Page 183 - Spin Transport and Spintronics
P. 183
บทที่ 7
การออกแบบโครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแม่เหล็ก
ในปัจจุบันโครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแม่เหล็ก (magnetic tunnel junction หรือ MTJ) ซึ่ง
ประกอบด้วยวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรสองชั้นถูกคั่นกลางด้วยชั้นวัสดุฉนวนได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่าง
แพร่หลายในอุปกรณ์การบันทึกข้อมูลเชิงแม่เหล็กและหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มเชิงแม่เหล็ก STT-
MRAM โดยเฉพาะอย่างยิ่งโครงสร้างวัสดุ CoFeB-MgO-CoFeB ที่มีอัตราส่วนความต้านทานเชิงแม่
เหล็กจากการทะลุผ่านสูง เนื่องจากโครงสร้างวัสดุดังกล่าวมีค่าแอนไอโซโทรปีที่สูงและมีทิศทางตั้งฉาก
กับระนาบของชั้นฟิล์ม (perpendicular magnetic anisotropy หรือ PMA) [6, 78–81] นอกจากนี้
ได้มีการศึกษาในเชิงการทดลองพบว่าวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โร CoFeB มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง ใช้
กระแสไฟฟ้าต่ำในการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชัน มีอัตราส่วนความต้านทานเชิงแม่เหล็กจากการ
ทะลุผ่านสูงและมีค่าคงที่ความหน่วงต่ำ วัสดุชนิดนี้จึงมีความเหมาะสมในการนำไปประยุกต์ใช้ในหัว
เขียนและหัวอ่านข้อมูลของหน่วยความจำเชิงแม่เหล็ก
ในการพัฒนาประสิทธิภาพ STT-MRAM จำเป็นต้องเข้าใจพลวัตของแมกนีไทเซชันภายในชั้น
วัสดุ เนื่องจากมีความเกี่ยวโยงและสัมพันธ์กับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในกระบวนการกลับ
ทิศทางของแมกนีไทเซชัน รวมไปถึงการใช้พลังงานและการควบคุมความเร็วในการทำงานของ STT-
MRAM โดยความเร็วในการเคลื่อนที่ของแมกนีไทเซชันภายในวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรจะมีความสัมพันธ์
กับค่าคงที่ความหน่วงของวัสดุ (α) ซึ่งเป็นค่าที่แสดงถึงการถ่ายโอนพลังงานระหว่างพลังงานภายนอก
กับพลังงานภายในของวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โร การออกแบบและเลือกวัสดุที่เหมาะสมเพื่อไปประยุกต์
ใช้ในโครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแม่เหล็กจำเป็นต้องอาศัยองค์ความรู้ของแบบจำลองระดับอะตอม
ร่วมกับแบบจำลองการส่งผ่านสปิน เพื่อให้ได้โครงสร้าง MTJ ที่นำไปใช้เป็นหัวเขียนและหัวอ่านที่มี
ประสิทธิภาพในอุปกรณ์หน่วยความจำแบบต่างๆ
7.1 โครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแม่เหล็ก
โครงสร้าง MTJ เป็นส่วนประกอบหลักที่สำคัญในการบันทึกและอ่านข้อมูลของอุปกรณ์หน่วย
ความจำเชิงแม่เหล็กประสิทธิภาพสูงซึ่งมีหลักการทำงานโดยอาศัยการเกิดความต้านทานเชิงแม่เหล็ก
จากการทะลุผ่าน โครงสร้าง MTJ ประกอบด้วยชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรสองชั้นที่ถูกคั่นกลางด้วยชั้น
