用稳定性分析的方法,建立了垂直磁各向异性自旋阀结构中的磁性相图。研究发现:通过调节外磁场强度的大小以及直流电流密度,可实现磁矩从稳定态到进动态之间的转化,以及在不同稳定态之间的翻转。

低功耗自旋电子器件技术路线及展望

在大数据时代,传统冯·诺依曼架构在面对海量数据时出现了存储和功耗瓶颈。随着非易失存储器的快速发展,高写入速度、低功耗的磁随机存储器(MRAM)为“存算一体”架构的实现带来了新的曙光。系统地提出了自旋电子器件及其电路结构的技术发展路线,首先介绍已经商业化的Toggle型磁随机存储器(Toggle-MRAM)和自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)的基本结构和关键技术;然后介绍自旋轨道矩磁随机存储器(SOT-MRAM)关于无外磁场辅助翻转的重要技术突破;最后总结基于磁隧道结以及新型自旋电子器件的“存算一体”架构和相关应用,并对低功耗计算做出展望。

具有尺寸限制的点接触结构自旋极化电流驱动下磁涡旋的稳态振荡

选取具有尺寸限制的点接触结构作为研究对象,采用Thiele方程对模型中磁涡旋在自旋极化电流作用下的动力学行为进行计算.计算表明磁涡旋可以在一定的电流密度范围内稳定旋转,该稳定旋转可以存在的电流密度范围与点接触区的大小和纳米点的尺寸有关.当磁涡旋核作稳态旋转时,其所处的轨道半径以及旋转频率都随电流密度的增加而增加,旋转频率可调节的范围随点接触尺寸的增加快速减小.

应用于STT-MRAM存储器的高可靠灵敏放大器设计

自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM)以其非易失性、速度快、数据保持时间长等优势被认为是最有潜力的新型存储技术之一。然而,由于磁性隧道结(MTJ)的温度相关性,其隧穿磁阻率(TMR)在高温下会变低,对高可靠灵敏放大器的设计提出了更高的要求。基于2T-2MTJ存储单元,设计了一款可以工作在宽温度范围内的高灵敏度放大器。在-40~125℃的温度范围内,该灵敏放大器在TMR为50%时仍具有较高的灵敏度,保证了STT-MRAM的读可靠性。

新型非局域磁纳米开关的原理和研究进展

利用磁体进行信息记录的器件都需要操控磁体的磁矩,即使得磁体的磁矩翻转(磁化反转),从而实现"0"和"1"的信息转化。目前,实现纳米磁体磁矩翻转的方法主要有3种,即最传统的利用外磁场的方法、利用自旋转矩方法和利用自旋轨道矩的方法。后2种基于自旋矩的磁矩操控方法不需要外磁场,方便而且节能,不论是技术层面还是物理层面,都为科技人员展开了辽阔的研究空间。自旋轨道矩的发现始于近年自旋轨道耦合的研究,特别是自旋霍尔效应的研究。自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应现在被公认为是一种自旋操控的有效手段,它通过对铁磁/非磁双层系统上的铁磁体施加自旋矩使其磁矩翻转,并能探测由自旋注入或泵浦方法产生的自旋电流。本文综述了基于自旋霍尔效应等新物理效应的纳米磁体磁矩翻转的原理和研究进展情况。从应用和测量观点出发,磁矩翻转的非局域控制对于发展新型磁存储等自旋电子器件具有更大意义。本文介绍了几种主要的非局域自旋器件对材料的要求,对几种主要的材料参数进行了初步汇总。

电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展

电学方法调控磁性材料及器件的磁性是当前自旋电子学研究的热点之一.本综述简要介绍利用电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展.首先简述了自旋极化电流的产生、自旋流与局域磁矩之间的作用原理以及对应的Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski磁动力学方程;然后分别讨论了单层磁性材料、铁磁层/重金属、铁磁层/非磁金属/铁磁层等不同结构中的电流诱导磁化翻转或驱动畴壁运动;最后介绍了利用压电效应、磁电耦合效应和栅极电场效应三种电压方式对磁矩的调控.在此基础上,对电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动进行了总结和展望.

