自旋转移矩磁随机存储器翻转机理及优化
发布时间：2021-04-10 18:42
自第一代磁随机存储器（Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM）问世以来,越来越多的科研人员开始着手磁随机存储器的研究。磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction,MTJ）作为磁随机存储器的核心结构,是研究的重点。第一代磁随机存储器是利用电流产生的磁场使磁隧道结的磁化方向发生改变,从而改变磁隧道结的磁电阻态,实现数据的读写。但它的缺点也十分明显,主要表现为磁场需要强大的电流做支撑,这就会带来严重的能耗问题,且会降低系统整体的热稳定性。自旋转移矩效应的引入就很好地解决了这个问题,因此也将第二代磁随机存储器称为自旋转移距磁随机存储器（Spin-Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory,STT-MRAM）。相比于MRAM,STT-MRAM具有高集成度、快速读写、较好的热稳定性等优点,是极具应用前景的下一代通用存储器。本文以STT-MRAM为基础,结合相关的实验和理论模型,研究分析了几种关于STT-MRAM的优化方案,以达到进一步提升STT效应的目的。主要研究内容如下...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：47 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
翻转模拟图
内蒙古大学硕士学位论文第8页图1.4磁矩分量图FIG.1.4Magnetizationcomponentvstime其中，图1.3是三维空间中的磁矩翻转模拟图，图1.4是磁矩在z轴、x轴、y轴的各个分量与翻转时间的关系图，磁矩翻转的易轴为z轴，对应的翻转时间为11.989ns。写入时长较第一代磁存储器已经减少了许多，而且在理论上依然可以通过一些辅助方案，实现继续减少的可能。1.5本文的主要研究内容本文的主要工作是在铁磁学相关理论的基础和宏自旋模型的基础上展开的（具体相关的理论及模型将在第二章中详细介绍），在总结前人对STT-MRAM的研究工作的前提下，我们找到几种可行的优化方案。对于每一个优化方案，我们都从理论上推导出相应的LLGS方程，并结合微磁模拟的方法，在Matlab软件上模拟出自由层磁矩的翻转情况，研究了各个方案的机理和优缺点，并结合实际情况和实验操作，分析了各个方案的发展及应用前景。本文的理论基础源于LLGS方程，通过对方程中每一项的含义理解，重点分析有效场作用、阻尼作用、STT效应和类场项作用对磁矩翻转的影响，并从加快翻转速率和减少能耗，两个主要方向入手，系统分析各个方案的可行性，最后，以分析结果为依据，对STT-MRAM的优化提出了几点展望。
内蒙古大学硕士学位论文第13页型，通过微磁模拟，可以更加直观地观察到磁性材料内部磁矩随时间的变化情况。在研究STT-MRAM时，这两种方法都是十分有效的，一般采用两种方法相结合的手段，展开研究。宏自旋模型的理论基础是Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程，该方程通常被用来解释自旋转移矩效应下的磁性隧道结自由层磁矩动态特性，如图2.1所示，该图为隧道结宏自旋模型的示意图。图2.1磁性隧道结宏自旋模型示意图FIG.2.1Aschematicdiagramofthemacrospinmodelforamagnetictunneljunction一个隧道结由两个铁磁层中间夹着一个非磁性金属氧化物势垒层构成，整体分为三层，因此也叫做“三明治”结构[45]。在图2.1中，z轴正方向为易磁化轴方向，pm表示钉扎层的单位磁矩,J是通入隧道结的电流，m表示自由层磁矩，该磁矩方向与z轴的夹角为，其在yx平面上的投影与x轴的夹角为。极化层绝缘层自由层xzympmJ0
【参考文献】：
期刊论文
[1]STT-MRAM存储器的研究进展[J]. 赵巍胜,王昭昊,彭守仲,王乐知,常亮,张有光. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(10)
