Page 213 - Spin Transport and Spintronics
P. 213
7.4 การออกแบบ STT-MRAM 215
ในการออกแบบโครงสร้าง MTJ ให้มีขนาดที่เหมาะสมต้องพิจารณาเวลาที่ใช้ในการกลับทิศทาง
ของแมกนีไทเซชันซึ่งมีความสัมพันธ์กับอัตราเร็วของการบันทึกข้อมูลใน STT-MRAM เมื่อป้อนแร
2
งดันไบอัสและทำให้เกิดกระแสทะลุผ่านที่มีความหนาแน่นเท่ากับ 10 MA/cm ไหลผ่านโครงสร้างทะลุ
ผ่านเชิงแม่เหล็ก จะทำให้เกิดสปินทอร์คกระทำต่อแมกนีไทเซชันในชั้นอิสระ จากนั้นทำการพิจารณา
เวลาที่ใช้ในการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันในโครงสร้าง MTJ ที่มีขนาดต่างๆ ได้ผลการคำนวณ
ดังแสดงในรูปที่ 7.11 โดยพบว่าการเพิ่มขนาดของโครงสร้างวัสดุจะช่วยลดระยะเวลาที่ใช้ในการกลับ
ทิศทางของแมกนีไทเซชัน และระยะเวลาที่ใช้ในการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันในโครงสร้างรอยต่อ
ทะลุผ่านเชิงแม่เหล็กทุกขนาดจะมีค่ามากกว่า 1.5 ns
อย่างไรก็ตามในการประยุกต์ใช้โครงสร้าง MTJ กับหน่วยความจำเชิงแม่เหล็กในอนาคต จำเป็น
ต้องออกแบบโครงสร้างวัสดุให้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 40 nm และมีความเร็วในการทำงาน
น้อยกว่า 1 ns ดังนั้นในกรณีนี้จำเป็นต้องเพิ่มความหนาแน่นของกระแสทะลุผ่านเพื่อลดระยะเวลาของ
การกลับทิศทาง ซึ่งความหนาแน่นของกระแสที่เหมาะสมจะต้องไม่ทำให้เกิดการใช้พลังงานที่มากเกิน
ไป และจากผลการศึกษาในกรณีที่ความหนาแน่นของกระแสทะลุผ่านมีค่าสูงมากพอ พบว่าขนาดของ
โครงสร้าง MTJ ส่งผลน้อยมากต่อระยะเวลาที่ใช้ในการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชัน
จากการศึกษานี้สรุปได้ว่าการออกแบบโครงสร้าง CoFeB/MgO/CoFeB ให้มีขนาดเส้นผ่าน
2
ศูนย์กลางน้อยกว่า 30nm จะต้องทำการป้อนกระแสไฟฟ้าที่มีความหนาแน่นประมาณ20 MA/cm ที่
อุณหภูมิ 300 K เพื่อให้เวลาที่ใช้ในการกลับทิศทางของแมนีไทเซชันมีค่าน้อยกว่า 1 ns โดยที่โครงสร้าง
วัสดุยังคงมีเสถียรภาพทางความร้อน ซึ่งผลจากการคำนวณมีค่าที่สอดคล้องกับผลการศึกษาเชิงการ
ทดลอง อย่างไรก็ตามการพัฒนา STT-MTAM ยังคงต้องการลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของโครงสร้าง
MTJ ให้มีค่าประมาณ 20 nm เพื่อประยุกต์ใช้กับ STT-MRAM ที่มีความจุข้อมูลที่สูงขึ้น การศึกษาข้าง
ต้นสามารถนำไปเป็นแนวทางในการออกแบบและต่อยอดเพื่อการพัฒนาอุปกรณ์สปินทรอนิกส์ต่างๆ
ในอนาคตได้
