Page 201 - Spin Transport and Spintronics
P. 201
7.4 การออกแบบ STT-MRAM 203
STT-RAM เนื่องจากเป็นโครงสร้างวัสดุที่มีค่าแอนไอโซโทรปีสูงและมีทิศทางแกนง่ายที่ตั้งฉากกับแผ่น
ฟิล์ม ซึ่งช่วยให้มีเสถียรภาพทางความร้อนและสามารถออกแบบให้โครงสร้างมีขนาดเล็กเพื่อรองรับ
หน่วยความจำที่มีความจุข้อมูลสูงได้ นอกจากนี้โครงสร้างดังกล่าวยังมีค่าคงที่ความหน่วงต่ำส่งผลให้
โครงสร้าง MTJ ใช้พลังงานไฟฟ้าในการบันทึกข้อมูลที่ต่ำลง ช่วยให้ประหยัดพลังงาน
ความเร็วในการบันทึกข้อมูลของ STT-MRAM จะขึ้นอยู่กับขนาดความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า
ที่ป้อนให้กับโครงสร้าง MTJ โดยกระแสไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านไปยังชั้นพินและจะเกิดการโพลาไรซ์กับ
แมกนีไทเซชันในชั้นพิน ทำให้เกิดเป็นกระแสสปินโพลาไรซ์ซึ่งกระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะเคลื่อนที่ต่อไป
ยังชั้นอิสระและเกิดปฎิสัมพันธ์แลกเปลี่ยนกับแมกนีไทเซชันในชั้นอิสระ ส่งผลให้เกิดการส่งผ่านแร
งบิดสปินหรือสปินทอร์คต่อแมกนีไทเซชัน ขนาดของแรงบิดสปินที่กระทำต่อแมกนีไทเซชันในชั้นอิสระ
จะแปรผันตรงกับขนาดกระแสไฟฟ้าที่ป้อนให้กับโครงสร้าง MTJ ซึ่งส่งผลต่อเวลาและกระบวนการ
ในการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชัน การศึกษาการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันในชั้นอิสระของ
โครงสร้าง MTJ โดยอาศัยปรากฏการณ์แรงบิดของสปินมีความสำคัญสำหรับการออกแบบหน่วยความ
จำ STT-MRAM เนื่องจากเทคนิคดังกล่าวสามารถกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันได้อย่างรวดเร็วและใช้
พลังงานต่ำ เมื่อเทียบกับการใช้สนามแม่เหล็กเพื่อกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันใน MRAM แบบดั้งเดิม
การกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันโดยอาศัยแรงบิดสปินซึ่งเกิดจากการป้อนกระแสไฟฟ้าภายนอก
สามารถลดค่ากระแสวิกฤตซึ่งเป็นค่ากระแสที่น้อยที่สุดที่แมกนีไทเซชันในโครงสร้าง MTJ เริ่มกลับ
ทิศทาง ให้มีค่าต่ำกว่า 10 MA/cm 2
การกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันที่ขับเคลื่อนด้วยสปินทอร์คในโครงสร้าง MTJ มีการศึกษา
อย่างกว้างขวางทั้งในเชิงการทดลองและในเชิงทฤษฎี การศึกษาเชิงการทดลองสามารถทำได้โดยการ
ป้อนกระแสไฟฟ้าภายนอกในทิศทางตั้งฉากกับโครงสร้างวัสดุและทำการวัดค่าความต้านทานภายใน
โครงสร้าง MTJ กระแสสปินโพลาไรซ์จะไหลจากชั้นพินเคลื่อนที่สู่ชั้นอิสระและเกิดการส่งผ่านแรงบิด
กระทำต่อแมกนีไทเซชันในชั้นอิสระ ถ้าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าภายนอกมีค่าสูงพอจะส่งผลให้
แมกนีไทเซชันในชั้นอิสระเกิดการกลับทิศทางซึ่งทำให้แมกนีไทเซชันในชั้นพินและชั้นอิสระมีทิศทาง
ขนานกัน (P) และค่าความต้านทานที่วัดได้มีค่าต่ำ อย่างไรก็ตามถ้าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า
มีค่าน้อย แรงบิดสปินที่กระทำต่อแมกนีไทเซชันในชั้นอิสระมีค่าไม่มากพอที่จะทำให้แมกนีไทเซชัน
เกิดการกลับทิศทาง ส่งผลให้แมกนีไทเซชันในชั้นพินและชั้นอิสระมีการจัดเรียงตัวในทิศทางตรงกัน
ข้าม (AP) และเกิดค่าความต้านทานทางไฟฟ้าที่สูง จะเห็นได้ว่าการวัดค่าความต้านทานดังกล่าวมีความ
สัมพันธ์กับการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชัน
ในการศึกษาการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันในเชิงทฤษฎีโดยส่วนใหญ่จะใช้แบบจำลองใน
ระดับจุลภาคผ่านสมการ LLG และพิจารณาผลของแรงบิดสปินในรูปแบบของสลอนเซวสกี (Slon-
czewski) ผลของสปินทอร์คซึ่งประกอบด้วยอะเดียบาติกทอร์ค (adiabatic torque) และนอนอะเดีย
