CC BY
42ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
УДК 538.955:621.377.624.6:004.942 DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-1-7-29
Спиновые вентили в микроэлектронике
Обзор
1 "у
Ю.А. Юсипова , А.И. Попов
1 Институт проблем проектирования в микроэлектронике
Российской академии наук, г. Москва, Россия
2
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
linda_nike@mail.ru
Базовым элементом микромагнитных устройств являются слоистые спин-вентильные структуры. Малые размеры, совместимость с КМОП-технологией, хорошая масштабируемость и разнообразные режимы работы делают спин-вентильные структуры универсальным компонентом современной микроэлектроники. Цель настоящей работы - анализ, систематизация и обобщение сведений по теоретическим основам функционирования, экспериментальным данным и применению спиновых вентилей. В работе рассмотрены накопители на жестких магнитных дисках, магни-торезистивная память с произвольным доступом, спин-трансферные нано-осцилляторы, магнитные биосенсоры, а также различные вычислительные системы, работающие по принципам стохастической и детерминированной логики. Использованы ключевые теоретические работы, посвященные гигантскому магнетосопротивлению и спиновому переносу. Систематизированы данные о различных типах считывающих головок жестких дисков, проведено сравнение их архитектуры и параметров. Показано, как современные научные исследования наномагнитных явлений ускоряют темпы роста плотности записи. Проведен анализ современных исследований, посвященных магниторезистивной памяти с произвольным доступом. Обсуждены проблемы энергоэффективности и увеличения степени интеграции для данных устройств. Рассмотрены последние достижения в области материалов, геометрии и свойств спин-трансферных наноосцилляторов, а также проблемы и перспективы развития данной технологии. Проведен анализ теоретических и экспериментальных работ, в которых спин-вентильные структуры задействованы для выполнения логических операций булевой и небулевой логик. Показано, как вероятностный характер неустойчивого переключения спиновых вентилей используется в работе нетрадиционных вычислительных систем, а именно нейроморфных или байесовских сетей. Рассмотрены принципы работы спиновых вентилей в качестве магнитных биосенсоров и обсуждены преимущества их применения.
© Ю.А. Юсипова, А.И. Попов, 2021
Ключевые слова: гигантское магнетосопротивление; магниторезистивная память с произвольным доступом; спиновый вентиль; магнитный туннельный переход; считывающие головки жестких дисков; спин-трансферные наноосцилляторы; спиновая логика; магнитные биосенсоры
Для цитирования: Юсипова Ю.А., Попов А.И. Спиновые вентили в микроэлектронике. Обзор // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 1. С. 7-29. DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-1-7-29
Spin Valves in Microelectronics
Review
* 1 2 Iu.A. Iusipova , A.I. Popov
institute for Design Problems in Microelectronics of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia linda_nike@mail.ru
Abstract: The base element of micromagnetic devices are the layered spin-valve structures. Small sizes, compatibility with the CMOS technology, scaling ability and various work conditions make the spin-valve structures a universal component of modern microelectronics. The purpose of present work is the analysis, systematization and generalization of the data of the work theoretical bases, experimental data and the application of spin valves. In the review, the hard disc drives, random-access magnetoresistive memory, the spin-transfer nano-oscillators, the magnetic biosensors, as well as various computing systems, operating on the principles of stochastic and deterministic logic, have been considered. The key theoretical works devoted to giant magnetoresistance and spin transfer have been used. The data on various types of the hard-disc readheads have been systematized, their architecture and parameters have been compared, and it has been shown how modern scientific research of nanomagnetic phenomena accelerates the growth rate of the recording density. The analysis of modern research devoted to magnetoresistive random access memory has been carried out. The problems of energy efficiency and increasing the degree of the integration for these devices have been discussed. The latest achievements in the field of materials, geometry and the properties of the spin-transfer nano-oscillators, as well as the problems and prospects for the development of this technology have been considered. The analysis of theoretical and experimental works, in which the spin-gate structures have been used to perform the logical operations of Boolean and non-Boolean logic, has been carried out. It has been shown how the probabilistic nature of the unstable switching of spin gates is used in the operation of the unconventional computing systems, namely, neuromorphic or Bayesian networks. The principles of operation of the spin valves as magnetic biosensors have been considered and the advantages of their application have been discussed.
Keywords: giant magnetoresistance; random access megnetoresistive memory; spin valve; magnetic tunnel junction; hard disc redheads; spin-transfer nano-oscillators; spin logic; magnetic biosensors
For citation: Iusipova Iu.A., Popov A.I. Spin valves in microelectronics. Review. Proc. Univ. Electronics, 2021, vol. 26, no. 1, pp. 7-29. DOI: 10.24151/1561-54052021-26-1-7-29
Введение. Спин-вентильные магнитные сверхрешетки имеют множество приложений в микроэлектронике, так как характеризуются большим количеством разных режимов работы. В работе магниторезистивной памяти с произвольным доступом (Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM) и считывающих головок накопителей на жестких магнитных дисках (Hard Magnetic Disk Drive, HMDD) и для реализации детерминированной спиновой логики используется переключение спинового вентиля из антипараллельного состояния в параллельное и наоборот. Переключение с двумя вероятными исходами лежит в основе стохастической спиновой логики (Probabilistic Spin Logic, PSL), тогда как прецессионная мода применяется в работе спин-трансферных наноосцилляторов (Spin-Transfer Nano-Oscillators, STNO). Высокая чувствительность спиновых вентилей к магнитному полю используется в разнообразных магнитных биосенсорах.
Несмотря на то что первые HMDD введены в эксплуатацию в 1956 г., этот вид памяти до сих пор самый распространенный среди постоянных хранилищ данных благодаря энергонезависимости, простоте в изготовлении и высокой надежности. MRAM, обладая всеми преимуществами HMDD, имеет более высокое быстродействие и малые размеры. К тому же в ее архитектуру не входят движущиеся части, что делает эту память возможной заменой всех остальных типов памяти в будущем. Управляемые генераторы STNO имеют широкие частотные и амплитудные характеристики, которые можно динамически изменять с помощью магнитного поля и электрического тока.
Спиновая логика - это новая область информатики и математики, которая рассматривается в качестве перспективного подхода для решения проблем поиска, обнаружения и вывода, связанных с постоянно растущим объемом «больших данных». Основными преимуществами устройств спиновой логики являются обратимость процессов, возможность реализации детерминированных и вероятностных вычислений, а также хранение данных в одной интегральной схеме. Отметим также, что матрицы спин-вентильных биосенсоров перспективны для использования в биомедицине в качестве экспресс-тестов для молекулярной диагностики рака, инфекций, лучевого поражения, сердечно-сосудистых заболеваний. Малые размеры, совместимость с КМОП-технологией, хорошая масштабируемость и разнообразие режимов работы позволяют спин-вентильным структурам стать универсальными компонентами современной микроэлектроники.
Цель настоящей работы - анализ, систематизация и обобщение сведений по теоретическим основам работы, экспериментальным данным и применению спиновых вентилей.
Гигантское магнетосопротивление и спиновый вентиль. Важность спина электрона в управлении транспортными свойствами отмечена в работе [1], посвященной электропроводности переходных металлов и их сплавов. В двухтоковой модели Н. Мотта проводимость ферромагнитного металла представляется как сумма проводи-мостей двух независимых токовых каналов, соответствующих электронам с противоположными спинами [2]. Зависимость проводимости от ориентации спинов в ферромагнетиках впервые экспериментально продемонстрирована и количественно описана в работе [3].
При температурах существенно ниже температуры Кюри вероятность рассеяния электронов с сохранением спина в металлах выше вероятности рассеяния с переворотом спина. В ферромагнетиках скорости рассеяния электронов с противоположными спинами значительно различаются независимо от природы рассеивающих центров. Спин-зависимое рассеяние приводит к различным длинам свободного пробега для электронов со спином вниз и со спином вверх значения которых могут достигать нескольких десятков нанометров в тонкопленочных металлических структурах. Следовательно, можно говорить о различной электрической проводимости для двух параллельных спиновых каналов [4, 5]. Согласно двухтоковой модели проводимость ферромагнитного проводника в низкотемпературном пределе равна:
ст =-,
PtP^
где р| и р| - удельные сопротивления ферромагнетика для электронов со спином вверх и вниз соответственно.
Данные удельные сопротивления можно выразить через удельное сопротивление ферромагнетика р^ и коэффициент токовой поляризации Р: р; = 2р^ / (1 ± Р), где / = Асимметрия между двумя каналами характеризуется коэффициентом спиновой асимметрии к = р| / р|. Удельное сопротивление р; можно записать как функцию эффективной массы т;, времени релаксации т; и концентрации п.
т:
Р1 = г
1 2 nie ^
где е - заряд электрона.