[2]形状各向异性对垂直磁隧道结磁化动态的影响[J]. 刘斌,刘喆颉,杨毅彪,刘欣. 微纳电子技术. 2015(03)
[3]磁随机存储器的研究进展[J]. 孔令刚,韩汝琦. 磁性材料及器件. 2005(05)
博士论文
[1]磁隧道结模型及自旋转移力矩磁随机存储器设计技术研究[D]. 张丽.西安电子科技大学 2014
硕士论文
[1]磁隧道结中自旋转移矩效应动态特性及热稳定性的研究[D]. 李磊鑫.太原理工大学 2016
[2]STT-MRAM信息存储机理仿真研究[D]. 于发发.华中科技大学 2013
本文编号：3130146
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：47 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
翻转模拟图
内蒙古大学硕士学位论文第8页图1.4磁矩分量图FIG.1.4Magnetizationcomponentvstime其中，图1.3是三维空间中的磁矩翻转模拟图，图1.4是磁矩在z轴、x轴、y轴的各个分量与翻转时间的关系图，磁矩翻转的易轴为z轴，对应的翻转时间为11.989ns。写入时长较第一代磁存储器已经减少了许多，而且在理论上依然可以通过一些辅助方案，实现继续减少的可能。1.5本文的主要研究内容本文的主要工作是在铁磁学相关理论的基础和宏自旋模型的基础上展开的（具体相关的理论及模型将在第二章中详细介绍），在总结前人对STT-MRAM的研究工作的前提下，我们找到几种可行的优化方案。对于每一个优化方案，我们都从理论上推导出相应的LLGS方程，并结合微磁模拟的方法，在Matlab软件上模拟出自由层磁矩的翻转情况，研究了各个方案的机理和优缺点，并结合实际情况和实验操作，分析了各个方案的发展及应用前景。本文的理论基础源于LLGS方程，通过对方程中每一项的含义理解，重点分析有效场作用、阻尼作用、STT效应和类场项作用对磁矩翻转的影响，并从加快翻转速率和减少能耗，两个主要方向入手，系统分析各个方案的可行性，最后，以分析结果为依据，对STT-MRAM的优化提出了几点展望。
内蒙古大学硕士学位论文第13页型，通过微磁模拟，可以更加直观地观察到磁性材料内部磁矩随时间的变化情况。在研究STT-MRAM时，这两种方法都是十分有效的，一般采用两种方法相结合的手段，展开研究。宏自旋模型的理论基础是Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程，该方程通常被用来解释自旋转移矩效应下的磁性隧道结自由层磁矩动态特性，如图2.1所示，该图为隧道结宏自旋模型的示意图。图2.1磁性隧道结宏自旋模型示意图FIG.2.1Aschematicdiagramofthemacrospinmodelforamagnetictunneljunction一个隧道结由两个铁磁层中间夹着一个非磁性金属氧化物势垒层构成，整体分为三层，因此也叫做“三明治”结构[45]。在图2.1中，z轴正方向为易磁化轴方向，pm表示钉扎层的单位磁矩,J是通入隧道结的电流，m表示自由层磁矩，该磁矩方向与z轴的夹角为，其在yx平面上的投影与x轴的夹角为。极化层绝缘层自由层xzympmJ0
【参考文献】：
期刊论文
[1]STT-MRAM存储器的研究进展[J]. 赵巍胜,王昭昊,彭守仲,王乐知,常亮,张有光. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(10)
[2]形状各向异性对垂直磁隧道结磁化动态的影响[J]. 刘斌,刘喆颉,杨毅彪,刘欣. 微纳电子技术. 2015(03)
[3]磁随机存储器的研究进展[J]. 孔令刚,韩汝琦. 磁性材料及器件. 2005(05)
博士论文
[1]磁隧道结模型及自旋转移力矩磁随机存储器设计技术研究[D]. 张丽.西安电子科技大学 2014
硕士论文
[1]磁隧道结中自旋转移矩效应动态特性及热稳定性的研究[D]. 李磊鑫.太原理工大学 2016
[2]STT-MRAM信息存储机理仿真研究[D]. 于发发.华中科技大学 2013
本文编号：3130146
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