Журнал «Компьютерра» № 10 от 14 марта 2006 года - Компьютерра

Очередным шагом на пути совершенствования структур с ГМС стали спиновые вентили (СВ). Они также состоят из двух магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой, но магнитный момент одного из слоев закреплен антиферромагнитным слоем (АФМ) с фиксированным направлением магнитного момента. В то же время намагниченность второго слоя может свободно изменяться под действием внешнего магнитного поля. В другом варианте СВ имеют структуру пермаллой (NiFe)/медь (Cu)/ кобальт (Co), рис. 6. Когда мы помещаем этот «сэндвич» даже в слабое магнитное поле, верхний «свободный» слой легко изменяет конфигурацию магнитных моментов вслед за полем, выстраивая ее антипараллельно нижнему слою. А если есть такой переход, то будет и гигантское магнитосопротивление. На основе таких элементов созданы считывающие магниторезистивные головки в жестких дисках с плотностью записи более 100 Гбайт/кв. дюйм.

Варьируя материал, толщину и последовательность слоев, можно оптимизировать магнитные и электрические свойства таких наноструктур и расширить область их практического применения. За несколько лет, прошедших с момента открытия спиновых вентилей, было создано и исследовано не менее одиннадцати их видов с различной структурой.

Магнитный туннельный переход

К следующему поколению спинтроники относят структуры, принцип действия которых основан на явлении магнитного туннельного перехода. Магнитный туннельный переход происходит в структуре, состоящей из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором (обычно это оксид алюминия Al2O3). Причем толщина изолятора так мала (менее 2 нм), что электрон может просачиваться через него — этот процесс называется туннелированием. В ферромагнитном материале энергия электронов со «спин-вверх» и «спин-вниз» различная, поэтому и вероятность их туннелирования будет отличаться. Если магнитные моменты смежных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала, то есть электросопротивление большое. Таким образом, имеются условия для возникновения эффекта ГМС. Максимальная величина магниторезистивного эффекта, наблюдаемого в таких структурах при комнатной температуре, составляет около 220%.

Структуры с магнитным туннельным переходом применяются в качестве считывающих головок в жестких дисках, а также для создания элементарных ячеек магниторезистивной оперативной памяти (MRAM). MRAM-память выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Так, например, время выборки данных у MRAM-памяти может составлять 10 нс, что в пять раз меньше, чем у flash-памяти, а время записи — 2 нс (на три порядка меньше, чем у flash-памяти). При этом энергопотребление магниторезистивной памяти вдвое меньше, чем у flash— и DRAM-памяти.

Сегодня разработку MRAM-памяти ведут несколько фирм: Motorola, IBM, Infineon, Cypress Semiconductor, TSMC, а также совместно NEC и Toshiba. Большинство из них остановились на MRAM-памяти с магнитным туннельным переходом. Схема ячейки памяти, в которой перемагничивание осуществляется по методу Савченко, разработанному в компании Motorola, представлена на рис. 7. Ячейка памяти сформирована на пересечении разрядной и числовой шин. Она состоит из структуры с магнитным туннельным переходом, которая отвечает за хранение информации, и транзистора, с помощью которого организована адресация. Существуют схемы, в которых транзистор заменен диодом или вообще отсутствует. Ток, протекающий по разрядной и числовой шинам, наводит перекрестное магнитное поле, которое изменяет магнитное состояние свободного слоя. При считывании измеряется ток, протекающий через ячейку. Его величина зависит от конфигурации намагниченности магнитных слоев структуры: при параллельной ориентации сопротивление перехода минимально. Это соответствует логическому "0". При антипараллельной ориентации намагниченностей сопротивление велико, туннельный ток мал — это логическая "1".

Используя рассмотренную выше схему ячейки, Motorola в 2004 г. создала чипы MRAM-памяти емкостью 4 Мбайт и временем доступа 25 нс. Тогда же Infinion и IBM представили экспериментальный чип MRAM-памяти емкостью 16 Мбайт. Микросхемы изготавливались по 180-нм нормам. С переходом на 45-нм техпроцесс (это планируется осуществить до 2010 г.) емкость MRAM-памяти возрастет до 10 Гбит, а время доступа снизится до 8 нс.

