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