Магнитоэлектрическое запоминающее устройство

Магнитоэлектрическое запоминающее устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение касается запоминающего устройства магнитоэлектрического типа и, в частности, магнитоэлектрического запоминающего устройства с прямым доступом. Более конкретно, изобретение касается магнитоэлектрического запоминающего элемента, ячейки памяти, основанной на таком элементе, запоминающего устройства, содержащего множество таких ячеек, а также программируемой логической схемы, использующей такие ячейки в качестве средств хранения логической конфигурации. Изобретение касается также мемристивного элемента, содержащего магнитоэлектрический элемент.

Предшествующий уровень техники

Энергонезависимые запоминающие устройства являются чрезвычайно важными электронными устройствами. Их можно использовать, в частности, как массовые запоминающие устройства взамен компьютерных жестких дисков, а также для хранения конфигурации программируемого цифрового компонента, такого как программируемая пользователем логическая матрица (FPGA), взамен энергозависимых запоминающих устройств (SRAM), используемых в настоящее время в большинстве этих компонентов.

Энергонезависимое запоминающее устройство должно характеризоваться высокой плотностью записи данных, исключительно коротким временем доступа (эквивалентным времени доступа обычного статического операционного запоминающего устройства - SRAM), небольшим энергопотреблением и большой продолжительностью хранения информации. В настоящее время разработка и внедрение различных технологий запоминающих устройств находится на разных стадиях. Среди этих технологий наиболее обещающими представляются технологии, основанные на эффектах магнитного характера. Для обзора современного состояния разработки магнитных энергонезависимых запоминающих устройств можно обратиться к статье Mark H. Kryder et Chang Soo Kim, “After Hard Drives - What Comes Next?”, IEEE Transactions on Magnetics, том 45, No. 10, стр. 3406-3413, октябрь 2009 г.

В списке технологий, представленном в этой публикации, не указан принцип, вызывающий интерес для многих лабораторий: магнитоэлектрические запоминающие устройства, в которых информацию, записываемую в магнитном виде, можно записывать при помощи электрической команды с небольшой энергией, как правило, типа напряжения, и считывать магнитным путем. В принципе, такие запоминающие устройства могут использовать материалы, называемые мультиферроиками, которые имеют связанные между собой ферроэлектрическую фазу и ферромагнитную фазу. Теория предсказывает небольшое число этих материалов, обладающих такими характеристиками, в основном по причине довольно редких условий кристаллической симметрии, которым они должны отвечать, чтобы оба эффекта, «ферроэлектрический» и «ферромагнитный», могли присутствовать одновременно. До настоящего времени не существует ни одного материала, отвечающего таким условиям и обладающего достаточно выраженными эффектами при окружающей температуре.

Другим решением является комбинация магнитных и ферроэлектрических материалов или, в целом, пьезоэлектрических или электрострикционных материалов, связанных через механические напряжения, чтобы воспроизводить поведение мультиферроика.

В статье V. Novosad et al. “Novel magnetostrictive memory device” , J. Appl. Phys., том 87, № 9, 1 мая 2000 г., а также в патенте US 6339543 описано магнитоэлектрическое запоминающее устройство, в котором в качестве элементов хранения информации используют магнитные частицы эллипсоидной формы и достаточно малого размера, чтобы состоять только из одного магнитного домена. С учетом своей анизотропии формы эти частицы имеют две стабильные ориентации намагниченности, противоположные между собой и выровненные по большой оси эллипса. На подложку наносят линии из электрострикционного материала, перекрещивающиеся под углом 90°, при этом магнитную частицу располагают на уровне каждого пересечения с ее большой осью, ориентированной под углом 45° по отношению к линиям. Прикладывая к электрострикционным линиям соответствующие сигналы напряжения, можно создать вращательное механическое напряжение на уровне определенной частицы; за счет обратного магнитоупругого эффекта, что, в свою очередь, приводит к повороту намагниченности. Если выбрать соответствующим образом временную задержку и амплитуду этих сигналов напряжения, то можно вызвать переход намагниченности этой частицы из одного устойчивого состояния в другое.

Такое устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, оно является очень чувствительным к синхронизации электрических сигналов, что усложняет его управление и ограничивает время его реакции; это связано с тем, что поле механических напряжений должно вращаться, чтобы «направлять» вращение вектора намагниченности. Во-вторых, операция записи может только поменять состояние намагниченности частицы на обратное; это значит, что для того, чтобы записать «0» или «1» в ячейку памяти, необходимо предварительно считать ее содержимое, чтобы определить, возможно или нет такое реверсирование.

