Bahnbrechende Forschung ebnet den Weg für MRAM-Geräte der nächsten Generation
Computerfestplatten, optische Laufwerke, Flash-Speicher und weitere Geräte sind nichtflüchtige Speicher, die auch nach Trennung der Stromversorgung Daten speichern können. Doch diese Geräte sind (insbesondere in Bezug auf den Schreibvorgang) langsam und Skalierungsgrenzen unterworfen. Magnetoresistive Random-Access Memory (MRAM, magnetoresistiver Schreib-/Lesespeicher) ist eine Art nicht flüchtiger Speicher, der zur Speicherung von Bits den magnetischen Zustand anstelle der elektrischen Ladung nutzt. Die Technologie demonstriert großes Potenzial für die Schaffung eines vielseitigen Speichers, der sich durch direkte Schreibkapazitäten und eine unbegrenzte Haltbarkeit und Datenspeicherung auszeichnet.
Spin-Bahn-Drehmoment für bessere MRAM-Geräte
Die MRAM-Speicher der nächsten Generation werden auf neuen Spintronikmechanismen aufbauen, die noch schnellere Operationen und einen geringeren Stromverbrauch in Aussicht stellen. Das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt GRISOTO erforschte, wie auf Basis von 2D-Materialien (Graphen) hergestellte Heterostrukturen und topologische Isolatoren in Ferromagneten zur Induzierung des Spin-Bahn-Drehmoments beitragen könnten. Die Forschungsleiterin des Projekts, Regina Galceran, erklärt hierzu: „Unser Ziel ist die Steuerung der Magnetisierung eines Ferromagneten, die mittels einem kleinen elektrischen Stromfluss darüber entscheidet, ob ein Speichergerät ein- oder ausgeschaltet wird. Dies wird durch Verwendung einer durchgehenden Schicht aus einem Material mit starker Spin-Bahn-Kopplung erreicht.“ Wenn ein Elektron mit einem falsch eingestellten Drehmoment in den Ferromagneten gelangt, geht aus der Unstimmigkeit (Fehlausrichtung) eine geringfügige Drehkraft hervor – ein Drehmoment. Eine große Stromstärke kann ein Drehmoment erzeugen, das groß genug ist, um die Magnetisierungsrichtung des Ferromagneten zu ändern. Die Fähigkeit zur Umschaltsteuerung der Magnetisierung (parallele bis antiparallele Spin-Ausrichtung) durch diese Spin-Transfer-Drehmomente wird von MRAM-Geräten der nächsten Generation genutzt. Zu vielversprechenden Materialien, die große Spin-Bahn-Drehmomente erzeugen, zählen unter anderem Übergangsmetall-Dichalkogenide und topologische Isolatoren, deren Leistungsfähigkeit ist jedoch oftmals aufgrund einer Legierungsdiffusion an der Schnittstelle mit dem Ferromagneten begrenzt.
Graphen als vielversprechende Plattform für Spin-basierte Phänomene
Zur Bewältigung dieser Herausforderung erforschte GRISOTO die Vorteile der Einführung einer Graphenschicht zwischen Ferromagnet und Material mit großer Spin-Bahn-Kopplung. Dank seiner geringen Spin-Bahn-Kopplung trägt Graphen dazu bei, die Elektronenspinkohärenz für lange Zeit zu erhalten. Prognosen zufolge führt die Kombination beider Materialien zur Entstehung einzigartiger, annäherungsinduzierter Spin-Bahn-Phänomene, die zur Steuerung des Spin-Stroms verwendet werden können. „Für die direkte Entwicklung von Graphen in den Substraten durch chemische Gasphasenabscheidung ist die Optimierung jedes Substrats erforderlich. In unserer Studie vereinfachten wir das Verfahren durch den Transfer mittels per chemischer Gasphasenabscheidung entwickelten Graphens auf die topologische Isolierschicht“, bemerkt Galceran. „Wir stellten fest, dass Graphen die darunter liegende Fläche des topologischen Isolators vor Oxidation schützt. Außerdem hindert es Atome an der Vermischung an den Schnittstellen zwischen Ferromagnet und topologischem Isolator, der die Spin-Bahn-Drehmomente unterdrückt.”
Wie kann die Gesellschaft von der MRAM-Technologie profitieren
„Eine zuverlässige Möglichkeit zum Umschalten der Spin-Richtung in Ferromagneten ist entscheidend für die Herstellung von Datenspeichergeräten und letzten Endes logischen Schaltungen. Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge und intelligenter Städte kombinieren mehrere Technologien, Echtzeit-Analysen, maschinelles Lernen und eingebettete Systeme. Ein Leistungsfehler könnte katastrophale Folgen nach sich ziehen – man nehme das Beispiel selbstfahrende Autos“, sagt Galceran. „In diesen Fällen könnten logische Schaltungen von der hohen Beständigkeit, der Schreibgeschwindigkeit und dem Ausfallschutz von MRAM mit Spin-Bahn-Drehmoment profitieren.“ MRAM-Speicher mit Spin-Bahn-Drehmoment, die in Mikroprozessoren eingebettet sind, würden eine richtungsweisende Änderung in der Informatik bedeuten. Sie würden nicht nur die Chance zur Nachrüstung bestehender Prozessorarchitekturen mit nicht flüchtigen Speichern bieten, sondern auch eine neue Denkweise über die Gestaltung von Prozessorkernen auf Systemebene ermöglichen.
Schlüsselbegriffe
GRISOTO, Graphen, Ferromagnet, MRAM, Spin-Bahn-Drehmoment, topologischer Isolator, magnetoresistive Random-Access Memory