三星STT-MRAM技术开放创新计划

三星电子战略内存规划高级总监Alexander drisgill - smith向AZoM介绍了三星在STT-MRAM (SGMI)、STT-MRAM技术和材料方面的开放创新项目，以及在这一领域的大学合作需求。欧洲杯足球竞彩

您是否可以简要解释磁隧道结和旋转阀中发生的自旋转移扭矩（STT）效果，并概述其中需要哪种材料特性和条件？

当电子的旋转偏振电流通过磁性层时，它将旋转角动量转移到该层，这导致磁化的扭矩。这被称为自旋传递力矩（STT）效应。本质上，一个扭矩通过了转移的快速旋转的势头。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，具有固定磁化方向的磁性层用于产生自旋极化电流：它充当自旋滤波器，仅通过自旋与其磁化方向对齐的电子。然后，自旋极化电流通过并在磁化自由旋转的较薄磁性层中产生转矩：如果足够强，转矩会导致该层的磁化转向相反方向。

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，磁化放松到平衡位置的阻尼或速率必须足够小，否则STT效应无法克服自旋轨道相互作用和其他效应引起的能量耗散。

自旋极化电流和自旋转移转矩(STT)开关。M1对入射电子施加一个力矩，这些电子在M1方向上变成自旋极化的。这个自旋极化电流又对M2施加扭矩，引起M2进动和开关。

您能否解释一下自旋转移力矩是如何应用于磁随机存取存储器(STT-MRAM)技术的，并简要介绍一下这一领域的研究历史?

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免费层．

第二磁层称为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道磁阻(TMR)对阅读的影响自旋传递力矩（STT）对写作的影响。

TMR效应导致MTJ的电阻显着取决于磁场的相对取向：反平行状态的电阻可以比在并联状态中大的数倍。它使得能够感测到自由层的磁状态，从而被读取存储信息。如上所述，STT效应使得如果扭矩足够强，则可以改变自由层的磁状态，因此可以写入信息。

STT效应是由Slonczewski和Berger于1996年独立在理论上预测的，并于2000年首次在全金属自旋阀结构中观测到。由于这种金属结构中的自旋极化程度相对较低，开关电流最初非常高。因此，随后的研究集中于降低开关电流，特别是通过开发比金属自旋阀具有更大自旋极化的MTJ结构。

最重要的进展是引入氧化镁（MgO）隧道势垒，该势垒表现出巨大的TMR，其产生于基于对称性的自旋滤波效应，该效应于2001年在理论上预测，并于2004年首次在MTJs中观察到。由于极化的改善，2005年，采用MgO隧道屏障的MTJ中的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在相同的方向（“0”状态）对准时，电阻较低，并且当层在相反方向上对准时（“1”状态）的磁化和高。

第一代MRAM细胞。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，它远小于第一代MRAM单元。

STT-MRAM技术的优点和潜在应用是什么?

STT-MRAM的优点是，它可以具有DRAM的密度、SRAM的速度和闪存的非易失性，以及无限的耐久性和中等至低功耗。虽然同时满足所有这些要求是一项挑战，但STT-MRAM通过将现有内存技术的能力与附加功能相结合，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。

由于高速，非波动性，无限耐久性和随机访问能力的独特组合，它还提供了显着的建筑效益。STT-MRAM的另一个好处是它对未来的技术节点提供更大的可扩展性，特别是与DRAM相比时的可扩展性。

与开发STT-MRAM进行商业用途的主要挑战是什么？例如，设计，制造和材料中的一些当前限制是什么？欧洲杯足球竞彩

在所有这些领域都存在挑战。在材料方面，过欧洲杯足球竞彩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，以便能够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:在不造成损坏或不需要的材料在相邻MTJs上再沉积的情况下刻蚀构成MTJs的磁性材料，并且达到所需的均匀性是困难的。欧洲杯足球竞彩

STT-MRAM技术与其他存储技术相比有何独特之处?