В статье M. Overby et al. “GaMnAs-based hybrid multiferroic memory device”, Applied Physics Letters 92, 192501 (2008) описано другое магнитоэлектрическое запоминающее устройство, основанное на эпитаксиальном слое GaMnAs (магнитный полупроводник), нанесенном на подложку из GaAs, которую утончают и крепят на пьезоэлектрическом кристалле. Слой GaMnAs имеет две оси легкого намагничивания вдоль соответствующих направлений кристаллов, которые соответствуют двум стабильным направлениям намагниченности. Приложение механического напряжения, обеспечиваемое пьезоэлектрическим кристаллом, позволяет осуществить переход от одного стабильного состояния к другому. Такое устройство является сложным в изготовлении, так как определение двух осей легкого намагничивания предполагает точный контроль за условиями эпитаксиального выращивания. Кроме того, несмотря на приложение механического напряжения, все же остается постоянный энергетический барьер между двумя стабильными состояниями: это значит, что переключение должно сопровождаться созданием соответствующих термических условий или должно проверяться туннельным эффектом, что может ограничить скорость реакции запоминающего устройства. Работа устройства была показана только при криогенных температурах.

Изобретение призвано предложить энергонезависимое запоминающее устройство, позволяющее устранить, по меньшей мере, некоторые из вышеупомянутых недостатков.

Краткое изложение существа изобретения

Согласно изобретению эта задача достигается за счет магнитоэлектрического запоминающего элемента, содержащего:

- магнитный элемент, имеющий ось легкого намагничивания, ориентированную вдоль первой оси;

- средство для приложения к упомянутому магнитному элементу магнитного поля поляризации, направленного вдоль второй оси, не параллельной с первой осью, при этом напряженность упомянутого поля выбрана таким образом, чтобы магнитный элемент имел два направления стабильного равновесия своей намагниченности, причем эти направления не являются противоположными между собой;

- пьезоэлектрическую или электрострикционную подложку, механически связанную с упомянутым магнитным элементом;

- по меньшей мере, первый и второй электроды, выполненные с возможностью приложения электрического поля к пьезоэлектрической или электрострикционной подложке таким образом, чтобы упомянутая подложка действовала на упомянутый магнитный элемент неизотропным механическим напряжением с главным направлением, в основном ориентированным по третьей оси, компланарной, но отличной от упомянутых первой и второй осей, при этом упомянутое механическое напряжение является достаточно сильным, чтобы вызвать переключение состояния намагниченности упомянутого магнитного элемента за счет магнитострикционной связи.

Когда говорят, что главное направление механического напряжения «в основном ориентировано по третьей оси», это значит, что это главное направление может слегка меняться от одной точки к другой магнитного элемента, при этом третья ось соответствует среднему направлению.

Под «магнитным элементом» следует понимать элемент, выполненный из материала, который может иметь магнитную упорядоченность даже в отсутствие внешнего магнитного поля. В частности, речь может идти о ферромагнитном, ферримагнитном, сперимагнитном и даже об антиферромагнитном элементе. В этом последнем случае макроскопическая намагниченность отсутствует; вместе с тем, присутствует направление выравнивания/антивыравнивания спинов; таким образом, можно определить «ось легкого намагничивания» и стабильные магнитные состояния. Все материалы этого типа являются в той или иной мере магнитострикционными; вместе с тем, материал магнитного элемента предпочтительно должен иметь относительно большой магнитострикционный коэффициент b^γ,2, например, превышающий или равный 1 МПа и предпочтительно превышающий или равный 10 МПа, например составляющий от 10 до 100 МПа. Для определения магнитострикционного коэффициента можно обратиться к следующим статьям:

- E. du Tremolet de Lachaisserie, J. C. Peuzin « Magnetostriction and internal stresses in thin films : the cantilever method revisited », Journal of Magnetism and Magnetic Materials, том 136, стр. 189-196 (1994); и

- E. du Tremolet de Lachaisserie “Definition and measurement of the surface magnetoelastic coupling coefficients in thin films multilayers”, Phys, Rev. B, 51 (22), стр. 15925-15932 (1995).

В отличие от устройства, описанного в патенте US 6339543 и в вышеупомянутой статье V. Novosad et al., изобретение позволяет записывать значение в один бит, не определяя текущего состояния памяти. Кроме того, запись происходит просто и быстро без каких-либо проблем синхронизации между несколькими сигналами напряжения.