Для типа рассеивающего потенциала без переворота спина время релаксации т; определяется матричными элементами потенциала У-, плотностью состояний щ(Ер) на уровне Ферми и в приближении Борна имеет вид
'Г1
(О
Таким образом, спиновая зависимость удельного соротивления р; обусловлена зависимостью т;, X;, от ориентации спинов, однако в переходных металлах наиболее важной причиной является пропорциональность скорости рассеяния и плотности состояний п;(Ер). В данном случае основной вклад в перенос электрического заряда вносят высокоподвижные 5- и р-электроны из валентной зоны ввиду их малой эффективной массы т;, в то время как ^-электроны играют роль рассеивающих центров. В ферромагнетиках ^-уровни обменно-расщепленные, так что электроны со спином вверх и вниз имеют разные плотности состояний при энергии Ферми п;(Ер) и, соответственно, различные скорости рассеяния.
Несмотря на то что двухтоковая модель слишком упрощена и не учитывает эффектов сильной ^^-гибридизации, теория Н. Мотта объясняет высокое удельное сопротивление ферромагнитных металлов и различные гальваномагнитные эффекты (анизотропного, гигантского и туннельного магнетосопротивления), а также вводит понятие спинового транспорта [5].
Эффект магнетосопротивления заключается в изменении электрического сопротивления ферромагнитного проводника в магнитном поле. Коэффициент магнетосо-противления 5мЯ рассчитывается как (Ян - Я0) / Ян, где Ян и Я0 - соответственно сопро-
тивления ферромагнетика в магнитном поле H и в его отсутствие. При продольном гальваномагнитном эффекте, когда магнитное поле направлено вдоль проводника (эффект анизотропного магнетосопротивления (Anisotropic Magnetoresistance, AMR)), коэффициент ôMR может достигать 1,5 % для никеля в магнитном поле H = 800 кА/м [4].
Гальваномагнитные эффекты гигантского (Giant Magnetoresistance, GMR) и туннельного (Tunnel Magnetoresistance, TMR) магнетосопротивлений наблюдаются в многослойных тонкопленочных структурах - магнитных сверхрешетках. Простейшая конфигурация такой сверхрешетки состоит из относительно толстого «закрепленного» (pinned) ферромагнитного слоя FM1, который служит поляризатором тока, немагнитной прослойки N и относительно тонкого «свободного» (free) слоя FM2. Слой антиферромагнетика AF нужен для фиксации намагниченности закрепленного слоя (рис.1,а). В качестве немагнитной прослойки используют немагнитный металл (например, медь) или тонкий диэлектрик (например, MgO). Такие структуры обычно называют классическим спиновым вентилем или магнитным туннельным переходом (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) соответственно [6].
Рис.1. Спиновый вентиль (а), схематическое изображение механизма GMR для спинового вентиля в параллельном (б) и антипараллельном (в) состояниях [4] Fig. 1. Spin valve (a), schematic representation of the GMR mechanism for a spin valve in a parallel state (b)
and in an antiparallel state (c) [4]
Спиновый вентиль можно включить в цепь двумя способами. При геометрии «ток в плоскости» (Current-in-Plane, CIP) металлические контакты расположены на стороне свободного слоя, при этом ток протекает вдоль слоев сверхрешетки. В конфигурации «ток перпендикулярен плоскости» (Current-Perpendicular-Plane, CPP) электроды расположены по разные стороны магниторезистивного устройства, так что ток протекает поперек слоев структуры [4].
Величина потока электронов через поперечное сечение спинового вентиля зависит от направления их спина относительно намагниченности ее ферромагнитных слоев. В случае если намагниченность слоев параллельна (P), электроны со спином вниз, проходя через поперечное сечение сверхрешетки, испытывают сильное рассеяние, так как их спин антипараллелен намагниченности обоих ферромагнитных слоев. Электроны, спин которых параллелен намагниченности, проходят сечение с минимальным рассеянием (рис.1,б). Таким образом, полное сопротивление многослойной структуры RP главным образом определяется высокой проводимостью для электронов со спином вверх и имеет относительно небольшую величину. Когда намагниченности ферромагнитных слоев антипараллельны друг другу (AP), электроны сильно рассеиваются в соответствующих
ферромагнитных слоях вне зависимости от направления спина (рис.1,в). Следовательно, общее сопротивление многослойной структуры Rap будет большим [5]. Отношение (Rap - Rp) / RP известно как коэффициент гигантского магнетосопротивления 5qmr, если прослойка между ферромагнитными слоями металлическая, и как коэффициент туннельного магнетосопротивления (TMR) Ôtmr, если прослойка изолирующая [6].
Полное сопротивление магнитной сверхрешетки R для произвольного положения векторов намагниченности свободного и закрепленного слоя определяется соотношением
„ Rp + Rap Rp — RAP г,
R = _р-Ap + _р-Aр cos р,
2 2
где в - угол между векторами намагниченности свободного и закрепленного слоев [5].
Физические и теоретические модели гигантского магнетосопротивления. Простейшее количественное описание GMR может быть получено с использованием рези-сторной модели: каждый металлический слой рассматривается как независимый резистор, добавляемый последовательно. Это предположение является лучшим приближением для конфигурации CPP, но качественно его можно использовать и для геометрии CIP, предполагая, что длина свободного пробега электрона много больше, чем толщина немагнитной прослойки, а общая вероятность рассеяния является суммой вероятностей рассеяния в каждом слое. Следовательно, в данном спиновом канале общее сопротивление есть сумма сопротивлений каждого слоя, а эквивалентная схема структуры в целом состоит из параллельно соединенных сопротивлений спиновых каналов [5].
Рассмотрим трехслойную магнитную сверхрешетку в геометрии CPP. Структура имеет прямоугольное поперечное сечение со сторонами a и l и состоит из двух ферромагнитных слоев FMI и FM2 толщиной соответственно dFM1 и dFM2 и металлической немагнитной прослойки между ними толщиной dNM и удельным сопротивлением pNM (см. рис.1). Сопротивление данного спинового вентиля в антипараллельной Rap и параллельной RP конфигурациях определяется выражениями
rap - —; al
f i i_Y
,n I +
dfm lp^ + dfm 2pt + dnm pn dfm lpt + dfm 2p^ + dnm pn
P al
f l 1 ^
-i
dfm 1pt + dfm 2pt + dnm pn dfm 1p^ + dfm 2p^ + dnm pn
V РМ ^ | рМ ¿г | рМ 1Г-^ рМ ¿г ^ у
Выражение для расчета коэффициента гигантского магнетосопротивления бомя имеет вид
\2
RAP - RP _ dfm 1dfm2 - pt )
s _ rap rp
°GMR
кр ((^км 1рт + (^км2рт + dnm рш )((^км + (^км2р^ + dnm ркм )
При равных толщинах ферромагнитных слоев = dpм2 = dpм) коэффициент
бот можно выразить через коэффициент спиновой асимметрии к [5]:
8 - (к"1)2
(2к + dnmpnm ! dfmpt)(2 + dnmpnm ! dfmpt)
1
При Рлм << Ррм ЭТУ зависимость можно представить в следующем виде:
(к-1)2 р2
8, 7 - Р
ОМЯ - Л - л2 . 4к 1 - р2
Приведенное описание эффекта GMR объясняет его происхождение, основанное исключительно на спин-зависимом рассеянии, происходящем в объеме ферромагнитных слоев, что имеет место только тогда, когда расстояние между этими слоями, т.е.
толщина немагнитного слоя <лм, много меньше длины свободного пробега электронов ^1. В противном случае значительный вклад в спин-зависимое рассеяние вносит наличие границ разделов между ферромагнитным и немагнитным слоями [4]. Для более
достоверного описания эффекта GMR при толщине <лм, сравнимой с ^1, необходимо учитывать физическое происхождение спин-зависимого рассеяния, а также выходить за рамки моделей свободных электронов.
Итак, реалистичное описание GMR требует обработки волновых функций объемного и интерфейсного спин-зависимых рассеяний, более или менее направленных внутрь слоев с помощью зеркальных отражений на границе раздела. Длина свободного
пробега ^1 определяет диапазон, в котором должны быть усреднены различные спин-зависимые рассеяния. Основная трудность для количественных теоретических предсказаний заключается в ограничении имеющейся информации о дефектах внутри структуры и, соответственно, о спиновой зависимости внешних объемных и межфазных потенциалов рассеяния. Поэтому теоретические модели только качественно могут описать все основные закономерности, следовательно теория GMR не может быть количественно предсказательной [7].
Динамика вектора намагниченности свободного слоя спинового вентиля. Для построения микроэлектронных устройств на основе спиновых вентилей должна быть возможность динамически изменять сопротивление спинового вентиля. В 1996 г. Дж. Слончевским была опубликована работа, в которой предложен новый на тот момент механизм изменения магнитного состояния ферромагнетика [8]. Рассматривалась пятислойная магнитная сверхрешетка с двумя свободными ферромагнитными слоями FM1 и FM2 и тремя немагнитными прослойками A, B и C. Векторы намагниченности М1 и М2 соответственно ферромагнитных слоев FM1 и FM2 образуют между собой угол р. Предполагая баллистические условия и используя квазиклассическое приближение волновых функций, показано, что электрический ток, протекающий перпендикулярно такой структуре, поляризуется и переносит спиновый момент, управляющий движением векторов М1 и М2.