基于2T1MTJ单元结构的STT-MRAM存内计算实现

在处理数据密集型应用时,传统冯·诺依曼计算体系架构难以兼顾低延时与低功耗.通过数据处理架构创新,存内计算技术可有效提升处理器与内存间的通信效率并克服"内存墙"性能瓶颈.提出了一种基于2T1MTJ(双晶体管单磁隧道结)单元结构的通用型STT-MRAM(自旋转移矩磁性随机存储器)存内计算方案,通过复用存取晶体管将位逻辑运算的控制前置于阵列中,并能同时兼顾MRAM常规存储功能.结合SMIC 55nm工艺与p-MTJ紧凑模型进行了CMOS/MTJ混合仿真,并与基于1T1MTJ和2T2MTJ单元结构的同类方案进行了性能对比.结果表明,由于运用了和存储单元具有相同MTJ的单一逻辑运算参考单元,2T1MTJ方案的与/或位逻辑运算正确率和单元写入正确率在不同MTJ工艺偏差、TMR(隧穿磁阻效应)偏差、温度变化、电压波动情况下,整体优于1T1MTJ方案;相比2T2MTJ方案,提出方案的写入正确率高37.1%,单元面积减半.此外,还提出一种采用双阈值晶体管的改进型2T1MTJ单元结构方案,其读写性能均优于采用相同存取晶体管的2T1MTJ方案,其中对单元写入正确率的提升达9.4%.

基于STT-MRAM的位逻辑运算方案及灵敏放大器设计

基于1T1MTJ的自旋转移矩-磁随机存储器(STT-MRAM)提出了一种改进型存内位逻辑计算方案。该方案通过精简2T2MTJ存内位逻辑运算方案提升了存储阵列密度,通过互补型读出电路增加了“与非”和“或非”的运算功能。此外,还通过增加支路电压稳定电路的方法,提出了一种适用于上述方案的改进型高速灵敏放大器。基于中芯国际55 nm LL逻辑工艺的仿真结果表明,相较于传统的灵敏放大器,该方案不仅读取速度提升了33%,在适配大型存储阵列(CB≥0.8 pF)时还拥有更强的读取能力与更优的功率积(PDP)。

铁磁纳米线中磁化强度的磁怪波

本文介绍了铁磁纳米线中磁化强度的一些新激发态,包括各向同性铁磁的Akhmediev呼吸子、Kuznetsov-Ma孤子和怪波、自旋极化电流驱动下各向异性铁磁纳米线中的怪波动力学.在各向同性情况下,展示了形如四片花瓣的磁孤子的空间周期过程和自旋波背景的局域化过程;在极限情况下,得到了磁怪波解并阐明了其形成机制.在各向异性情况下,发现怪波的产生主要源于中心的能量积累和快速弥散;此外,怪波还具有不稳定性,它和自旋波背景间的能量与磁振子的交换可以通过自旋极化电流来调控.

三端磁隧道结的稳定性分析

在理论上研究了磁隧道结/重金属层组成的三端磁隧道结中磁性状态的稳定性.以包含自旋转移矩和自旋轨道矩的Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程为基础,通过对平衡点进行线性稳定性分析,得到了以钉扎层磁化向量方向和自旋轨道矩电流密度为控制参数的相图.相图中包括平面内的进动态和稳定态以及伸出膜面的进动态和稳定态.当钉扎层磁化向量在垂直薄膜平面内旋转时,通过调节钉扎层磁化向量方向,可以实现自由层磁化向量从稳定态到进动态的转化.当钉扎层磁化向量在薄膜平面内旋转时,在钉扎层磁化向量方向与自由层易磁化轴方向平行或者反平行的结构中,失稳电流最小,当钉扎层磁化向量方向逐渐偏离这两个方向时,失稳电流不断增加.调节自旋转移矩电流密度,可以实现磁化翻转,在自旋轨道矩的辅助下,可以减小翻转时间.相图的正确性通过画不同磁性状态磁化向量随时间的演化轨迹得到了验证.

垂直磁各向异性自旋阀结构中的铁磁共振

本文在理论上研究了垂直磁各向异性自旋阀结构中磁场激发和调节的铁磁共振.通过线性展开包含自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert方程,获得了磁场激发和调节的铁磁共振谱.给出了共振线宽、共振频率和共振磁场随直流电流密度大小和方向以及直流磁场的变化关系.通过调节直流电流密度的大小和方向,系统的有效阻尼可以达到最小.