磁隧道结自旋转移矩磁存储器的动态特性研究

发布时间：2020-09-18 18:49

　　基于自旋转移矩效应的新一代非易失性磁存储器融合了动态存储器的低成本、静态存储器的高速读写性能、闪存的非易失性三者的优势，并且可以弥补第一代磁电阻式存储技术的主要缺点，满足了人们对信息存储器件的高密度、大容量、高速度、低成本和微小型化等众多要求，因而成为未来固态多用途数据存储器件的强有力的候选者。随着磁性隧道结制作工艺的快速发展，研究磁隧道结自旋转移矩磁存储器在尺寸进一步减小、具有良好热稳定性等条件下如何改善磁矩的动态特性，如降低写入电流密度、提高翻转速度，是十分迫切的需要，而且具有重要意义。本文基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程的宏自旋模型的模拟，对磁隧道结结构的自旋转移矩磁存储器的动态特性进行了研究，具体工作如下： 1.详细介绍了描述磁矩进动理论模型的发展，并给出各动态方程的推导。特别对宏自旋模型中包含的每一项给出物理解释。 2.研究了在自由层厚度影响下的界面垂直各向异性和初始磁矩偏角，对水平CoFeB/MgO磁隧道结阈值翻转电流密度、翻转时间动态特性的影响。结果显示，由于界面垂直各向异性随着自由层厚度的减小而增大，阈值翻转电流密度和翻转时间会明显的降低，当磁矩的偏角随厚度的减小而增大时，翻转的动态特性会进一步优化，在阈值翻转电流密度和翻转时间上都有体现。 3.研究了磁隧道结结构中类场自旋转移矩项对磁矩翻转动态特性的影响。结果显示，类场自旋转移矩项与Slonczewski项相同正负变化时，类场自旋转移矩项将促使磁矩翻转，而使翻转电流密度减小，翻转速度加快；反之，则对翻转起到阻碍作用。类场自旋转移矩项越大，起到的促进或阻碍作用越大。随后，考虑了室温下热扰动场的作用，结果表明，热扰动场的存在将有助于磁化翻转。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

工作原理

太原理工大学硕士研究生学位论文T-MRAM 和传统的 MRAM 的工作原理如图 1-1，它们的共同结构是。电和磁转化的过程就是磁性物质存储信息的本质。读出时，将磁变穿磁阻效应；写入时，对于传统 MRAM，带有逻辑信息的电流流过空间形成环形磁场，磁场作用于 MTJ 铁磁体上。方向不同的电流，向也随之不同；对于 STT-MRAM，利用电子的自旋与磁矩之间的作效应，通过电流直接实现磁隧道结数据存储。前者的记录方式显然不是流产生的磁场散布于空间中，仅有小部分作用到 MTJ 上。相比之下，ST效的方法。

进动,磁矩,有效场,无阻尼

图 2-1：（a）磁矩在无阻尼下围绕有效场的进动；（b）磁矩在有阻尼下向着低能平衡态的进动Fig.2-1: (a) The magnetization precesses around the locale effective field without damping.(b) The magnetization precession with damping term towards the low energy equilibrium state2.3 Landau-Lifshitz-Gilbert 方程1955 年，Gilbert 提出了一个原理不同的描述磁化进动的方法[16]。由于保守方程（2-10可以从拉格朗日公式导出，描述耗散过程最简单的方式是引入一个附加的力矩项，其分量正比于磁矩矢量各分量的时间导数。根据 Gilbert 的理论，额外的力矩项可表示为：sM t MM (2-12)它对应于场sM t M产生的力矩，其中 α>0 是 Gilbert 阻尼系数，这个系数也是一个

磁隧道结,结构示意图,磁矩

第三章宏自旋模型TJ）是磁随机存储器的基本结构，它是由两层薄的铁这种特殊的三明治结构具有隧穿磁阻效应，即其电阻生变化。其中一磁层的磁矩方向是固定的称之为极的磁矩会随着外加激励发生转动，称之为自由层（F磁矩均匀分布，对于新结构模型以及很多复杂系统的方法，并被广泛用于研究磁矩的动态响应。已有许述以及 LLGS 方程的数值解[21]。宏自旋模型下磁隧道结结构的示意图。假设系统自由单位磁矩矢量分别为 mp和 m，即2 2 21x y zm m m 。磁矩方向可以沿任意方向[22]，两个铁磁层的饱和磁向极化层为电流的正方向（J>0）[22]。

【共引文献】