Динамика вектора намагниченности М2 описывается уравнением Ландау - Лиф-шица - Гильберта:
^-Ым.хн^-уО^м^Кхм,]]^
M2 X
dM2 ~dt~
(2)
где у - гиромагнитное отношение; цо - магнитная постоянная; G - токовый коэффициент в форме Слончевского - Берже, который выражается через коэффициент поляризации P; Ь - постоянная Планка; e - элементарный заряд; Ms - намагниченность насыщения; а - коэффициент диссипации:
О - 4Р3/2 ((1 + Р)3(3 + (т1,т2)) -16Р3/2 ) 1.
Здесь Ш1,2 = М1,2 / Ms.
Эффективное поле Н^ включает в себя поле магнитной анизотропии На, которое равно (2М^ / (М82ц0))ех для направления вдоль оси OX или (2М^ / (Ms2ц0))eг для перпендикулярного направления, поле размагничивания Н = -Ме и внешнее магнитное поле Н, где MX, MY, MZ - проекции вектора М2 на оси OX, OY, OZ (см. рис.1), ех, еу, г1 - единичные орты, направленные вдоль соответствующих осей.
Теоретическому анализу эффекта переключения трехслойной структуры посвящено много работ, например [9-18]. При этом рассматривались различные конфигурации магнитных сверхрешеток, а также разные направления магнитного поля и анизотропии ферромагнитных слоев. В работах [10, 11] представлены эксперименты по переключению электрическим током трехслойной спин-вентильной структуры на основе кобальта с медной немагнитной прослойкой в геометрии СРР. Получена формула для расчета критического тока переключения спинового вентиля с использованием модели Слон-чевского, в которой текущая спиновая асимметрия рассчитывается по формулам Валет-та - Ферта. В работе [12] теоретически предсказано существование режима прецессии намагниченности. Выводы получены путем решения детерминированного уравнения Ландау - Лифшица - Гильберта с токовым слагаемым Слончевского - Берже, а также предложены аналитические процедуры для оценки эффективного потенциального барьера, разделяющего прецессионную и переключательную моды.
В работах [13-18] проведен качественный анализ системы уравнений (2) для классического спинового вентиля (см. рис.1), в котором направление и величина вектора М1 фиксированы. При этом рассматривались различные материалы ферромагнитных слоев, а также конфигурации направлений анизотропии и внешнего магнитного поля. Такой анализ динамической системы включает в себя следующие пункты: расчет координат особых точек (положений равновесия вектора М2); определение типа положений равновесия вектора М2; расчет динамики вектора намагниченности М2; построение бифуркационных диаграмм путем разбиения плоскости управляющих параметров Н^ на области, где совпадает число и тип особых точек, а характеристики динамики вектора М2 качественно не меняются.
На рис.2. представлены бифуркационные диаграммы, построенные для спинового вентиля на основе кобальта с планарной [13, 14] и перпендикулярной [17] анизотропией, а также пермаллоя с перпендикулярной анизотропией [17] в магнитном поле, параллельном оси анизотропии. Для случая с планарной анизотропией в каждой области может существовать от двух до шести положений равновесия вектора М2 [13], в то время как для перпендикулярной анизотропии в каждой области существуют две или четыре особые точки [17]. При H = 0 и J = 0 для анизотропии, направленной вдоль оси OX, у вектора М2 есть шесть положений равновесия: устойчивые фокусы T1 (1,0,0) и T2 (-1,0,0), неустойчивые фокусы 73 (0,0,1) и 74 (0,0,-1), а также седла Т5 (0,1,0) и T6 (0,-1,0). Для случая, когда анизотропия направлена вдоль оси OZ, при нулевом поле и токе существуют всего две особые точки Т3 (0,0,1) и Т4 (0,0,-1), при этом для магни-томягких материалов они имеют тип «неустойчивые фокусы», а для магнитотвердых -«устойчивые фокусы» [17]. Для определения фазовых портретов для каждой области бифуркационных диаграмм построены годографы вектора М2, анализ которых позволил выделить следующие типы динамики вектора намагниченности: 1Бд1 - переключение вектора намагниченности в положение равновесия Тд1; 2Бд1,д2 - переключение вектора М2 с двумя возможными исходами Тд1 и Тд2; 38д1,д2,д3- переключение вектора М2
с тремя вероятными исходами Тд1, Тд2 и Тч3; ЦЬС - динамика вектора намагниченности с неустойчивым предельным циклом; ЬС - устойчивая прецессия вектора М2; 2ЬС - динамика вектора М2 с двумя устойчивыми предельными циклами; 2ЬС+1Б2 - динамика вектора намагниченности с тремя вероятными исходами: «наматывание» на один из двух устойчивых предельных циклов или переключение в точку Т2 (д1-3 - номера особых точек).
Среди данных динамических режимов три нашли применение в качестве базовых для работы микроэлектронных устройств. Моды переключения с двумя вероятными исходами 2Б1,2 (планарная анизотропия ферромагнитных слоев) и 2Б3,4 (перпендикулярная анизотропия) являются основными в работе элементов РБЬ. Режимы с устойчивой прецессией (ЬС и 2ЬС) находят применение в работе БТКО. Переключение спинового вентиля из параллельного состояния в антипараллельное и обратно (1Б1, 1Б2 - планарная анизотропия, 1Б3, 1Б4 - перпендикулярная) используется для реализации детерминированной спиновой логики (БЬ), МЯАМ и HMDD [18].
Рис.2. Бифуркационные диаграммы для спинового вентиля на основе кобальта с планар-ной [13, 14] (а), перпендикулярной [18] (б) анизотропией слоев и на основе пермаллоя
с перпендикулярной анизотропией слоев (в) Fig.2. Bifurcation diagrams for a spin valve based on cobalt with planar [13, 14] (a), and perpendicular anisotropy of layers [18] (b), and permalloy with perpendicular anisotropy of layers (c)
Считывающие головки жестких дисков. В 1898 г. В. Поульсеном было предложено первое магнитное запоминающее устройство, которое представляло собой прибор, записывающий звук на стальную струну с помощью микрофона, соединенного с электромагнитной катушкой, при этом информация считывалась такой же катушкой с динамиком. Этот принцип лежит в основе работы HMDD. В качестве стальной струны выступают стеклянные или алюминиевые пластины, покрытые тонкой ферромагнитной пленкой, которые могут двигаться относительно головки чтения-записи. Плотность записи HMDD в первую очередь определяется размером и конструкцией этих головок.
Первые жесткие диски IBM Storage 350 RAMAC введены в качестве хранилища данных в 1956 г. для вычислений в режиме реального времени. Они состояли из 50 24-дюймовых дисков, которые вращались со скоростью 20 об/с. Головка чтения-записи в этих устройствах представляет собой классический электромагнит с U-образным ферромагнитным сердечником (рис.3,а). Направление магнитного поля, создаваемого головкой, определяется направлением электрического тока записи, протекающего в обмотке. При выполнении операции записи на поверхности пластины HMDD создаются магнитные домены (ячейки памяти), в зависимости от ориентации намагниченности которых кодируется двоичная информация. Информация считывается при движении головки чтения-записи над пластиной, магнитное поле доменов приводит к возникновению индукционного тока чтения в обмотке. Замена ферромагнитных сердечников на ферритовые на основе оксида железа позволила увеличить плотность записи до 50 Кбит/дюйм , а емкость жестких дисков до 70 МБ. Такие головки чтения-записи входили в архитектуру накопителя на жестких магнитных дисках IBM 3340 30-30 (Winchester), выпущенного в 1973 г. Ферритовые головки в керамическом корпусе широко использовались в технологии HMDD до середины 1980-х гг. [19].
Рис.3. Схематическое изображение ферромагнитных (а), MIG (б) и тонкопленочных (в)
головок чтения-записи HMDD Fig.3. Schematic representation of ferromagnetic (a), MIG (b) and thin-film (c) HMDD read/write heads
Архитектура композитных головок (Metal-In-Gap, MIG) аналогична конструкции ферритовых, за тем исключением, что нерабочий зазор между составляющими сердечника заполнен немагнитным металлом (рис.3,б). Это приводит к повышению намагниченности насыщения материала сердечника, и, благодаря увеличению магнитной индукции, улучшается четкость границ ячеек памяти. Данный факт позволяет использовать более тонкий магнитный слой, уменьшать габариты головки чтения-записи и рабочего зазора, в итоге плотность записи информации увеличивается [19].
Первые тонкопленочные (Thin-Film, TF) индуктивные головки чтения-записи (рис.3,б) введены в эксплуатацию в 1979 г. и до сих пор используются в конструкции современных HMDD. TF-головки изготавливаются по технологии интегральных микросхем путем напыления металлических тонких пленок на подложку. Таким образом достигается уменьшение габаритов головки и зазора между ней и поверхностью диска, что позволяет увеличить число пластин без увеличения размеров самого HMDD. Уменьшение расстояния головка - диск также способствует увеличению остаточной намагниченности и, следовательно, минимизации размера ячейки памяти HMDD и повышению амплитуды считывающего сигнала [20].