В отличие от устройства, описанного в вышеупомянутой статье M.Overby et al., два стабильных магнитных состояния запоминающего элемента получают, не используя две оси анизотропии магнитного материала, а благодаря комбинированному эффекту только одной оси анизотропии (геометрической и/или связанной с микроскопической структурой материала) и магнитного поля поляризации. В результате получают более надежное устройство, более легкое в изготовлении и предоставляющее больше гибкости конструктору. Во время переключения можно полностью устранить энергетический барьер между двумя стабильными состояниями.

Согласно другим отличительным признакам изобретения, взятым отдельно или в комбинации:

- упомянутый магнитный элемент может состоять только из одного магнитного домена;

- упомянутый магнитный элемент может иметь удлиненную форму (эллипсоидную, прямоугольную, ромбовидную…), полностью или частично определяющую упомянутую ось легкого намагничивания за счет анизотропии формы. Этот вариант выполнения является предпочтительным, так как направление и напряженность анизотропии можно определять легко и независимо от внутренних свойств материала;

- в варианте или в дополнение, упомянутый магнитный элемент может иметь анизотропную микроскопическую структуру (моно- или поликристаллическую и даже аморфную), полностью или частично определяющую упомянутую ось легкого намагничивания. Предпочтительно упомянутую анизотропную микроскопическую структуру можно получать при изготовлении упомянутого элемента посредством осаждения в присутствии внешнего магнитного поля;

- запоминающий элемент может содержать средство для генерирования упомянутого магнитного поля поляризации в виде внешнего магнитного поля: речь может идти о катушке или другом проводнике, через который пропускают ток, о постоянном магните или о слое поляризации посредством поля утечки;

- в варианте или в дополнение, упомянутый магнитный элемент может содержать средства для генерирования упомянутого магнитного поля поляризации, по существу перпендикулярного к упомянутой оси легкого намагничивания (как правило, в основном образующего угол 80°-100° с упомянутой осью). В этом случае упомянутые электроды можно расположить таким образом, чтобы упомянутая подложка действовала на упомянутый магнитный элемент неизотропным механическим напряжением, образующим средний угол от 40° до 50°, предпочтительно около 45° как с упомянутой осью легкого намагничивания, так и с упомянутым магнитным полем поляризации;

- упомянутые электроды могут повторять форму магнитного элемента;

- упомянутый магнитный элемент может быть нанесен на упомянутую подложку;

- в варианте, упомянутый магнитный элемент может быть встроен в упомянутую подложку. Этот вариант наиболее подходит для проводящих магнитных элементов;

- упомянутый магнитный элемент может иметь только одну ось магнитной анизотропии.

Другим объектом изобретения является ячейка памяти, содержащая магнитоэлектрический запоминающий элемент по одному из предыдущих пунктов и магнитный датчик для определения направления намагниченности упомянутого магнитного элемента. Упомянутый датчик можно, в частности, выбирать из группы, состоящей из: датчика Холла и магниторезистивного датчика с магнитным сопротивлением, с магнитным сопротивлением с туннельным эффектом, с большим магнитным сопротивлением или с колоссальным магнитным сопротивлением.

Еще одним объектом изобретения является энергонезависимое запоминающее устройство с прямым доступом, содержащее множество таких ячеек памяти, расположенных по матричной схеме в строках и столбцах, при этом первые электроды ячеек одного столбца электрически соединены между собой, как и вторые электроды ячеек одной строки.

Еще одним объектом изобретения является программируемая логическая схема, содержащая множество таких ячеек памяти в качестве средства хранения логической конфигурации.

Еще одним объектом изобретения является мемристивное устройство, содержащее:

- магнитный элемент, имеющий ось легкого намагничивания, выровненную вдоль первой оси;

- средство для приложения к магнитному элементу магнитного поля поляризации, ориентированного вдоль второй оси, не параллельной с первой осью, при этом напряженность упомянутого поля выбрана таким образом, чтобы за счет комбинированного эффекта упомянутого поля и упомянутой оси легкого намагничивания магнитный элемент имел два состояния стабильного равновесия своей намагниченности, соответствующих направлениям намагниченности, образующим между собой угол 0≤α≤90°;

- пьезоэлектрическую или электрострикционную подложку, механически связанную с упомянутым магнитным элементом;

- по меньшей мере, первый и второй электроды для приложения электрического поля к пьезоэлектрической или электрострикционной подложке таким образом, чтобы упомянутая подложка действовала на упомянутый магнитный элемент неизотропным механическим напряжением с главным направлением, в основном ориентированным по третьей оси, компланарной, но отличной от упомянутых первой и второй осей; и

- магнитный датчик, имеющий два терминала, при этом электрическое сопротивление между упомянутыми двумя терминалами зависит от направления намагниченности упомянутого магнитного элемента.

