Magnetische Speicher

Gefördert durch das BMBF: FKZ 13N10144

Kooperationen:

Prof. Dr. Johann W. Bartha (TU Dresden)

Prof. Dr. Karl Leo (TU Dresden)

Unterauftrag:

Dr. Roland Mattheis (IPHT Jena)

Dr. Dima Berkov (Innovent Jena)

Verbundprojekt

Aufgrund des großen Bedarfs an flüchtigen und nichtflüchtigen Speichermedien ist in den letzten Jahren ein sehr schnelles Fortschreiten der Skalierung von Speicherbausteinen zu beobachten. Wenn man diese Entwicklung nur um wenige Jahre extrapoliert, so wird deut­lich, dass la­dungs­ba­sier­te Speicher schon relativ bald an physikalische Grenzen stoßen, da die für das Auslesen zu spei­chern­de Ladung (DRAM) zu große Flächen erfordert oder die Ladung selbst zu klein wird (Flash-Prinzip). In dem hier vorgeschlagenen Projekt sollen drei neuartige Speichertechnologien evaluiert werden:

  • Resistive Speicher (TU Dresden)
  • Magnetische Speicher; MRAM, Spintronik (FZ Dresden-Rossendorf)
  • Organische Speicher (TU Dresden)

Projektteil: Magnetische Speicher

In Zukunft spielen komplexe Oxide eine fundamentale Rolle bei der Herstellung von Tunnel­barrie­ren in Tunnelmagnetowiderstands(TMR)-Bauelementen, in denen zwei ferro­magne­ti­­sche Elek­tro­den durch eine ultradünne Isolatorschicht voneinander getrennt sind. Typischer­weise wer­den heut­­zutage in den nichtflüchtigen Metall-Spintronik-TMR-Speicherzellen (MRAM-magnetic random access me­mo­­ry) Al2O3 oder MgO als Tunnelbarrierenmaterial verwendet. Die Präparation einer ultra­dün­nen Tunnel­barriere auf neuartigen metallischen, nichtorganischen halbleitenden und or­ganischen halb­lei­tenden Elektroden in TMR-Speicherzellen definieren wir als Meilenstein auf dem Weg zur Re­alisie­rung von neuartigen TMR-Speicherzellen. Zur Optimierung der Speicherdichte sind Barrieren­mate­rialien mit großer statischer dielektrischer Konstante und hoher Grenzflächenqualität zu reali­sieren. Seit Entdeckung des Riesenmagnetowiderstandeffektes (GMR) hat sich die metall-basierte Spin­tronik rasch weiterentwickelt. Ende der 1990er Jahre wurde zunächst das magnetische RAM (MRAM) pro­klamiert und 2006 von Freescale Semiconductor in den Markt eingeführt. Die wesent­li­chen Vorteile dieser Technologie liegen in der Nicht-Flüchtigkeit und somit Energie­effizienz des Spei­chers verbunden mit schnellen Schreib-/Lesezeiten und einer einfachen Geo­metrie, die hohe Packungs­dichten erlaubt. Der Haupt­nach­teil war zu dieser Zeit die schwierige Adressierbarkeit der einzelnen Speicherzellen mittels zweier ge­pulster Magnetfelder. Neuerdings werden Konzepte zum strominduzierten Schalten auf Basis des so­ge­nann­ten Spintransfertorque-Effektes für neuartige MRAM-Speicherzellen verfolgt, der das Problem der Adressierbarkeit umgeht. Die Halbleiter-Spintronik ist ein aktives, relativ junges und viel­ver­spre­chen­des For­schungs­gebiet mit neuartigen Konzepten zur Speicher­technologie, die teilweise parallel verfolgt werden. Magnetische Halbleiter besitzen im Vergleich zu magnetischen Metallen extrem lange Spin­lebens­zeiten, kon­trol­lierbare elektrische (Ladungsträgerkonzentration) und optische (fun­da­mentale Bandlücke) Eigen­schaften. Aufgrund des potentiell hohen Spin­po­larisa­tions­grades sind magnetische, halbleitende Oxide, wie zum Beispiel mit 3d-Übergangsmetallen vermischte Oxide, aussichtsreiche Anwärter zum Ein­satz in TMR-Strukturen der Halbleiter-Spin­tronik. Gelingt es nun, ferro­magnetische Halbleiter mit einem robusten Ferromagnetismus und einer hohen Curie-Tem­pe­ra­tur herzustellen, dann kann man die Wechselwirkung zwischen La­dungs­trä­gerdichte und Ferro­mag­ne­tismus über eine Gate-Span­nung steuern. In diesem Projekt sollen in naher Zukunft die ferro­mag­ne­tischen Metallelektroden klas­­sischer TMR-Strukturen durch ferro­mag­ne­tische Halbleiterelektroden er­setzt und der Einfluss der extrem langen Spinlebenszeit in solchen halbleiter-basierten TMR-Struk­turen exploriert werden.

Mitarbeiter:

Kerstin Bernert
Chris Bunce
Jürgen Fassbender
Maciej Oskar Liedke
Kay Potzger
Heidemarie Schmidt
Ilona Skorupa
Sebastian Wintz
Shengqiang Zhou

 
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