Электромагнитные, ферритовые, MIG- и TF-головки одновременно являются и головками чтения, и головками записи, в то время как головки на основе эффекта AMR состоят из считывающего AMR-сенсора (рис.4,а) и записывающего TF-элемента (см. рис.3,б). Считывающая головка на основе AMR является резистивным датчиком магнитного поля, а не генератором электродвижущей силы (как рассмотренные ранее головки чтения-записи). Отметим, что размер магнитных доменов, создаваемых TF-головкой, много больше габаритов AMR-сенсора. Поэтому существенно увеличивается отношение сигнал/шум тока считывания, что уменьшает вероятность ошибок считывания на несколько порядков. Однако высокая чувствительность AMR-сенсора требует обязательного экранирования от магнитных полей, создаваемых TF-головкой. Применение датчика на основе эффекта AMR в архитектуре HMDD позволило увеличить плотности записи данных на два порядка [21].
Рис.4. Магниторезистивные считывающие головки HMDD: а - AMR-сенсор; б - GMR-сенсор с синтетическим ферромагнетиком; в - зеркальная GMR-головка; г - двойная зеркальная
GMR-головка
Fig.4. Magnetoresistive reading heads HMDD: AMR sensor (a); GMR sensor with synthetic ferromagnet (b); mirror GMR head (c); double mirror GMR head (d)
Считывающие головки на основе эффекта GMR начали применяться в накопителях в конце 1990-х гг. В качестве магниторезистивного датчика использовался классический спиновый вентиль (см. рис.1), который переключался в магнитном поле ячейки HMDD. Замена AMR-сенсора на спиновый вентиль позволила повысить темп роста плотности записи до 100 % в год. Это обусловлено тем, что коэффициент AMR 5AMR для самого современного AMR-сенсора не превышает 2 %, в то время как коэффициент 5GMR может достигать 31 и 34 % для сплавов Fe60Co20B20 и Fe70Co30 соответственно [18]. Благодаря этому GMR-головки имеют более высокую чувствительность, а также менее подвержены интерференционному эффекту отрицательного магнетосопротивления. Так как до 2005 г. в технологии HMDD использовалась продольная запись на диск (анизо-
тропия ферромагнитного слоя диска параллельна плоскости слоя), в первом поколении GMR-головок применялись спиновые вентили в геометрии CIP с планарной анизотропией слоев. Внедрение технологии перпендикулярной записи (анизотропия ферромагнитного слоя диска перпендикулярна плоскости слоя) привело к значительному уменьшению площади ячеек памяти HMDD и, соответственно, к плотности записи. Считывающие GMR-сенсоры для такого типа записи имеют геометрию CPP [21].
В головке чтения GMR с синтетическим ферромагнетиком используется спин-вентильная структура в геометрии CPP, для повышения чувствительности добавлен еще один дополнительный «базовый» слой (reference), отделенный от закрепленного рутениевым (Ru) слоем (рис.4,б). Вектор намагниченности базового слоя антипаралле-лен вектору намагниченности закрепленного слоя и не может изменять свое направление. Добавление базового и рутениевого слоев в структуру позволяет уменьшить ширину магнитостатической зоны между закрепленным и свободным слоями, снижает паразитные сопротивления на границе разделов между магнитными и немагнитными слоями. Ферромагнитные слои таких GMR-сенсоров изготавливаются из различных синтетических сплавов, таких как CoFe, CoFeCu и CoFeAl, CoFeB, CoGd. Введение считывающих GMR-головок позволило повысить плотность записи до 30 Гбит/дюйм .
При уменьшении размеров считывающей головки возникает эффект снижения рассеяния электронов с противоположным спином из-за уменьшения толщины ферромагнитных слоев, что приводит к существенному уменьшению коэффициента 5GMR. Для уменьшения этого эффекта в считывающие головки HMDD добавлены еще два немагнитных слоя: медная закрывающая прослойка (backlayer) и зеркальный слой (specular), изготавливаемый из благородных металлов или оксидов (рис.4,в). Двойные зеркальные головки являются дальнейшим развитием GMR-сенсоров. В структуру считывающих головок входят два зеркальных слоя, один из которых внедрен между свободным слоем и закрывающей медной прослойкой, а второй делит базовый слой на два (рис.4,г). Использование двойных зеркальных GMR-головок и технологии перпендикулярной записи в современных накопителях HMDD привело к росту плотности записи до 4 Тбит/дюйм2, уменьшению размеров магнитных дисков до 0,85 дюймов в диаметре и увеличению емкости жестких дисков до 40 ТБ.
Параметры HMDD для различных типов считывающих головок
Тип считывающей головки Год выпуска Емкость HMDD, Плотность записи
МБ бит/дюйм2
Электромагнитные головки 1956 5-28 2-103-Ы04
чтения-записи
Ферритовые головки чтения-записи 1966 30-50 3105-7106
МЮ-головки чтения-записи 1976 50-100 3107-7107
ТБ-головки чтения-записи 1979 102-104 3107-7107
ЛМЯ-головки чтения 1991 103-3 104 Ы08-Ы09
GMR считывающие головки 1997 2-104-8-104 1109-3109
в геометрии С1Р
GMR считывающие головки 2005 4104-1105 6-1010-2-10п
в геометрии СРР
GMR-головки с синтетическими 2008 8104-5105 Ы010-340п
ферромагнетиками
Зеркальные GMR-головки 2010 4105-1106 Ы0п-Ы012
Двойные зеркальные GMR-головки 2015 5-106-4-107 2-10п-4-1012
Из таблицы видно, что введение магниторезистивных считывающих головок привело к повышению плотности записи на порядок и ежегодному ее удвоению на протяжении 10 лет. Это обусловило широкое использование технологии HMDD не только в компьютерной сфере, но и для сетевых хранилищ, систем видеонаблюдения, мультимедийных устройств и мобильных устройств связи. Однако со временем темп роста плотности записи начал замедляться, что обусловлено приближением теоретического предела для технологии перпендикулярной записи в 1 ТБ/дюйм2.
Магниторезистивная память с произвольным доступом. В середине 1990-х гг. С. Вольф из Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США инициировал программу, нацеленную на разработку магниторезистивной памяти с произвольным доступом. В совокупности доступное финансирование и прорывы в технологии спин-вентильных структур стимулировали интенсивные исследования, и уже в 2006 г. компания Freescale Semiconductor представила на рынок первую коммерческую MRAM [22]. Высокая скорость работы и энергонезависимость MRAM позволяет ей выполнять функции быстрого буфера данных, энергонезависимого хранилища информации и внутрисхемно-программируемой памяти. MRAM имеет все преимущества HMDD, такие как широкий температурный диапазон и бесконечное количество циклов перезаписи, и лишена главного недостатка HMDD: в ней отсутствуют движущиеся механические элементы, что позволяет повысить надежность и быстродействие, а также уменьшить размер устройства [5]. Таким образом, MRAM может быть использована как постоянная память, оперативная память и мобильное устройство хранения данных [13, 14].
На рис.5,а представлена схема ячейки MRAM на основе спин-вентильной структуры, в которой процесс переключения обусловлен эффектом переноса крутящего момента спин-поляризованным током (STT-MRAM). В STT-MRAM обычно используют спин-вентильную структуру в геометрии CPP и один полевой транзистор. Переключение спинового вентиля в данном случае осуществляется с помощью электрического тока, при этом токи считывания и записи пропускаются перпендикулярно плоскости слоев. Ячейка MRAM, в которой для переключения используются эффекты, обусловленные спин-орбитальным взаимодействием (SOT-MRAM), такие как спиновый эффект Холла, эффект Рашбы и т.д., состоит из двух полевых транзисторов и магнитной сверхрешетки c перпендикулярной анизотропией ферромагнитных слоев (рис.5,б). В этом случае ток записи пропускается параллельно плоскости слоев, а ток чтения - перпендикулярно плоскости слоев. Логической «1» соответствует антипараллельное состояние спинового вентиля, а логическому «0» - параллельное. Массив ячеек MRAM соединен с помощью системы числовых и разрядных шин таким образом, что в точке пересечения каждой числовой и разрядной шины находится одна ячейка MRAM (рис.5,в). Такая конфигурация соединения ячеек памяти называется «cross point». Она предполагает возможность создания памяти больших объемов с очень высокой плотностью записи [23]. Архитектура cross point схожа с коммутационной матрицей геометрии crossbar, за исключением того, что в точках пересечения шин матрицы crossbar, находятся одномолекулярные резистивные связи, которые могут служить как ячейки памяти или как коммутаторы для реализации различных логических устройств. Ключевым недостатком архитектуры crossbar является ограниченное число циклов переключения резистивных связей [24].
