三星开放式创新计划STT-MRAM技术

三星电子战略记忆计划高级总监Alexander Driskill-Smith讨论了STT-MRAM（SGMI），STT-MRAM技术和材料的三星开放式创新计划，以及该地区的大学合作需求。亚博网站下载

你能简要地解释一下发生在磁性隧道结和自旋阀中的自旋转移力矩(STT)效应吗?并概述一下发生这种效应所需要的材料特性和条件?

当电子自旋极化电流通过磁性层时，它将自旋角动量转移到该层，从而导致磁化力矩。这被称为自旋转矩(STT)的效果。本质上,一个转矩是通过转移的自旋的势头。扭矩在磁化中激发振荡，如果足够强，可以引起磁化方向翻转。

在自旋阀或磁性隧道结(MTJ)的情况下，一个具有固定磁化方向的磁性层被用来产生自旋极化电流:它作为一个自旋过滤器，只通过自旋与其磁化方向一致的电子。然后，自旋极化电流通过并在磁化可以自由旋转的较薄磁性层中产生扭矩:如果足够强，扭矩会导致该层的磁化转换到相反的方向。

观察STT切换需要几个条件。首先，磁层必须足够薄，通常只有几纳米，否则自旋散射会导致自旋极化丢失。其次，磁层的横向尺寸需要足够小，通常小于100纳米，否则通过磁层的高电流密度产生的磁场会干扰STT效应。

第三，磁化松弛到平衡位置的阻尼或速率需要足够小，否则STT效应不能克服自旋轨道相互作用和其他效应造成的能量耗散。

旋转偏振电流和旋转转印扭矩（STT）切换。M1在进入电子上施加扭矩，该电磁在M1方向上变旋。这种旋转偏振电流反过来施加在M2上的扭矩，导致M2进效和切换。

您能解释磁性随机存取存储器（STT-MRAM）技术如何使用自旋转印扭矩，并在该领域进行研究的简要历史？

STT-MRAM的主要组成部分是磁隧道结(MTJ)，这是一个小于100纳米大小的磁元件，由两个磁层组成，由一个薄绝缘层或隧道屏障隔开。这些信息被存储在一个磁性层的磁性状态中自由层．

第二个磁性层叫做参考层提供读写所需的参考框架。STT-MRAM的功能是由两个在过去20年里发现的现象提供的隧穿磁电阻（TMR）读物的效果自旋转矩(STT)写作效果。

TMR效应导致MTJ的电阻显著依赖于磁层的相对方向:反平行状态下的电阻可能比平行状态下的电阻大几倍。它能够感知自由层的磁状态，从而读取存储的信息。如上所述，当转矩足够强时，STT效应使自由层的磁态发生改变，从而可以写入信息。

STT效应理论上是由Slonczewski和Berger于1996年独立预测的，并且在2000年的全金属旋转阀结构中首先观察到。由于这种金属结构中的旋转极化程度相对较低，开关电流最初非常高。因此，随后的研究集中于减小切换电流，特别是通过开发具有比金属旋转阀更大的自旋极化的MTJ结构。

最重要的进展是引入了氧化镁(MgO)隧道势垒，该势垒表现出一种由对称自旋过滤效应引起的巨大TMR，这一现象在2001年被理论预测，并于2004年首次在MTJs中观测到。由于极化的改善，在这类含有MgO隧道屏障的mtj中，STT开关电流大大降低。基于mgo的mtj现在是该领域的标准。

磁隧道结。当参考和存储层的磁化方向一致时(“0”状态)，电阻是低的，而当两层的磁化方向相反时(“1”状态)，电阻是高的。

第一代MRAM单元。由位线和写字线产生的磁场用于在“0”和“1”状态之间切换。(b) STT-MRAM细胞。通过消除写字线和旁路线，它比第一代MRAM电池小得多。

STT-MRAM技术有哪些好处和潜在应用？

STT-MRAM的优点是，它可以拥有DRAM的密度、SRAM的速度和Flash的非挥发性，以及无限的持久性和中低功耗。尽管同时满足所有这些要求具有挑战性，但STT-MRAM通过结合现有内存技术的能力和附加功能，可以在独立和嵌入式内存空间中有许多潜在的应用。

例如，STT-MRAM具有DRAM的密度和Flash的非挥发性，在数据密集型应用和移动应用中的即时启动能力方面，能够从根本上提高性能和降低功耗。

它还提供了显著的架构优势，因为它独特地结合了高速、非挥发性、无限的持久性和随机访问能力。STT-MRAM的另一个好处是，它为未来的技术节点提供了更大的可伸缩性，特别是与DRAM相比。

开发STT-MRAM用于商业用途的主要挑战是什么?例如，目前在设计、制造和材料方面有哪些限制?亚博网站下载

在所有这些领域都存在挑战。在材料方面，过亚博网站下载去几年的重点已经从平面内的MTJ发展(即磁化在平面内)转移到垂直的MTJ发展(即磁化垂直于平面，此外，还需要开发具有更好性能的垂直MTJ堆栈:例如，更高的TMR以实现更快的读数，更高的自旋极化以实现更小的开关电流，以及更高的垂直各向异性以实现更大的热稳定性。

在设计方面，需要开发更好的读取传感电路，以便更快地读取两个电阻状态之间的差异。

在制造方面，最大的挑战是制造MTJS：蚀刻构成MTJ的磁性材料而不会导致相邻MTJ的损坏或重新沉积不需要的材料，并且难以这样做。亚博网站下载

与其他内存技术相比，STT-MRAM技术是如何独一无二的？

在现有的主要存储技术和原型存储技术中，STT-MRAM是唯一具有工作存储器(DRAM和SRAM)的容量、耐力和速度，以及存储存储器(Flash和HDD)的非易失性的技术。没有其他存储技术提供这种独特的属性组合。

如上所述，同时满足所有这些要求可能具有挑战性，并且有一些权衡涉及，但在一般时，可以根据特定目标应用程序的要求调整STT-MRAM的属性。

您能介绍一下三星在MRAM - SGMI上新的开放式创新项目吗?