Предпочтительно упомянутые два состояния стабильного равновесия его намагниченности могут совпадать, при этом соответствующие направления намагниченности образуют между собой угол α=0°.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, детали и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схема запоминающего элемента согласно варианту выполнения изобретения.

Фиг. 2 - магнитный энергетический профиль запоминающего элемента, показанного на фиг. 1, для трех разных состояний напряжения, показывающий переключение между двумя магнитными состояниями равновесия.

Фиг. 3 - геометрическое изображение магнитных состояний равновесия запоминающего элемента, показанного на фиг.1.

Фиг. 4А и 4В - поле механических напряжений в магнитном элементе запоминающего элемента, показанного на фиг. 1, для двух разных состояний напряжения.

Фиг. 5А-5С - три средства генерирования магнитного поля поляризации согласно трем вариантам изобретения.

Фиг. 6А и 6В - две допустимые конфигурации запоминающего элемента, показанного на фиг. 1.

Фиг. 6С и 6D - две другие конфигурации запоминающего элемента, показанного на фиг. 1, допустимые только при условии, что магнитный элемент не является проводником.

Фиг. 7А и 7В - соответственно эквипотенциальные поверхности в запоминающем элементе согласно варианту выполнения изобретения и возможная геометрия электродов, определенная на основе этих эквипотенциальных поверхностей.

Фиг. 8 - схематичный вид энергонезависимого запоминающего устройства с прямым доступом согласно варианту выполнения изобретения.

Фиг. 9 - схематичный вид программируемой логической схемы согласно варианту выполнения изобретения.

Фиг. 10 - схематичный вид энергонезависимого запоминающего устройства с прямым доступом согласно другому варианту выполнения изобретения.

Фиг. 11 - геометрическое изображение магнитных состояний равновесия запоминающего элемента, показанного на фиг.1, наглядно показывающее возможность использования с четырьмя состояниями и аналогового использования.

Фиг. 11, 13 и 14 - три ячейки памяти согласно разным вариантам выполнения изобретения, содержащие магнитоэлектрический запоминающий элемент и магниторезистивный датчик.

Фиг. 15А и 15В - два возможных способа подключения запоминающего устройства согласно другому варианту выполнения изобретения.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

На фиг. 1 показана геометрия ячейки памяти СМ магнитоэлектрического запоминающего устройства согласно варианту выполнения изобретения. Ячейка памяти содержит запоминающий элемент ELM, имеющий два стабильных состояния, и средства, выполненные с возможностью индуцировать переключение между этими состояниями, а также средство считывания ML (последнее показано чисто схематически).

Запоминающий элемент ELM основан на магнитном элементе ELM эллипсоидной формы, имеющем достаточно малые размеры, чтобы он мог содержать только один магнитный домен; например, его большая ось может иметь длину порядка 100 нм или меньше. Как было указано выше, под «магнитным элементом» следует понимать элемент, выполненный из материала, который может иметь магнитную упорядоченность даже в отсутствие внешнего магнитного поля. За счет своей формы магнитный элемент ELM имеет приоритетное направление намагниченности, называемое «осью легкого намагничивания» или просто «легкой осью» вдоль своей большой оси. Это направление легкого намагничивания имеет на фигуре обозначение а₁. Следует заметить, что эта анизотропия формы не учитывает различия между положительным или отрицательным направлением легкой оси а₁.

Магнитное поле поляризации, показанное обозначением Н_р, приложено вдоль направления а₂, перпендикулярного к направлению оси легкого намагничивания а₁, таким образом, это направление а₂ параллельно малой оси эллипса. В отличие от анизотропии формы по а₁ поляризационное поле способствует намагничиванию элемента ELM в направлении, параллельном положительному направлению оси а₂, и затрудняет его намагничивание в противоположном направлении. Напряженность этого поля выбирают в пределах от 2 / 2 до 1-кратной напряженности эквивалентного магнитного поля, характеризующего анизотропию формы.

Условно определяют оси X, Y, образующие угол 45° по отношению к а₁ и а₂; в определенной таким образом системе координат XOY (О является началом) ось а₁ ориентирована по биссектрисе первого и второго квадранта, а ось а₂ - по биссектрисе второго и третьего квадранта.