Для записи информации токовые импульсы подаются на одну из шин каждого типа, при этом плотность тока каждого импульса ниже критического тока переключения спинового вентиля. В точке пересечения активных шин суммарный ток достаточен для
Рис.5. Схематическое изображение ячеек STT-MRAM (а), SOT-MRAM (б) и конфигурация
cross point для STT-MRAM (в) [4] Fig.5. Schematic representation of cells STT-MRAM (a), and SOT-MRAM (b), as well as the cross point configuration for STT-MRAM (c) [4]
изменения ориентации намагниченности свободного слоя, что позволяет добиться адресности записи информации в ячейки памяти без использования движущихся механических частей. Время записи 1 бит в этом случае составляет всего несколько наносекунд. Считывание информации проводится меньшими токовыми импульсами, и по падению напряжения между двумя шинами, подключенными к адресной ячейке, определяется состояние спинового вентиля в ней.
Основная проблема технологии MRAM - понижение критического тока, достаточного для переключения спинового вентиля в ячейке. Решением данной задачи может быть приложение магнитного поля, подбор оптимальной конфигурации анизотропии слоев магнитной сверхрешетки и наилучших материалов для изготовления свободного и закрепленного слоев и немагнитной прослойки. На начальных этапах в большинстве исследований использовались STT-MRAM с планарной анизотропией, при этом значение критического тока переключения было снижено с 1 мА до 100 мкА [23]. Первая STT-MRAM с перпендикулярной анизотропией слоев описана в работе [25], ток записи составляет несколько миллиампер. Например, MRAM на основе FeCoB, изготовленная корпорацией IBM в сотрудничестве с компанией Samsung в 2016 г., имеет время записи 10 нс при токе записи 7,5 мкА [26]. В теоретической работе [27] рассмотрены ячейки MRAM на основе ферромагнетиков TbFeCo и GdFeCo с различными немагнитными прослойками. Критический ток переключения для этих ячеек MRAM колеблется в диапазоне 1-20 мA, а критическое поле переключения в диапазоне 0,8-15,9 кA/м. Время переключения при этих параметрах находится в интервале 1-30 нс. В работах [14, 17, 18, 28] рассмотрено десять ферромагнетиков: шесть магнитомягких (Co, Fe, Fe70Co30, Fe60Co20B20, Co93Gd7 и Co80Gd20) и четыре магнитотвердых (Co50Pt50, Fe50Pt50, Fe50Pd50, Fe50Ni50) с планарной и перпендикулярной анизотропией слоев. Наиболее подходящим материалом для реализации MRAM выбран Co80Gd20 с планарной анизотропией и наименьшим критическим током переключения 2,4 мкА.
Одной из ключевых задач для будущих электронных запоминающих устройств и логических устройств является поиск способов перехода от двумерных элементов памяти к трехмерным структурам. Это позволит многократно увеличить емкость запоминающих устройств, уменьшив при этом их размеры. В работе [29] предлагается концепция многобитной ячейки MRAM в виде сдвигового регистра, в котором по аналогии с храповым механизмом информация однонаправленно перемещается в виде магнитного солитона от одного свободного ферромагнитного слоя к другому.
Спин-трансферные наноосцилляторы. В стационарных динамических состояниях с устойчивыми предельными циклами LC и 2LC вектор намагниченности свободного слоя спинового вентиля М2 прецессирует по фиксированной траектории. При этом периодическое изменение проекции вектора М2 на ось анизотропии в результате эффекта GMR приводит к колебаниям сопротивления структуры и напряжения в цепи. Таким образом, спиновый вентиль в прецессионном динамическом режиме может быть использован в качестве управляемого генератора микроволновых сигналов или спин-трансферного наноосциллятора. Такие осцилляторы имеют множество преимуществ по сравнению со стандартными генераторами, управляемыми напряжением (ГУН). Во-первых, размеры STNO в 50 раз меньше, чем у СВЧ-генераторов, изготовленных по КМОП-технологии, что делает их самыми маленькими из разработанных ГУН. Во-вторых, рабочие напряжения STNO составляют не более полувольта, а их частота хорошо настраивается с помощью тока и магнитного поля в интервале 10-1-102 ГГц. В-третьих, широкий температурный диапазон и простая архитектура позволяют сделать STNO ключевым элементом для реализации на СБИС [30]. Спин-трасферные наноосцилляторы применяются для микросхем беспроводной связи [31], небольших массивов передатчиков [32], микроволновых источников для наносенсоров [33], анализаторов сверхбыстрого широкополосного микроволнового излучения [34] и массивно-параллельных процессоров для небулевых и нейроморфных вычислений [35].
Однако современные STNO имеют недостатки, связанные с широкой линией спектра, низкими выходной мощностью и добротностью СВЧ-автоколебаний, а также с высокими пороговыми значениями магнитного поля и тока, необходимыми для прецессии вектора М2. В качестве решения проблемы уменьшения ширины спектральной линии в работе [36] рассмотрено введение вихревых генераторов с переносом спина (STVO), а в статье [37] представлен метод использования механизма фазовой синхронизации для осцилляций STNO.
Для уменьшения пороговых значений магнитного поля и тока возможным решением может быть подбор наиболее подходящих материалов для изготовления слоев спинового вентиля, а также для конфигурации анизотропии слоев и направления магнитного поля. В работе [38] проведено сравнение частотных и амплитудных характеристик магнитных сверхрешеток из десяти различных ферромагнетиков с планарной и перпендикулярной анизотропией слоев в магнитных полях трех ортогональных направлений. Обнаружено, что спиновый вентиль на основе ферробората кобальта с планарной анизотропией слоев имеет в 8 раз меньшее энергопотребление и на 15 % большую амплитуду осцилляций. Этот сплав является наиболее подходящим из рассмотренных для технологии STNO в магнитном поле, направленном вдоль оси OY.
С точки зрения интеграции с современными полупроводниковыми электронными устройствами использование внешнего магнитного поля существенно усложняет технологию изготовления интегральных схем с STNO. Возможным решением данной проблемы может быть разработка специфической архитектуры наноосцилляторов, позволяющей получить микроволновую генерацию без использования магнитного поля.
Например, STNO на основе пермаллоя с волнообразной угловой зависимостью магнитного крутящего момента, для которой требуется очень тщательный расчет размеров слоев [39]. Использование дополнительной антиферромагнитной прослойки со стороны свободного слоя приводит к возникновению в нем поля обменного смещения, которое играет роль внешнего магнитного поля, что позволяет достичь устойчивых осцилляций без него [6]. В работе [40] предложено использовать спиновый вентиль с планарной анизотропией закрепленного слоя и перпендикулярной анизотропией свободного слоя.
Спин-вентильные биосенсоры. Магнитные биосенсоры на спин-вентильной основе используются для обнаружения реакций поверхностного связывания биологических молекул, помеченных магнитными частицами. Использование магнитных биосенсоров имеет несколько ключевых преимуществ по сравнению с использованием традиционных оптических методов и других конкурирующих методов зондирования. Биологические образцы лишены какого-либо детектируемого магнитного поля, поэтому исключается фоновое и шумовое воздействие, что повышает точность исследований. Кроме того, для магнитных частиц не возникает проблем флуоресцентных меток, таких как отбеливание и автофлуоресценция [5]. Магнитные биодатчики могут быть объединены в массив и мультиплексированы для выполнения комплексного анализа белков или нуклеиновых кислот в одном исследовании без использования оптического сканирования. Совместимость со стандартной кремниевой технологией и масштабируемость позволяют производить их со встроенным электронным считывающим устройством в массовых количествах, в том числе для одноразового применения и эксплуатации в мобильных лабораториях.
Спин-вентильные биосенсоры изготавливаются на основе спиновых вентилей или М^ с планарной анизотропией в геометрии С1Р (рис.6). На поверхность свободного слоя наносится биологически активное вещество, включающее в себя специфические анализаторы. Аналиты помечаются высокомоментными магнитными нанометками с помощью механизмов связывания, таких как биотин-стрептавидиновая химия. Меченые аналиты захватываются комплементарными анализаторами, и поэтому нанометки притягиваются к поверхности свободного слоя. Отклонение вектора намагниченности М2, обусловленное полем рассеяния от магнитных меток, приводит к изменению маг-нетосопротивления структуры. Считывание проводится с помощью электрического тока, значение которого существенно ниже значения тока переключения [41].
Рис. 6. Схематическое изображение спин-вентильного биосенсора Fig. 6. Schematic representation of a spin-valve biosensor
Следует отметить, что ввиду малого размера магнитных частиц поле рассеяния очень мало, поэтому необходимо, чтобы датчик был чрезвычайно чувствителен к незначительным изменениям магнитного поля. Это делает спиновые вентили без антиферромагнитной прослойки предпочтительнее датчиков AMR или классических спиновых вентилей, которые имеют более низкую чувствительность к полю из-за более высоких полей насыщения. Трехслойные спин-вентильные структуры подходят для биодатчиков ввиду высокой чувствительности, высокой линейности, небольшого гистерезиса и компактных размеров [5].