在所有主要的现有和原型存储器技术中，STT-MRAM是唯一一个具有工作存储器（DRAM和SRAM）的容量，耐力和速度的唯一一个，以及存储内存（闪存和硬盘）的非波动性。没有其他内存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是一个挑战，其中涉及到一些权衡，但通常STT-MRAM的属性可以根据特定目标应用程序的要求进行调整。

您能在MRAM - SGMI介绍三星的新开放创新计划吗？

SGMI代表三星全球MRAM创新。这是一个新的融资研究计划，即对世界领先的大学和研究实验室开放。SGMI是三星自2009年开始进行的全球研究外展（GAG）计划的特别活动：虽然GRE从下一代计算到医疗器械的广泛主题，但SGMI纯粹集中在STT-MRAM上。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 - 探索突破和创新的STT-MRAM研究。

SGMI建议书征集于6月发布，建议书提交期至9月28日。共有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、建模和设备表征到过程集成，电路设计、系统架构和应用。欧洲杯足球竞彩

还有一个新兴技术主题，涵盖了新的效果，如旋转轨道诱导的效果和电压控制的磁各向异性以及多比特和3D堆叠的STT-MRAM技术，这可能在未来几代STT-MRAM中变得重要。

我们邀请所有有兴趣的研究人员在9月28日期之前的任何令人信服的研究科目中提出最佳和最新颖的想法。还可以提交来自多所大学和研究实验室的联合研究提案。

这些提议将在第四季度进行审查，目标是在12月宣布研究结果，并在2014年1月启动研究合作。项目初期资助期限为一年，可延长至三年。

三星希望通过这个项目达到什么目的?

总体目标是与世界领先的大学和研究实验室建立互利的研究关系，以支持和维持STT-MRAM的商业化和长期未来。为了将高密度STT-MRAM商业化，需要在短期内克服一些挑战，此外，还需要有一条新的磁性材料、器件和设计的不断管道，这些材料、器件和设计可以在较小的技术节点并入未来几代STT-MRAM中。欧洲杯足球竞彩

在21^英石我们认为，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。

像STT-MRAM到市场这样的新内存技术需要什么？

除了至关重要的技术研究和开发外，为新技术找到正确的应用和市场并提前做好准备也同样重要。过去有许多正在开发的技术从未找到市场的例子。即使是像三星这样的大公司，也无法独自做到这一切，需要合作伙伴。

它不仅仅是我们正在解决的大学和研究实验室合作SGMI计划，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为什么与SGMI计划一起参与，为什么它是互利的？

对于大学和研究机构，我们希望参加SGMI计划只是与三星互利的合作关系的第一步。对于三星来说，它不仅仅是关于研究成果，而且还要在STT-MRAM和未来的磁石和闪光技术中占据全球研究活动到一个新的水平。

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。

您如何看待下一年的STT-MRAM技术进展，三星希望参与其中？

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，最有可能的产品是将现有内存技术（如DRAM）的功能与其他功能（如非易失性和低待机功耗）结合在一起。如前所述，这样的STT-MRAM产品将在数据密集型和移动应用中实现更好的性能和功耗。

关于STT-MRAM技术十年来的进展，一些新兴的自旋电子学技术，如电压控制的磁各向异性和自旋轨道感应效应产生的自旋极化电流是如何发展的，这将是一个有趣的现象，因为如果它们的潜力得到充分发挥，它们可以在未来改变STT-MRAM的性能。

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学，这打开了一系列新的物理现象，可用于新的STT-MRAM应用。

从长远来看，真正的潜力在于超越传统记忆的约束，并根据这些基于新的基于闪蒸的现象（以及仍在等待发现的其他人） - 我们几乎没有开始探索的开放游乐场。

最后，SGMI计划的即将到来的重要日期是什么，人们如何参与？

SGMI提案提交截止日期为9月28日。关于研究主题和提案提交过程的全部详细信息可以在SGMI网站上找到www.samsung.com/mram.任何问题都可以直接向(电子邮件保护)．我们非常期待每个人的参与！

关于Alexander Driskill-Smith

Alexander Driskill-Smith是三星电子战略记忆计划高级总监。他在半导体和数据存储行业中拥有十多年的业务发展，战略规划和先进技术研究和开发经验，并拥有多项专利。

他于2011年通过三星收购Grandis(一家开发破坏性非易失磁存储解决方案的初创公司)加入三星，在那里他担任业务开发副总裁。在加入Grandis之前，他曾在IBM公司和日立全球存储技术公司工作，在那里他领导了几个新的磁记录头设计的设计、制造和集成。

他持有m.a.和ph.d.剑桥大学的物理学位，U.K.和M.B.A.宾夕法尼亚大学沃顿省沃顿省的学位。他目前担任旧金山的北加州初级成就咨询委员会。