电子基础材料 3

第四章

自旋存储器课程提纲第四章磁存储器4.1磁存储器简史磁存储器的发展历程磁存储器信息的写入与读取4.2

Toggle-MRAM4.3

STT-MRAM4.4

SOT-MRAM4.1​​磁存储器简史-存储器基本概念非易失存储存储器稳定性非易失存储（Non-VolatileStorage,NVS）是指断电后仍能长期保存数据的存储介质，与易失性存储（如内存）相对。主要特点​：​断电数据不丢失​：即使设备关闭或断电，存储的信息仍然保留。​持久性强​：适用于长期存储关键数据，如操作系统、用户文件等。​读写速度通常低于易失性存储​（如DRAM），但部分新型NVS（如NVMeSSD）已大幅提升性能。常见类型：机械硬盘固态硬盘闪存

该表达式中的嵌套指数使得衰减速率对能量比​KuV/kBT​（业内称为热稳定性比）极为敏感。为确保数据在磁带通常预期的数十年存档时间内得以保留，该比值必须保持在​​≈60以上。（注：KuV/kBT是磁记录技术中的关键参数，其中Ku

为磁各向异性常数，V为磁颗粒体积，kB

为玻尔兹曼常数，T为温度。比值越高，数据抗热扰动能力越强。）4.1​​磁存储器简史-磁带ACMTrans.Storage,Vol.21,No.1,Article6.Publicationdate:January2025磁带存储原理磁带材料结构示意图磁带磁化分布示意图最先进的企业级磁带机具有50TB的原生磁带容量和400MB/s的原生数据传输速率。企业级自动化磁带库可扩展的存储容量高达数百PB，其数据中心的空间使用效率超过50PB/平方米，现主要用于商业备份。1928年德国工程师FritzPfleumer制作出了世界上第一盘简易磁带，将许多磁性颗粒粘在纸条的一面，用于记录声音。4.2​​磁存储器简史-磁鼓ACMTrans.Storage,Vol.21,No.1,Article6.Publicationdate:January2025磁鼓存储原理磁鼓装置图鼓式存储器在20世纪50年代至60年代初被广泛用作计算机内存。1932年，IBM公司工程师GustavTauschek发明了第一台磁鼓存储器并应用于计算机存储器4.2​​磁存储器简史-磁芯存储器磁芯存储原理磁芯装置图磁芯存储器（英语：MagneticCoreMemory）是一种在1940年代问世的存储器。磁芯存储器是利用磁性材料制成之存储器，其原理为：将磁环（磁芯）带磁性或不带磁性之状态，用以代表1或0之比特，一长串1或0之组合就代表要存储之信息写入每一个作为存储单元的环都有两条导线通过，当需要写入资料到单元中时，横竖的导线各通以介于0.5倍～1倍磁化阈值的电流，对于目标单元来说，通过的电流总和会到达磁化的阈值，而对于挂在这两条线的其他单元来说，通过的电流将低于改变状态所需电流，并不会造成内容的变动。读取若要读取一个特定的存储单元，则给对应的导线通以电流尝试将该单元的比特设为0，若是该单元原本存储的资料是0则不会发生任何改变；若为1则该单元会被写入0并在磁极改变时发出一个电流脉冲，即可以得知该单元原本所保存的资料是0或是1，从读取开始到脉冲发生的时间为存储器的读取时间，但同时该单元将会无条件的变成0。因为读取操作属于破坏性读取，所以有必要将原始资料写回该存储单元，这一个读取与写入耗时总和为存储器周期。4.2​​磁存储器简史-硬盘驱动器HDD硬盘存储器原理硬盘置图硬盘驱动器（英语：HardDiskDrive，缩写：HDD），简称硬盘（harddisk），1956年IBM305RAMAC是现代硬盘的雏形，它相当于两个冰箱的体积，不过其存储容量只有5MB。在1960年代初成为通用式电脑中主要的辅助存放设备。感应线圈读取磁头到GMR磁头IBM305RAMAC现在PC中商用硬盘4.2​​磁存储器简史-软盘软盘存储缺陷软盘及软盘驱动器图软盘（英语：floppydisk），是一种碟盘存储设备，主要部分是一张薄软的磁存储介质盘片，盘片封装在矩形塑料壳中，内衬有用于清理灰尘的纤维织物。4.2​​磁存储器简史-Toggle

MRAMToggleMRAM工作原理技术特点首款产品推出​：2006年，飞思卡尔半导体（现恩智浦NXP）推出全球首个商业化ToggleMRAM芯片，容量4Mb，采用180nm工艺，读写速度35ns。非易失性​：断电数据不丢失；​高速读写​：与SRAM相当（访问时间低于35ns）；​高可靠性​：抗辐射、耐极端温度（-40°C至125°C）。​应用领域​：早期应用于航空航天、工业控制等对可靠性要求高的场景，如空客A350飞机控制系统。知识点7课程提纲第四章磁存储器4.1磁存储器简史磁存储器的发展历程磁存储器信息的写入与读取4.2

Toggle-MRAM4.3

STT-MRAM4.4

SOT-MRAM4.3.1​​自旋转移力矩磁随机存储器STT-MRAM低阻态高阻态磁隧道结：两层铁磁薄膜被一层绝缘层分开，读取写入电流沿着垂直方向传输。“通用存储器”快速高密度非易失性4.3.1​​自旋转移力矩磁随机存储器STT-MRAM

Field-induced

magnetizationswitching(FIMS)Thermally-assisted

switching(TAS)Current-induced

switching(CIS)Dienyet

al.,

Int.

J.

Nanotech.20104.3.2​​自旋转移力矩纳米振荡器STNOExternal

fields

favors

P

configuration,

current

favors

AP

→

steadystate

oscillationsRippardet

al.,PRL

92,

027201

(2004)Kiselev

et

al.,Nature

425,

380

(2003)电阻vs

电流直流电流→磁化进动→GMR在共振场频率附近发生改变→在上下电极处产生微波电压信号微波电压vs

电流及频率的变化4.4自旋轨道力矩磁随机存储器SOT-MRAMmagnetic

fieldspin

transfer

(STT)spin-orbit

torque(SOT)“通用存储器”快速

高密度

非易失性读取TMR

写入高耐受性低集成性低耐受性高集成性高耐受性高集成性4.4自旋轨道力矩磁随机存储器SOT-MRAMCubukcu

et

al.,

APL

104,

042406

(2014)面内（易）磁化

MTJ面内（易）磁化

-MTJLiu

et

al.,

Science

336,

555

(2012)174.4自旋轨道力矩磁随机存储器SOT-MRAMCURRENT

DEPENDENCEBext

=

400

OeTa(

20)/Fe60Co20B20(1)/MgO/Fe60Co20B20(1.5)/Ta(5)/Ru(7)

annealed

1h

at

240CTMR:

55%,

RA

=

1.15

kΩ.µm²4.4.2自旋轨道力矩驱动超快磁化翻转Pulser(0.2

ns

–

10

ms)PtθVHzxy100kΩ100ΩDCCoAlOxK.

Garello

et

al.,

Appl.

Phys.

Lett.

105,

212402

(2014)4.4.3自旋轨道力矩驱动垂直磁化翻转动力学过程α

=

0.5Bk

=

1

T

Bext

=

0.1

T

Jp

=

8∙

108

Acm-2TAD

~

50

mT/108

Acm-2t

(ns)TADMM

TAD4.4.4自旋轨道力矩驱动磁化随机翻转4.4.5自旋轨道力矩驱动磁化短脉冲翻转4.4.6

SOTvsSTTSTT-MTJ力矩来自旋过滤效应