Исследование явлений переноса вращательного момента и спиновой нестабильности в туннельных и автоэмиссионных магнитных гетероструктурах Демин Глеб Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность работы. С развитием телекоммуникаций и информатики все более востребованными становятся энергоэффективные технологии, в частности, энергонезависимая электронная память. На фоне возникающих трудностей масштабирования существующих разновидностей полупроводниковой памяти (SRAM, DRAM, Flash) за нормы проектирования менее 22 нм в последнее десятилетие интенсивно развиваются несколько конкурирующих технологий энергонезависимой памяти, основными из которых являются ферроэлектрическая память, память с изменением фазового состояния, резистивная память. Спинтроиика (или спиновая электроника, англ. spin electronics) вносит дополнительные преимущества в использование современных полупроводниковых технологий. Впечатляющие успехи достигнуты в разработке энергонезависимых запоминающих устройств (ЗУ), принцип действия которых основан на магниторезистивном эффекте в магнитных туннельных переходах (МТП). Явление перемагничивания МТП спин-поляризованным током посредством переносимого спинового момента (ПСМ, англ. STT или spin-transfer torque), предсказанное Слончевским [1] и Берже [2] в 1996 г., привело к возникновению нового поколения магниторезистивной памяти на токовом механизме записи (STT-MRAM). Новый механизм записи позволил в десятки раз снизить токи потребления по сравнению с предыдущим поколением магниторезистивных ЗУ, работающим на механизме записи магнитным полем (FIMS-MRAM). В ближайшее время STT-MRAM может стать реальной альтернативой встроенным динамическим ЗУ (DRAM) для мобильных устройств, а также статическим ЗУ (SRAM), применяемым в качестве кэш-памяти для микропроцессоров [3].

Основные требования, предъявляемые к технологиям

энергонезависимой памяти в процессе масштабирования -термостабильность, малая потребляемая мощность, неограниченное количество циклов записи, мультибитовость ячейки. Конкурирующие разработки универсальной энергонезависимой памяти содержат ряд недостатков. Ферроэлектрическая память с произвольным доступом (FRAM) характеризуется циклом считывания, требующим перезаписи содержимого ячейки, и является плохо масштабируемой. Память на основе фазового перехода (PCRAM) имеет малую износостойкость

вследствие разрушения состояния в процессе записи (~10⁹ циклов) и относительно большие токи записи. Резистивная память с произвольным доступом (RRAM) сравнима с STT-MRAM по быстродействию, но уступает по числу циклов перезаписи (~10¹² циклов), а также отличается нестабильностью воспроизведения значений сопротивления между циклами записи состояний. Таким образом, STT-MRAM является перспективной концепцией памяти по совокупности ключевых параметров - энергоэффективности, долговечности работы и скорости. Однако существует ряд проблем на пути ее масштабирования. Так, увеличение тепловой стабильности приводит к серьезному повышению тока записи. Флуктуации порогового тока переключения ячейки серьезно сказываются на устойчивости операций чтения и записи при достижении минимальных проектных норм. С уменьшением ширины канала считывающего транзистора ниже 22 нм критичной становится проблема снижения пороговых токов (которые все еще достигают значений порядка 10⁶-10⁷ А/см²).

Предложено несколько подходов к дальнейшему улучшению STT-MRAM. Снижению потребляемой мощности и масштабированию может способствовать, например, изменение геометрии первоначального магнитного состояния ячейки памяти путем использования МТП с перпендикулярным намагничиванием магнитных слоев [4], применение МТП с двойным MgO туннельным слоем [5] и с перпендикулярным спиновым поляризатором [6]. Большой интерес представляет концепция термоассистированной записи спин-поляризованным током (ТА STT-MRAM), где тепловой разогрев снижает энергетический барьер переключения МТП и повышает надежность записи [7]. Предлагаются и другие возможные пути совершенствования магниторезистивной памяти, включающие, в частности, использование спин-орбитального момента (СОМ) для передачи вращательного момента (англ. SOT или spin-orbit torque) в асимметричных гетероструктурах (SOT-MRAM) [8], а также применение мультиферроидных туннельных переходов (МФТП), позволяющих увеличить число логических состояний в ячейке [9]. При этом, однако, до конца неясны конкурентные перспективы предлагаемых новых механизмов токовой записи, так как зачастую недостаточно исследованы сами процессы переноса вращательных моментов в слоях гетероструктуры. Так, например, отсутствует ясное представление о влиянии ПСМ в МФТП на токовые пороги

