MRAM-устройства будущего: создана новая технология с низким энергопотреблением

В последние годы появилось множество типов памяти для вычислительных устройств, призванных преодолеть ограничения, накладываемые традиционной памятью с произвольным доступом, — RAM.

Магниторезистивная память (MRAM) — один из таких типов памяти, который обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной оперативной памятью, включая нестабильность, высокую скорость, увеличенную емкость и повышенную долговечность. Несмотря на значительные усовершенствования устройств MRAM, снижение энергопотребления при записи данных остается важнейшей задачей.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Advanced Science, ученые из Университета Осаки предлагают новую технологию для MRAM-устройств с более низким энергопотреблением при записи данных. Предложенная технология позволяет использовать схему записи на основе электрического поля с меньшим энергопотреблением по сравнению с существующим подходом на основе тока, что может стать альтернативой традиционной оперативной памяти.

Традиционные устройства динамической оперативной памяти (DRAM) имеют базовые запоминающие устройства, состоящие из транзисторов и конденсаторов. Однако хранящиеся в них данные нестабильны, а значит, для их сохранения требуется энергия. В отличие от этого, MRAM использует магнитные состояния, такие как ориентация намагниченности, для записи и хранения данных, что обеспечивает энергонезависимое хранение данных.

Поскольку устройства MRAM опираются на энергонезависимое состояние намагниченности, а не на изменчивое состояние заряда в конденсаторах, они являются перспективной альтернативой DRAM с точки зрения низкого энергопотребления в режиме ожидания, — объясняет Такамаса Усами, ведущий автор исследования.

Современные устройства MRAM обычно требуют электрического тока для переключения векторов намагниченности магнитных туннельных переходов, что аналогично переключению зарядовых состояний конденсатора в устройстве DRAM. Однако для переключения векторов намагниченности в процессе записи требуется большой электрический ток. Это приводит к неизбежному Джоулеву нагреву, что влечет за собой расход энергии.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новый компонент для управления электрическим полем в устройствах MRAM. Ключевой технологией является мультиферроичная гетероструктура с векторами намагниченности, которые можно переключать электрическим полем. Реакция гетероструктуры на электрическое поле в основном характеризуется коэффициентом обратной магнитоэлектрической связи (CME); большие значения указывают на более сильный отклик намагниченности.

Ранее исследователи уже сообщали о мультиферроичной гетероструктуре с большим коэффициентом CME-связи, превышающим 10-5 с/м. Однако структурные флуктуации в части ферромагнитного слоя (Co₂FeSi) затрудняли достижение желаемой магнитной анизотропии, что мешало надежной работе с электрическим полем. Чтобы повысить стабильность этой конфигурации, исследователи разработали новую технологию вставки ультратонкого ванадиевого слоя между ферромагнитным и пьезоэлектрическим слоями.

В результате введения ванадиевого слоя был достигнут четкий интерфейс, что позволило надежно контролировать магнитную анизотропию в слое Co₂FeSi. Кроме того, эффект CME достиг значения, большего, чем в аналогичных устройствах без ванадиевого слоя.

Исследователи также продемонстрировали, что два различных магнитных состояния могут быть надежно реализованы при нулевом электрическом поле путем изменения режима развертки электрического поля. Это означает, что энергонезависимое бинарное состояние может быть намеренно достигнуто при нулевом электрическом поле.

Благодаря точному управлению мультиферроичными гетероструктурами, удовлетворяются два ключевых требования для реализации практических магнитоэлектрических (ME)-MRAM устройств, а именно: энергонезависимое бинарное состояние при нулевом электрическом поле и гигантский CME-эффект, — говорит Кохей Хамая, старший автор работы.

Эти исследования в области спинтронных устройств в конечном итоге могут быть реализованы в практических MRAM-устройствах, что позволит производителям разработать ME-MRAM — технологию записи с низким энергопотреблением для широкого спектра приложений, требующих постоянной и безопасной памяти.

Ранее ученые сообщили о создании квантового компьютера в бриллианте.

07.01.2025