Спиновая логика. В исследовании [42] предложен автономный логический элемент (p-bit) с возможностью энергонезависимого хранения данных, который может заменить классические КМОП-транзисторы в булевых логических схемах (рис.7). Элемент p-bit состоит из блока считывания, реализованного на базе спинового вентиля, отделенного диэлектриком от блока записи, работа которого основана на спиновом эффекте Холла. Структура располагается на шине шириной 1 мкм, при этом ток записи Is составляет 160 мкА. Ферромагнитные слои магнитной сверхрешетки предполагается изготавливать из ферромагнетика с планарной анизотропией слоев со следующими параметрами: Ms^0 ~ 1 Тл, а ~ 0,01, K ~ 8000 Дж / м . В работе [43] рассмотрена другая конфигурация p-bit для двух магни-тожестких ферромагнетиков с перпендикулярной анизотропией слоев и энергетическим барьером 48 kBT и 12 kBT. В этом случае ток переключения составляет 1 мА.
Элементы p-bit могут быть соединены между собой без внешнего усиления и тактовых импульсов только с пассивными элементами схемы для выполнения булевых и небулевых логических операций. В работе [42] представлены схемы соединений p-bit, выполняющих функцию инвертора и стохастического нейрона, нелинейная модель которого представлена на рис.8,а. Основными составляющими такого нейрона являются синаптические связи, каждая из которых характеризуется своим весом WT, сумматор, складывающий входные и взвешенные относительно соответствующих синапсов сигналы I1-N, и вероятностная функция активации fli), определяющая конечное состояние нейрона (+1 или -1) [44]. В статье [42] предлагается использовать p-bit в качестве блока функции fli) и синаптических весов WT. Однако в последующих исследованиях [43, 45-50] этой же научной группы от использования p-bit вместо синаптических весов WT отказались в пользу переменных резисторов.
В работе [18] предложена альтернативная модель стохастического нейрона p-bit, схема которой представлена на рис.8,б. В данном случае в качестве элемента активаци-онной функции fIz) выступает спиновый вентиль с металлической немагнитной прослойкой, переключаемый спин-поляризованным током в геометрии «ток перпендикулярен плоскости». При этом переключении вектор M2 меняет ориентацию от OY на параллельное оси анизотропии направление OX (состояние нейрона «+1») или антипараллельное ей (состояние нейрона «-1») с некоторой вероятностью. Выведение вектора намагниченности в начальное положение проводится с помощью внешнего магнитного
Рис. 7. Схема автономного логического элемента p-bit [42] Fig. 7. Scheme of an autonomous logical element p-bit [42]
Рис. 8. Стохастический нейрон (а) [44] и реализация стохастического нейрона
на основе спинового вентиля (б) [18] Fig.8. Stochastic neuron (a) [44] and implementation of a stochastic neuron based on
a spin valve (b) [18]
поля, направленного вдоль оси OY. Для этого предлагается использовать один магнит для всего устройства, импульсное поле которого задает тактовый сигнал для всей интегральной схемы. Это позволяет избежать внедрения дополнительных массивных шин и, таким образом, существенно повысить степень интеграции. В качестве синаптических весов использованы КМОП-транзисторы в линейном режиме работы, который возможен благодаря тому, что входные напряжения не превышают 10 мВ. Таким образом, рассмотренная модель предполагает меньшую энергозатратность, так как токи переключения не превышают 0,5 мкА, а также в 50 раз более высокую степень интеграции по сравнению с моделью, представленной в работах [42, 43, 45-50].
Следует отметить, что благодаря магнитной природе явлений, лежащих в основе работы р-Ьк, все логические схемы имеют обратимый характер [45-48]. При работе в прямом режиме вход фиксируется и схема обеспечивает правильный выход. В инвертированном режиме выход фиксируется и выходной сигнал колеблется среди всех возможных входов, которые согласуются с этим выходом. Например, 4-битный умножитель, представленный в работе [45], в обратном режиме действует как факторизатор. В то время как устройство в прямом режиме, выполняющее функцию 32-битного сумматора, в обратном режиме работает как вычитатель [46]. При этом точность вычислений сравнима со стандартными цифровыми схемами. В работе [47] представлена реализация таких обратимых цифровых схем на основе ПЛИС. Элементы р-Ьк можно использовать в качестве синапсов рекуррентных нейронных сетей для резервуарных вычислений, квантового отжига и распознавания образов [48]. В работах [49, 50] р-Ьк задействован как строительный блок для байесовских сетей убеждения с целью реализации комбинаторных вычислений на базе спиновой модели Изинга.
Заключение. Исследования явлений гигантского магнетосопротивления и спинового переноса показали возможность создания множества прогрессивных микроэлектронных устройств, которые в будущем способны заменить их полупроводниковые аналоги. В настоящем обзоре рассмотрены теоретические основы этих физических эффектов. Проведенная систематизация данных о различных типах считывающих головок НМОБ позволила продемонстрировать, что современные научные исследования нано-магнитных явлений ускоряют темпы роста плотности записи. Использование МЯАМ в настоящее время прогнозируется во многих различных областях приложений, в частно-
сти там, где ее сочетание энергонезависимости и быстродействия, неограниченное число циклов перезаписи и высокая надежность используются для замены других устройств памяти.
Спин-трансферные наноосцилляторы являются самыми низкоразмерными из разработанных ГУН. Их совместимость со всеми технологиями интегральных микросхем, низкое энергопотребление и широкий частотный диапазон делает STNO наиболее перспективной заменой существующих микроволновых генераторов в микроэлектронных устройствах.
Спин-вентильные биосенсоры способны к исключительно чувствительному и селективному детектированию мультиплексных белков. Комбинация небольших объемов необходимых образцов высокой чувствительности и возможности мультиплексирования и масштабирования делает массивы магнитных биосенсоров одной из самых перспективных платформ как для фундаментальных научных исследований, так и для приложений клинической медицины. Рассмотренные модели автономных логических элементов на базе спин-вентильных структур могут выполнять операции детерминированной и стохастической логик. Преимущества этих устройств, такие как обратимость, высокая точность вычислений и энергонезависимое хранение результата, делают элементы спиновой логики возможной альтернативой полупроводниковым транзисторам в современных вычислительных системах. Большое число рабочих мод спин-вентильных структур и совместимость с КМОП-технологией делают их универсальным элементом интегральных схем, что позволяет надеяться на реализацию других интересных приложений для спиновых вентилей за пределами множества уже разработанных устройств.
Литература
1. Mott N.F. The resistance and thermoelectric properties of the transition metals // Proceedings of the Royal Society. 1936. Vol. 156. P. 368-382.
2. Mott N.F. Electrons in transition metals // Advances in Physics. 1964. Vol. 13. P. 325-422.
3. Fert A., Campbell I.A. Two-current conduction in nickel // Physical Review Letters. 1968. Vol. 21. P. 1190-1197.
4. Chappert C., Fert A., Nguyen Van Dau F. The emergence of spin electronics in data storage // Nature materials. 2007. Vol. 6. P. 813-823.
5. Tsymbal E.Y., Zutic I. Handbook of spin transport and magnetism. Boca Raton: CRC Press Taylor & Francis Group, 2012. 777 p.
6. You Ch.Y. Spin torque nano-oscillator with an exchange-biased free rotating layer // Journal of Magnetics. 2009. Vol. 14. No. 4. P. 168-171.
7. Maekawa S., Shinjo T. Spin dependent transport in magnetic nanostructures. Boca Яаоп: CRC Press Taylor & Francis Group, 2002. 292 p.
8. Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1996. Vol. 159. P. L1-L7.
9. Skidanov V.A., Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. Hysteresis loop design by geometry of garnet film element with single domain wall // Journal of Physics: Conference Series. 2011. Vol. 266. P. 012125-1-012125-5.
10. Spin-polarized current induced switching in Co/Cu/Co pillars / J. Grollier, V. Cros, A. Hamzic et al. // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 78. No. 23. P. 3666-3665.
11. Field dependence of magnetization reversal by spin transfer / J. Grollier, V. Cros, H. Jaffres et al. // Physical Review B. 2003. Vol. 67. P. 174402-174410.
12. Magnetization switching and microwave oscillations in nanomagnets driven by spin-polarized currents / G. Bertotti, C. Serpico, I.D. Mayergoyz et al. // Physical Review B. 2005. Vol. 94. P. 127206-1-127206-4.
13. Ostrovskaya N.V., Skidanov V.A., Iusipova Iu.A. Bifurcations in the dynamical system for three-layered magnetic valve // Solid State Phenomena. 2015. Vol. 233-234. P. 431-434.
14. Iusipova Iu.A. Analysis of the switching characteristics of MRAM cells based on materials with uniaxial Anisotropy // Semiconductors. 2018. Vol. 52. No. 15. P. 1982-1988.
15. Iusipova Iu.A. Precession of the spin-valve free layer magnetization and its switching under the influence of a magnetic field perpendicular to the axis of anisotropy // Semiconductors. 2019. Vol. 53. No. 15. P. 2029-2036.
