Page 202 - Spin Transport and Spintronics
P. 202
7.4 การออกแบบ STT-MRAM 204
บาติกทอร์ค (non-adiabatic torque) จะถูกพิจารณาผ่านสัมประสิทธิ์ µ และ β ตามลำดับ ขนาดของ
ทอร์คทั้งสองเป็นการประมาณค่าให้มีค่าคงที่ในทุกตำแหน่งของโครงสร้างวัสดุซึ่งไม่เสมือนจริง และไม่
ได้พิจารณาผลของการเปลี่ยนแปลงของแมกนีไทเซชันที่ตำแหน่งต่างๆ ของโครงสร้าง (∆M) นอกจาก
นี้กระแสการทะลุผ่านที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้าง MTJ ถูกพิจารณาให้มีค่าคงที่ แม้ว่าตามหลักทางทฤษฎี
ของปรากฎการณ์ทะลุผ่าน ค่ากระแสดังกล่าวจะมีค่าขึ้นอยู่กับมุมสัมพัทธ์ระหว่างแมกนีไทเซชันในชั้น
วัสดุแม่เหล็กเฟอโรทั้งสองชั้นก็ตาม ซึ่งทำให้แบบจำลองดังกล่าวขาดความสมบูรณ์และความเสมือน
จริง แม้ว่าการอธิบายผลของสปินทอร์คด้วยรูปแบบของสลอนเซวสกีจะถูกนำมาประยุกต์ใช้ในแบบ
จำลองระดับอะตอมที่มีความถูกต้องและแม่นยำ โดยมีการพิจารณาผลของสปินทอร์คที่เกิดขึ้นในทุก
สปิน แต่ยังขาดการคิดผลของกระแสทะลุผ่านและผลของ ∆M
ดังนั้นในหัวข้อนี้จะอธิบายการศึกษาเชิงทฤษฎีของกระบวนการในการกลับทิศทางของแมกนี
ไทเซชันในโครงสร้าง CoFeB/MgO/CoFeB ด้วยแบบจำลองวัสดุแม่เหล็กระดับอะตอมร่วมกับแบบ
จำลองการสะสมสปิน [84] เพื่อศึกษาผลกระทบที่เกิดจากอุณหภูมิและขนาดของชั้นฟิล์ม CoFeB ที่มี
ผลต่อเวลาและลักษณะการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชัน โดยในแบบจำลองในระดับอะตอมจะถูกนำ
มาใช้ในการศึกษาพลวัตของแมกนีไทเซชันและแบบจำลองการสะสมสปินจะถูกนำมาใช้ในการพิจารณา
การส่งผ่านสปินที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้าง MTJ โดยจะกำหนดให้โครงสร้าง CoFeB/MgO มีค่าแอน
ไอโซโทรปีและค่าคงที่ความหน่วงสูงที่บริเวณรอยต่อระหว่างชั้น CoFeB และชั้น MgO ดังที่ได้กล่าว
รายละเอียดในหัวข้อก่อนหน้านี้ แบบจำลองนี้จะคิดผลของความหนาแน่นกระแสจากการทะลุผ่านและ
พิจารณาแรงบิดของสปินที่ตำแหน่งต่างๆ จากค่าการสะสมสปินซึ่งทำให้แบบจำลองมีความเสมือนจริง
มากขึ้น
การออกแบบโครงสร้าง MTJ ที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อนำไปสู่การประยุกต์ใช้ในหน่วยความจำ
เชิงแม่เหล็ก จำเป็นต้องคำนึงถึง 3 ส่วนหลัก ได้แก่ ขนาดของโครงสร้าง ความเร็วในการบันทึกและอ่าน
ข้อมูล และพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ ดังรายละเอียดของเงื่อนไขต่อไปนี้
1. ต้องออกแบบให้โครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแมเ่หล็กมีขนาดที่เหมาะสมเพื่อรองรับหน่วย
ความจำเชิงแม่เหล็กที่มีค่าความจุข้อมูลที่สูงได้
2. ควรใช้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าภายนอกในการบันทึกข้อมูลมีค่าต่ำกว่า10MA/cm 2
เพื่อป้องกันความร้อนจูลที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า (Joule heating) และช่วยให้ STT-MRAM ใช้พลังงาน
ต่ำ
3. การออกแบบต้องคำนึงและพิจารณาถึงความเร็วในการบันทึกข้อมูล โดยมีความสัมพันธ์
กับเวลาที่ใช้การกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันซึ่งขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าภายนอก
ปัจจุบันความเร็วในการอ่านและเขียนข้อมูลของ STT-MRAM ที่ดีควรมีค่าน้อยกว่า 5 ns