переключения для различных магниторезистивных состояний при заданном направлении электрической поляризации туннельного слоя, а построение фазовых диаграмм МФТП требует отдельного рассмотрения. Не до конца изучен вопрос воздействия СОМ на магнитную динамику в двухслойной структуре с нарушенным центром симметрии для разных геометрий намагничивания магнитного слоя. Отсутствует детальное исследование особенностей ПСМ в вакуумных туннельных и автоэмиссионных магнитных структурах, хотя они представляют несомненный интерес для совершенствования дисковой памяти с термоассистированнон токовой записью и для развития вакуумной спинтроники [10]. В каждом из перечисленных случаев необходим точный квантовомеханический расчёт отдельных компонент вращательного момента (ПСМ и СОМ) в зависимости от напряжения и анализ их влияния на динамику переключения спиновых состояний. По существу, требуется детальный анализ мезоскопических механизмов переноса вращательного момента (спин-зависимого либо спин-орбитального) в туннельных и проводящих гетероструктурах в сочетании с анализом его влияния на макроскопические пороговые характеристики, определяющие равновесные состояния спиновой подсистемы. Для заключительной оценки конкурентоспособности магниторезистивных ЗУ, работающих на различных механизмах переноса вращательного момента, также необходимо сравнение параметров быстродействия и энергопотребления ячейки в процессе записи, что следует из связанного решения квантовомеханической транспортной задачи и динамической задачи определения границы устойчивости макроспиновых состояний при заданных проектных нормах, что не было проделано ранее. Такой комплексный подход определяет новизну проводимого исследования.

Целью диссертационной работы является изучение механизмов передачи вращательного момента в магнитных гетероструктурах при вариации материала слоев, геометрии намагничивания и протекания тока, а также определение перспективности применения исследуемых явлений спинового транспорта для разработки элементов энергонезависимой памяти и логики.

Для достижения поставленной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Исследование особенностей переноса спинового момента в магнитных туннельных структурах и сравнение фазовых диаграмм их

спин-зависимого переключения током с учётом и без учёта зависимости спинового момента от напряжения.

1. Исследование явлений переноса спинового момента в вакуумных магнитных структурах в режимах туннельного и автоэмиссионного протекания тока и анализ условий устойчивости спиновых состояний структур при заданной величине тока и магнитного поля.

2. Исследование эффектов переноса спинового момента в мультиферроидных туннельных структурах я фазовых диаграмм переключения спиновых состояний структур в зависимости от величины и направления электрической поляризации туннельного слоя.

3. Изучение механизма спин-орбитальной передачи вращательного момента при продольном протекании тока в асимметричной гетероструктуре и анализ границ устойчивости равновесных состояний намагниченности магнитного слоя для различных геометрий исходного намагничивания.

4. Проведение сравнительного анализа рабочих характеристик магниторезистивных ЗУ с архитектурой «1Т/2Т (транзистор) - 1МРЭ (магниторезистивный элемент)» на основе различающихся механизмов переноса спинового момента в магнитных гетероструктурах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Развита комплексная теория определения границ устойчивости спиновых состояний с учётом микроскопических особенностей вращательного момента в магнитных гетероструктурах. На ее основе впервые изучено влияние рассчитанных зависимостей ПСМ от напряжения на токовые пороги перемагннчивания в вакуумных магнитных структурах. Обнаружены существенные отличия полученной фазовой диаграммы устойчивости спиновых состояний от диаграммы переключения туннельных диэлектрических переходов, что объясняется более сильной асимметрией ПСМ по напряжению при переходе к автоэмиссионному режиму.

2. Детально проанализирован механизм переноса спинового момента в МФТП с ферроэлектрическим/мультиферроидным туннельным слоем и его связь с пороговыми характеристиками переключения. Для рассчитанных зависимостей ПСМ впервые определена закономерность смещения границ устойчивости спиновых состояний МФТП от величины и направления электрической поляризации туннельного слоя.

3. Разработана феноменологическая модель магнитодинамики, индуцированной СОМ в ферромагнитном слое гетероструктуры с

нарушенной симметрией инверсии в условиях спин-орбитального рассеяния в геометрии продольного протекания тока. На основе разработанной модели определены условия реализации режимов спинового переключения и микроволновых автоколебаний для различных геометрии исходного намагничивания и направления поля Рашбы на границе слоев.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается качественным и численным согласием теоретически рассчитанных в работе токовых характеристик и фазовых диаграмм спиновой устойчивости магнитных гетероструктур при вариации электрического параметра (тока или напряжения) и магнитного поля с экспериментом, в том числе соответствием полученных закономерностей переноса вращательного момента с теоретическими оценками других научных групп, занимающихся схожей проблематикой спинового транспорта в магнитных гетероструктурах. Численный расчёт вращательных моментов, влияющих на спиновую динамику рассматриваемых магнитных систем, реализуется в рамках квазиклассической модели спин - зависимого туннелирования свободных электронов. Бифуркационный анализ порогов устойчивости равновесных спиновых состояний основан на апробированных методах и алгоритмах, включающих в себя метод Рунге-Кутты для решения уравнения магнитодинамики и стандартную схему линеаризации системы нелинейных уравнений для получения критических токовых и полевых параметров спинового переключения магнитных гетероструктур. Полученные в диссертации выводы докладывались неоднократно, как в постерных, так и в устных сессиях международных симпозиумов и конференций, и получили одобрительные отзывы со стороны специалистов в области спинтроники и наномагнетизма.