Кроме MRAM и считывающих головок в жестких дисках структуры с магнитным туннельным переходом можно будет использовать и в качестве элементов в логических устройствах или перепрограммируемых логических процессорах, что потребует очень высоких значений магнитного сопротивления.

Наиболее подробно из всех гигантских эффектов мы рассмотрели явление гигантского магниторезистивного эффекта. Открытое сравнительно недавно, оно уже нашло широчайшее практическое применение, став «трамплином» в новую область физики — спинтронику. Появление новых классов материалов, таких как магнитные полупроводники, позволяет получить новые наноструктуры и ускорить интеграцию спинтроники в полупроводниковую электронику.

Стремительное развитие наноэлектроники послужит основой качественно нового этапа в разработке новейших информационных технологий, новых средств диагностики, связи. Успехи фундаментальных исследований, направленных на поиск новых гигантских эффектов, также будут способствовать осуществлению надежд, возложенных на наноэлектронику и наномеханику.

ОКНО ДИАЛОГА: Хорошо информированный оптимист

Автор: Владимир Гуриев

Очень велик был соблазн озаглавить это интервью «Путешествие из Петербурга в Москву», потому что наш собеседник действительно приехал из Санкт-Петербурга, который, впрочем, не имеет никакого отношения к городу, откуда в Москву отправился Александр Радищев. Санкт-Петербург, в котором живет основатель Википедии Джимми Уэйлс (кстати, Джимми в данном случае — это полная форма имени), всего лишь тезка нашего — имя свое он получил именно в честь российского Питера, где родился один из основателей американского городка. Но в отличие от хмурой северной столицы во флоридском Петербурге в год случается не больше пяти пасмурных дней. До радищевских контрастов не дотягивает, но двухдневный московский визит вполне может считаться краткосрочной ссылкой, в ходе которой Джимми общался с участниками русской Википедии и выкроил время для встречи с нами (отдельно хочу поблагодарить Станислава Козловского, который организовал эту встречу, и Александра Сергеева с «Радио Свобода», принимавшего участие в разговоре).

Краткая биографическая справка рисует нам человека целеустремленного, волевого и довольно жесткого: Джимми заработал капитал на торговле фьючерсами, организовал работавшую с adult content сеть Bornis, создал на пару с Ларри Сэнгером Википедию, сумев эффективно организовать работу десятков, а то и сотен тысяч человек… На самом деле, Уэйлс — приветливый, тихий и очень-очень уставший.

Разговор, естественно, начался с русской Википедии, которая пока заметно отстает от своей старшей сестры — и количественно, и качественно. Впрочем, сам Джимми русской редакцией интернет-энциклопедии вполне доволен.

— Количество и качество идут рука об руку. Сам-то я никак не могу оценить качество русской Википедии и сравнить ее с английской на том же этапе развития, но не исключаю, что русская Википедия даже лучше. Когда английская Википедия состояла из 60 тысяч статей, большая их часть была сгенерирована роботом. Мы просто создали странички-болванки для американских городов. Как вы понимаете, это были не очень хорошие статьи, зато их было много.

К тому же страны развиваются по-разному. Германская Википедия, на мой взгляд, качественнее английской — если брать соответствующие временные срезы. Думаю, это вызвано повышенным вниманием немцев к качеству — мы согласны на «Шевроле», а они покупают «Мерседесы». Как с этим обстоит в России, не знаю, — возможно, вы больше похожи на американцев, а не на немцев.

В Германии в октябре этого года начинается публикация бумажной версии Википедии. Как будет решаться проблема с копирайтами? На сайте материалы сомнительного происхождения можно довольно быстро убрать, но отредактировать бумажный вариант после выпуска уже не получится. Как немецкая Википедия собирается решать эту проблему? Там же сотни тысяч статей…

— Проектом занимается компания Direct Media, и они, насколько я знаю, собираются решать эту проблему традиционными способами: наймут редакторов и проверят содержание всех статей. Понятно, что свести риск к нулю не удастся, но это нормально. Вы же сами наверняка сталкиваетесь с проблемами плагиата…

Больше того, нам время от времени приходят статьи, составленные из текстов русской Википедии.