16. Юсипова Ю.А. Динамика вектора намагниченности свободного слоя спин-вентильной структуры в магнитном поле, перпендикулярном плоскости слоев // Изв. вузов. Электроника. 2019. Т. 24. № 5. C. 489-502.
17. Ostrovskaya N. V., Iusipova Iu.A. Qualitative theory of dynamical systems for control of magnetic memory elements // Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120. No. 13. P. 1291-1298.
18. Юсипова Ю.А. Частота и быстродействие спинового вентиля с планарной анизотропией слоев // Физика твердого тела. 2020. Т. 62. № 9. С. 1361-1369.
19. Hoagland A.S. Storage technology: capabilities and limitations // Computer. 1979. Vol. 12. No. 5. P. 12-18.
20. Daniel E.D., Mee C.D., ClarkM.H. Magnetic recording: The first 100 years. N. Y. : IEEE Press, 1999. 370 p.
21. Thompson D.A., Best J.S. The future of magnetic data storage technology // IBM Journal of Research and Development. 2000. Vol. 44(3). P. 311-322.
22. Slaughter J.M. Materials for magnetoresistive random access memory // Annual Review of Materials Research. 2009. Vol. 39. P. 277-296.
23. Zhao W., Prenat G. Spintronics-based computing. Cham: Springer, 2015. 259 р.
24. Chung A., Deen J., Lee J.S., Meyyappan M. Nanoscale memory devices // Nanotechnology. 2010. Vol. 21. P. 412001-1-412001-22.
25. Meng H., Wang J.P. Spin transfer in nanomagnetic devices with perpendicular anisotropy // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88. P. 172506-1-172506-8.
26. Dependence of voltage and size on write error rates in spin-transfer torque magnetic random-access memory / J.J. Nowak, R.P. Robertazzi, J.Z. Sun et al. // IEEE Magnetics Letters. 2016. Vol. 7. P. 3102604-1-3102604-4.
27. Guo Y.M. Spin transfer MRAM device with magnetic biasing. United States Patent № US0151614A1. 2008. 10 p.
28. Юсипова Ю.А. Энергоэффективность и быстродействие спин-вентильных структур в составе MRAM и HMDD // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2020. Вып. 2. С. 110-117.
29. Cowburn magnetic ratchet for three-dimensional spintronic memory and logic / R. Lavrijsen, J.H. Lee, A. Fernández-Pacheco et al. // Nature. 2013. Vol. 493. P. 647-650.
30. Zeng Z., Finocchio G., Jiang H. Spin transfer nano-oscillators // Nanoscale. 2013. Vol. 5. No. 6. P. 2219-2231.
31. Locatelli N., Cros V., Grollier J. Spin-torque building blocks // Nature Materials. 2014. Vol. 13. No. 1. P. 11-20.
32. Iacocca E., Kerman J.A. Analytical investigation of modulated spintorque oscillators in the framework of coupled differential equations with variable coefficients // Physical Review B. 2012. Vol. 85. No. 18. P. 184420-1-184420-8.
33. Real-time measurement of temporal response of a Spin-Torque oscillator to magnetic pulses / H. Suto, T. Nagasawa, K. Kudo et al. // Applied Physics Express. 2011. Vol. 4. No. 1. P. 013003-1-013003-5.
34. Ultra-fast wide band spectrum analyzer based on a rapidly tuned spin-torque nano-oscillator / S. Louis, O. Sulymenko, V. Tiberkevich et al. // Applied Physics Letters. 2018. Vol. 113. P. 112401-1-112401-8.
35. Reservoir computing with the frequency, phase, and amplitude of spin-torque nano-oscillators / D. Markovic, N. Leroux, M. Riou et al. // Applied Physics Letters. 2019. Vol. 114. P. 012409-1-012409-5.
36. Large microwave generation from current-driven magnetic vortex oscillators in magnetic tunnel junctions / A. Dussaux, B. Georges, J. Grollier et al. // Nature Communications. 2010. Vol. 1. No. 8. P. 1-6.
37. Митрофанов А.А., Сафин А.Р., Удалов Н.Н. Система фазовой синхронизации спин-трансферного наноосциллятора // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. Вып. 13. С. 66-72.
38. Юсипова Ю.А. Частотные и амплитудные характеристики STNO на основе спинового вентиля с планарной и перпендикулярной анизотропией слоев // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2020. Вып. 1. С. 140-147.
39. Microwave excitations associated with a wavy angular dependence of the spin transfer torque: Model and experiments / O. Boulle, V. Cros, J. Grollier et al. // Physical Review B. 2008. Vol. 77. P. 174403-1-174403-26.
40. Lee K. J., Redon O., Dieny B. Analytical investigation of spin-transfer dynamics using a perpendicular-to-plane polarizer // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 86. P. 022505-1-022505-3.
41. Wang S.X., Li G. Advances in giant magnetoresistance biosensors with magnetic nanoparticles tags: Review and outlook // IEEE Transactions on Magnetics. 2008. Vol. 44. P. 1687-1702.
42. Datta S., Salahuddin S., Behin-Aein B. Non-volatile spin switch for Boolean and non-Boolean logic // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101. P. 252411-1-252411-4.
43. Spin-torque devices with hard axis initialization as stochastic binary neurons / V. Ostwal, P. Debashis, R. Faria et al. // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. P. 16689-1-16689-9.
44. Haykin S. Neural networks and learning machines. Third ed. New Jersey: Prentice Hall, 2008. 977 p.
45. Pervaiz A.Z., Ghantasala L.A., Camsari K.Y., Datta S. Hardware emulation of stochastic p-bits for in-vertible logic // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 10994-1-10994-13.
46. Faria R., Camsari K.Y., Datta S. Low barrier nanomagnets as p-bits for spin logic [Электронный ресурс] // arXiv.org. 2016. URL: https://arxiv.org/abs/1611.05477v3 (дата обращения: 01.07.2020).
47. Pervaiz A.Z., Sutton B.M., Ghantasala L.A., Camsari K.Y. Weighted p-bits for FPGA implementation of probabilistic circuits // IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems. 2019. Vol. 30. Iss. 6. P. 1920-1926.
48. Low-energy deep belief networks using intrinsic sigmoidal spintronic-based probabilistic neurons / R. Zand, K. Y. Camsari, S.D. Pyle et al. // Great Lakes Symposium on VLSI - 2018. Chicago, United States (May 23-25). 2018. P. 15-20.
49. Behin-Aein B., Diep V., Datta S. A building block for hardware belief networks // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. P. 29893-1-29893-10.
50. Sutton B., Camsari K.Y., Behin-Aein B., Datta S. Intrinsic optimization using stochastic nanomagnets // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 44370-1-44370-9.
Поступила в редакцию 04.07.2020 г.; после доработки 20.11.2020 г.; принята к публикации 24.11.2020 г.
Юсипова Юлия Александровна - младший научный сотрудник отдела проектирования микроэлектронных компонентов для нанотехнологий Института проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (Россия, 124365, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Советская, 3), linda_nike@mail.ru
Попов Александр Иванович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), aip2001@mail.ru
References
1. Mott N.F. The resistance and thermoelectric properties of the transition metals. Proceedings of the Royal Society, 1936, vol. 156, pp. 368-382.
2. Mott N.F. Electrons in transition metals. Advances in Physics, 1964, vol. 13, pp. 325-422.
3. Fert A., Campbell I.A. Two-Current Conduction in Nickel. Physical Review Letters, 1968, vol. 21, pp. 1190-1197.
4. Chappert C., Fert A., Nguyen Van Dau F. The emergence of spin electronics in data storage. Nature materials, 2007, vol. 6, pp. 813-823.
5. Tsymbal E.Y., Zutic I. Handbook of spin transport and magnetism. Boca Raton: CRC Press Taylor & Francis Group, 2012. 777 p.
6. You Ch.Y. Spin torque nano-oscillator with an exchange-biased free rotating layer. Journal of Magnetics, 2009, vol. 14(4), pp. 168-171.
7. Maekawa S., Shinjo T. Spin dependent transport in magnetic nanostructures. Boca Rаton: CRC Press Taylor & Francis Group, 2002. 292 p.
8. Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1996, vol. 159, pp. L1-L7.
9. Skidanov V.A., Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. Hysteresis loop design by geometry of garnet film element with single domain wall. Journal of Physics: Conference Series, 2011, vol. 266, pp. 012125-1-012125-5.
10. Grollier J., Cros V., Hamzic A., George J. M., Jaffre H., Fert A., Faini G., Youssef B.J., Le Gall H. Spin-polarized current induced switching in Co/Cu/Co pillars. Applied Physics Letters, 2001, vol. 78, no. 23, pp. 3666-3665.
11. Grollier J., Cros V., Jaffres H., Hamzic A., George J.M., Faini G., Youssef J.B., Le Gall H., Fert A. Field dependence of magnetization reversal by spin transfer. Physical Review B, 2003, vol. 67, pp.174402-174410.