Практическая значимость результатов работы:

Результаты диссертационной работы представляют интерес для практического планирования экспериментов по комплексному изучению особенностей влияния переноса вращательных моментов на магнитную динамику в магнитных гетероструктурах. Практическая значимость работы заключается в возможности последующей разработки и оптимизации в процессе их масштабирования многофункциональных устройств спинтроники, работающих на переносе спинового момента, таких как энергонезависимая память,

элементы логики, секретные ключи верификации данных, нейронные сети. Полученные результаты диссертационного исследования частично использованы при разработке новых конструкционных решений технологии ТА STT-MRAM в совместном проекте компаний Кинтех Лаб и Крокус Наноэлектроника. Результаты диссертации частично использованы в качестве учебного материала по курсу лекций «Спинтроника» для магистров МИЭТ, вошли в одну из глав учебного пособия МИЭТ «Физические основы магнетизма и спинового транспорта в устройствах магнитной электроники».

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке теоретических моделей спинового транспорта в магнитных гетероструктурах, проведении численных расчетов с использованием готовых средств САПР и собственных расчётных модулей, а также в подготовке и анализе результатов исследования.

Научные положення, выносимые на защиту:

4. Возникновение сильной асимметрии ПСМ по напряжению в вакуумных магнитных структурах затрудняет наблюдение гистерезисного типа переключения магнитного состояния в режиме автоэмиссии и делает предпочтительным переход от статического состояния намагничивания к режиму спиновой прецессии.

5. Эффекты туннелирования электронов и переноса спинового момента в МФТП носят существенно асимметричный характер в зависимости от направления электрической поляризации в структуре. С ростом амплитуды электрической поляризации туннельного слоя МФТП пороговое напряжение переключения спиновых состояний возрастает для одного направления поляризации, перпендикулярного плоскости слоев, и убывает для противоположного направления. Соответственно возникает сжатие либо расширение области спиновой прецессии. Эффект обусловлен переходом от прямой к обратной зависимости ПСМ от напряжения при смене направления поляризации.

6. Действие спин-орбитального механизма переноса вращательного момента (СОМ) на макроспин магнитного слоя асимметричной гетероструктуры во многом повторяет особенности влияния ПСМ на магнитную динамику в МТП. Критические токи переключения спинового состояния преимущественно определяются величиной эффекта Рашбы на интерфейсе слоев, а спиновая генерация может

наблюдаться только в геометрии, когда направление поля Рашбы коллннеарно направлению магнитного поля.

Апробация работы:

Основные результаты, представленные автором в диссертации, докладывались на следующих конференциях:

7. International Conference on Nanoscaled Magnetism and Applications «DICNMA 2013» (Donostia San-Sebastian, September 9-13, 2013).

8. European Conference «Physics of Magnetism 2014» (Adam Mickiewicz University, Poland, Poznari, June 23-27, 2014).

9. Moscow International Symposium on Magnetism «MISM 2014» (Moscow State University, Moscow, June 29 - July 3, 2014).

10. The International Conference «Spin physics, spin chemistry and spin technology (SPCT-2015)» (The Original Sokos Hotel Olympia Garden, Russia, St. Petersburg, Junel - 5, 2015).

11. 2nd International Conference on Nanomagnetism and Spintronics «Recent trends in nanomagnetism, spintronics and their applications (RTNSA 2015)» (Palacio de Barrena, Spain, Gipuzkoa, June 30 - July 3, 2015).

12. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) (National Research University "Higher school of economics", Moscow, May 12-14, 2016).

Публикации. Результаты диссертации были опубликованы в 12 научных работах, из них 6 статей, входящих в перечень рецензируемых научных изданий ВАК Минобрнаукн РФ, 5 статей, индексируемых Web of Science и Scopus, а также 6 статей, вошедших в сборники трудов международных конференций. Автор также обладает Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа моделирования макроспиновой магнитной динамики рабочего слоя многослойных магнитных наноструктур для анализа устойчивости магнитных состояний к переключению и генерации автоколебаний» (№ 2013615687), на основе которого была проведена часть исследований диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 185 наименований и 2 приложений, включающих в себя 1 авторское свидетельство и 3 акта о внедрении результатов диссертационной

работы. Размер работы составляет 153 страницы, 51 рисунок и 2 таблицы.