SGMI是三星全球MRAM创新的缩写。这是一个为STT-MRAM研究提供资金的新项目，向世界领先的大学和研究实验室开放。SGMI是三星自2009年以来开展的全球研究拓展(GRO)项目的一个特别活动:GRO涵盖了从下一代计算到医疗设备的广泛主题，而SGMI则纯粹专注于STT-MRAM。SGMI计划旨在为世界各地的学院、大学和研究实验室创造机会，探索突破性和创新的STT-MRAM研究。

上汽通用五菱征求建议书的通知是在6月发出的，建议书提交期将持续到9月28日。有32个感兴趣的研究主题，分为9个研究主题，涵盖STT-MRAM技术的各个方面，从磁性材料、建模和器件表征到过程集成、电路设计和系统架构和应用。亚博网站下载

还有一个新兴的技术主题，包括新的效应，如自旋轨道诱导效应和电压控制磁各向异性以及多比特和3D堆叠STT-MRAM技术，这可能成为未来一代STT-MRAM的重要技术。

我们邀请所有感兴趣的研究人员在9月28日截止日期前提交他们对这些引人注目的研究课题的最好和最新颖的想法。也可提交多所大学和研究实验室的联合研究计划。

第四季度将在第四季度审查该提案，目的是宣布12月份成果，并于2014年1月推出研究合作。项目最初将资助一年，可以续约长达三年。

三星希望通过这个计划实现什么？

总体目标是与世界领先的大学和研究实验室建立互惠互利的研究关系，支持和维持STT-MRAM的商业化和长期未来。为了实现高密度STT-MRAM的商业化，在短期内还需要克服一些挑战，此外，还需要不断开发新的磁性材料、设备和设计，以便在更小的技术节点上整合到未来一代STT-MRAM中。亚博网站下载

在21^圣我们认为，与全球领先的大学和研究实验室合作，建立和加强一个充满活力的磁学和自旋电子学研究社区，是至关重要的。

怎样才能将STT-MRAM这样的新存储技术推向市场呢?

除了技术研究和发展，当然是必不可少的，对于为新技术找到合适的应用和市场并提前准备它们也是至关重要的。在过去的过去有许多技术的例子，从未发现过市场。即使是像三星这样的大型公司也不能单独完成所有这些，需要合作伙伴。

这不仅仅是大学和研究实验室的合作，我们正在处理SGMI程序，但也与其他公司的伙伴关系，如系统集成商，将把STT-MRAM纳入他们未来的产品和软件供应商，将更改他们的代码，以利用STT-MRAM的独特功能。所有这些都需要结合在一起，才能成功推出市场。

为什么大学和研究机构参与SGMI项目如此重要，为什么它是互利的?

对于大学和研究机构来说，我们希望参加SGMI项目只是与三星建立长期互利合作关系的第一步。对于三星电子来说，这不仅仅是研究成果，而且是将STT-MRAM和未来磁性和自旋电子技术的全球研究活动推向一个新的水平。

在这一领域的研究越多，STT-MRAM的未来就会越安全，这反过来也会带来更多的资助和更深入和更长期的合作。这是一个良性循环，磁学和自旋电子学领域的每个人都从中受益。

您如何看待STT-MRAM技术在未来十年的发展?三星希望如何参与其中?

在我们合作伙伴的帮助下，我们相信高密度STT-MRAM可以在未来几年内推向市场，最有可能的是作为一种产品，将现有的存储技术(如DRAM)与非易失性和低待机功耗等附加功能相结合。如前所述，在数据密集和移动应用程序中，这种STT-MRAM产品将从根本上提高性能和功耗。

至于STT-MRAM技术在过去十年的发展，看到一些新兴的自旋电子学技术，如电压控制磁各向异性和自旋轨道诱导产生的自旋极化电流的发展将是很有趣的，因为如果它们的潜力得到充分实现，它们将在未来改变STT-MRAM的能力。

也许最令人兴奋的事情是将磁性和自旋自由度引入传统半导体电子，这开启了许多新的物理现象，可以用于新的STT-MRAM应用。

从长远来看，真正的潜力在于超越传统记忆的限制，并引入基于这些基于自旋电子学的新现象(以及其他有待发现的现象)的新功能——一个我们刚刚开始探索的开放游乐场。

最后，即将到来的SGMI计划的重要日期是什么，人们如何参与?

SGMI提案提交截止日期为9月28日。有关研究主题和提案提交过程的详细信息，请访问SGMI网站www.samsung.com/mram任何问题都可以指示[电子邮件受保护]．我们非常期待大家的参与!

关于亚历山大Driskill-Smith

亚历山大·德里斯基尔·史密斯(Alexander Driskill-Smith)是三星电子存储器战略规划高级总监。他在半导体和数据存储行业拥有十多年的业务发展、战略规划和先进技术研发经验，并持有多项专利。

他于2011年加入三星通过三星收购了一个开发了一个破坏性的非易失性磁记忆解决方案的初创公司，他曾担任业务发展副总裁。在加入Grandis之前，他在IBM Corporation和Hitachi Global Storage Technologies工作，在那里他领导了几种新的磁记录头设计的设计，制作和集成。

他持有the University of Cambridge(英国剑桥大学)物理学硕士和博士学位，以及the Wharton School of the University of Pennsylvania的工商管理硕士学位。他目前任职于San Francisco Advisory Board of Junior Achievement of Northern California。