12. Bertotti G., Serpico C., Mayergoyz I.D., Magni A., d'Aquino M., Bonin R. Magnetization switching and microwave oscillations in nanomagnets driven by spin-polarized currents. Physical Review B, 2005, vol. 94, pp. 127206-1-127206-4.
13. Ostrovskaya N.V., Skidanov V.A., Iusipova Iu.A. Bifurcations in the dynamical system for three-layered magnetic valve. Solid State Phenomena, 2015, vol. 233-234, pp. 431-434.
14. Iusipova Iu.A. Analysis of the switching characteristics of MRAM cells based on materials with uniaxial Anisotropy. Semiconductors, 2018, vol. 52, no. 15, pp. 1982-1988.
15. Iusipova Iu.A. Precession of the spin-valve free layer magnetization and its switching under the influence of a magnetic field perpendicular to the axis of anisotropy. Semiconductors, 2019, vol. 53, no. 15, pp. 2029-2036.
16. Iusipova Iu.A. Free-layer magnetization vector dynamics of the spin-valve structure in the magnetic field perpendicular to the layers plane. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 5, pp. 489-502.
17. Ostrovskaya N.V., Iusipova Iu.A. Qualitative theory of dynamical systems for control of magnetic memory elements. Physics of Metals and Metallography, 2019, vol. 120, no. 13, pp. 1291-1298.
18. Iusipova Iu.A. Frequency and speed of action of a spin valve with planar layer anisotropy. Physics of the Solid State, 2020, vol. 62, no. 9, pp. 1361-1369.
19. Hoagland A.S. Storage technology: capabilities and limitations. Computer, 1979, vol. 12, no. 5, pp. 12-18.
20. Daniel E. D., Mee C. D., Clark M. H. Magnetic recording: The first 100 years. New York, IEEE Press, 1999. 370 p.
21. Thompson D.A., Best J.S. The future of magnetic data storage technology. IBM Journal of Research and Development, 2000, vol. 44(3), pp. 311-322.
22. Slaughter J. M. Materials for magnetoresistive random access memory. Annual Review of Materials Research, 2009, vol. 39, pp. 277-296.
23. Zhao W.,Prenat G. Spintronics-basedComputing. Cham: Springer, 2015. 259 p.
24. Chung A., Deen J., Lee J.S., Meyyappan M. Nanoscale memory devices. Nanotechnology, 2010, vol. 21, pp. 412001-1-412001-22.
25. Meng H., Wang J.P. Spin transfer in nanomagnetic devices with perpendicular anisotropy. Applied Physics Letters, 2006, vol. 88, pp. 172506-1-172506-8.
26. Nowak J.J., Robertazzi R.P., Sun J.Z., Hu G., Park J.H., Lee J.H., Annunziata A.J., Lauer G.P., Kothandaraman C., O'Sullivan E.J., Trouilloud P.L., Kim Y., Worledge D.C. Dependence of voltage and size on write error rates in spin-transfer torque magnetic random-access memory. IEEE Magnetics Letters, 2016, vol. 7, pp. 3102604-1-3102604-4.
27. Guo Y.M. Spin transfer MRAM device with magnetic biasing. United States Patent № US0151614A1. 2008, 10 p.
28. Iusipova I.A. Energy efficiency and performance of spin-valve structures in MRAM and HMDD. Problems of Perspective Micro- and Nanoelectronic Systems Development, 2020, no. 2, pp. 110-117.
29. Lavrijsen R., Lee J.H., Fernández-Pacheco A., Petit D., Mansell R. Cowburn magnetic ratchet for three-dimensional spintronic memory and logic. Nature, 2013, vol. 493, pp. 647-650.
30. Zeng Z., Finocchio G., Jiang H. Spin transfer nano-oscillators. Nanoscale, 2013, vol. 5, no. 6, pp. 2219-2231.
31. Locatelli N., Cros V., Grollier J. Spin-torque building blocks. Nature Materials, 2014, vol. 13, no. 1, pp. 11-20.
32. Iacocca E., Kerman J. A. Analytical investigation of modulated spintorque oscillators in the framework of coupled differential equations with variable coefficients. Physical Review B, 2012, vol. 85, no. 18, pp. 184420-1-184420-8.
33. Suto H., Nagasawa T., Kudo K., Mizushima K., Sato R. Real-Time measurement of temporal response of a Spin-Torque oscillator to magnetic pulses. Applied Physics Express, 2011, vol. 4, no. 1, pp. 013003-1-013003-5.
34. Louis S., Sulymenko O., Tiberkevich V., Li J., Aloi D., Prokopenko O., Krivorotov I.,. Bankowski E., Meitzler T., Slavin A. Ultra-fast wide band spectrum analyzer based on a rapidly tuned spin-torque nano-oscillator. Applied Physics Letters, 2018, vol. 113, pp. 112401-1-112401-8.
35. Markovic D., Leroux N., Riou M., Abreu Araujo F., Torrejon J., Querlioz D., Fukushima A., Yuasa S., Trastoy J., Bortolotti P., Grollier J. Reservoir computing with the frequency, phase, and amplitude of spin-torque nano-oscillators. Applied Physics Letters, 2019, vol. 114, pp. 012409-1-012409-5.
36. Dussaux A., Georges B., Grollier J., Cros V., Khvalkovskiy A. V. et al. Large microwave generation from current-driven magnetic vortex oscillators in magnetic tunnel junctions. Nature Communications, 2010, vol. 1, no. 8, pp. 1-6.
37. Mitrofanov A.A., Safin A.R., Udalov N.N. Phase Locked Loop of the Spin-Torque Nanooscillator.
Technical Physics Letters, 2014, Vol. 40, no. 13, pp. 66-72.
38. Iusipova I.A. Frequency and amplitude characteristics of STNO based on a spin valve with planar and perpendicular layer anisotropy. Problems of Perspective Micro- and Nanoelectronic Systems Development, 2020, no. 1. pp. 140-147.
39. Boulle O., Cros V., Grollier J., Pereira L. G., Deranlot C., Petroff F., Faini G., Barnas J., Fert A. Microwave excitations associated with a wavy angular dependence of the spin transfer torque: Model and experiments. Physical Review B, 2008, vol. 77, pp. 174403-1-174403-26.
40. Lee K. J., Redon O., Dieny B. Analytical investigation of spin-transfer dynamics using a perpendicular-to-plane polarizer. Applied Physics Letters, 2005, vol. 86, pp. 022505-1-022505-3.
41. Wang S.X., Li G. Advances in giant magnetoresistance biosensors with magnetic nanoparticles tags: Review and outlook. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, vol. 44, pp. 1687-1702.
42. Datta S., Salahuddin S., Behin-Aein B. Non-volatile spin switch for Boolean and non-Boolean logic. Applied Physics Letters, 2012, vol. 101, pp. 252411-1-252411-4.
43. Ostwal V., Debashis P., Faria R., Chen Z., Appenzeller J. Spin-torque devices with hard axis initialization as Stochastic Binary Neurons. Scientific Reports, 2018, vol. 8, pp. 16689-1-16689-9.
44. Haykin S. Neural networks and learning machines. Third edition. New Jersey, Prentice Hall, 2008. 977 p.
45. Pervaiz A.Z., Ghantasala L.A., Camsari K.Y., Datta S. Hardware emulation of stochastic p-bits for in-vertible logic. Scientific Reports, 2017, vol. 7, pp. 10994-1-10994-13.
46. Faria R., Camsari K.Y., Datta S. Low barrier nanomagnets as p-bits for spin logic [Electronic resource]. arXiv.org. 2016 Available at: https://arxiv.org/abs/1611.05477v3 (accessed: 01.07.2020).
47. Pervaiz A.Z., Sutton B.M., Ghantasala L.A., Camsari K.Y. Weighted p-bits for FPGA implementation of probabilistic circuits. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, 2019, vol. 30, issue 6, pp. 1920-1926.
48. Zand R., Y.Camsari K., Pyle S.D., Ahmed I., Kim C.H., DeMara R.F. Low-energy deep belief networks using intrinsic sigmoidal spintronic-based probabilistic neurons. Great Lakes Symposium on VLSI -2018, Chicago, United States, May 23-25, 2018, pp. 15-20.
49. Behin-Aein B., Diep V., Datta S. A building block for hardware belief networks. Scientific Reports, 2016, vol. 6, pp. 29893-1-29893-10.
50. Sutton B., Camsari K.Y., Behin-Aein B., Datta S. Intrinsic optimization using stochastic nanomagnets. Scientific Reports, 2017, vol. 7, pp. 44370-1-44370-9.
Received 04.07.2020; Revised 20.11.2020; Accepted 24.11.2020. Information about the authors:
Iuliya A. Iusipova - Junior Researcher of the Design of Microelectronic Components for Nanotechnology Department, Institute for Design Problems in Microelectronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 124365, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya st., 3), linda_nike@mail.ru
Alexander I. Popov - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the General Physics Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), aip2001@mail.ru