На фиг. 2 кривая ЕМ₀ (сплошная линия) показывает в полярных координатах магнитный энергетический профиль системы, то есть профиль магнитной энергии, хранящейся в элементе ELM, в зависимости от угла между вектором намагниченности и осью Х. На фигуре видно, что этот профиль имеет два минимума энергии, то есть две стабильные ориентации намагниченности. В частном случае, когда ось а₂ перпендикулярна к а₁ и когда напряженность поля Н₀ равна 2 / 2 -кратной напряженности эквивалентного магнитного поля, характеризующего анизотропию формы, эти стабильные ориентации точно находятся в направлениях -Х и Y. Эти ориентации (или «положения») стабильного равновесия обозначены Р₁ и Р₂. Они разделены энергетическим барьером. Таким образом, элемент ELM является бистабильным элементом, который может хранить один бит информации: например, состояние намагниченности по стабильной ориентации Р₁ может представлять собой логический «ноль», а состояние намагниченности по стабильной ориентации Р₂ может представлять собой логическую «единицу» или наоборот.

На фиг. 3 более схематично показаны ориентация осей а₁ и а₂ и положения равновесия Р₁, Р₂. Фиг. 3 отображает более общий случай, когда ориентации равновесия не совпадают с осями -Х и Y.

Магнитный элемент ELM встроен в пьезоэлектрическую подложку SP. На эту подложку нанесены (или встроены в нее) два электрода EL₁, EL₂ для ее поляризации в направлении ОХ. В зависимости от знака потенциала V_p, прикладываемого между этими двумя электродами, пьезоэлектрическая подложка SP создает механическое напряжение σ_ХХ сжатия или растяжения, главное направление которого ориентировано в направлении ОХ и которое действует на магнитный элемент ELM. Последний проявляет при этом магнитоупругий эффект: следовательно, механическое напряжение σ_ХХ меняет профиль магнитной энергии системы.

Чтобы увеличить механическое напряжение, прикладываемое к магнитному элементу при данной разности потенциалов V_p, устройство предпочтительно можно охватить материалом с высоким модулем упругости, таким как AIN (300 ГПа), TaN (>500 ГПа), карбид вольфрама WC (>700 ГПа) или алмаз (>1400 ГПа); для сравнения керамические материалы PZT имеют модуль упругости ниже 100 ГПа.

На фиг. 2 пунктирная кривая ЕМ₁ показывает магнитный энергетический профиль системы в присутствии механического напряжения σ_ХХ растяжения. Как видно из фигуры, существует только одна точка стабильного равновесия P'₁, соответствующая намагниченности, ориентированной в направлении -Х. Ситуация показана также на фиг.4А, где М обозначает вектор намагниченности. Понятно, что после прекращения действия механических напряжений (когда V_p опять принимает нулевое значение) система неизбежно оказывается в состоянии Р₁, независимо от своего первоначального состояния (до приложения разности потенциалов V_p).

На этой же фиг. 2 кривая ЕМ₂ в виде штриховой линии показывает магнитный энергетический профиль системы в присутствии механического напряжения σ_ХХ сжатия. Как видно из фигуры, существует только одна точка стабильного равновесия P'₂, соответствующая намагниченности, ориентированной в направлении +Y. Ситуация показана также на фиг.4В. Понятно, что после прекращения действия механических напряжений (когда V_p опять принимает нулевое значение) система неизбежно оказывается в состоянии Р₂, независимо от своего первоначального состояния (до приложения разности потенциалов V_p).

Таким образом, установлено, что приложение электрического сигнала V_p к электродам EL₁, EL₂ позволяет изменить состояние намагниченности элемента ELM. Его состояние намагниченности и, следовательно, значение бита, записанное в ячейке памяти, зависит только от знака V_p, а не от состояния перед приложением сигнала. Таким образом, в ячейке памяти можно произвести запись без ее предварительного считывания.

Моделирование показало, что время переключения ячейки памяти тем короче, чем больше прикладываемое механическое напряжение. Таким образом, существует связь между потреблением энергии (связанным с интенсивностью механического напряжения) и скоростью записи. Следовательно, можно по выбору довести эту скорость до максимума за счет относительно высокого потребления, или свести к минимуму потреблением энергии за счет более медленного переключения, или же выбрать компромисс между этими двумя требованиями.

Скорость переключения можно факультативно увеличить посредством приложения, одновременно с механическим напряжением, переходного магнитного поля, ориентированного в направлении Р₁ или Р₂.

Устройство в соответствии с изобретением можно использовать как бистабильное устройство, имеющее только два стабильных состояния Р₁ и Р₂. Вместе с тем, если эти два состояния не соответствуют направлениям намагниченности, перпендикулярным между собой, и возможна работа в четырех состояниях, чтобы записывать два бита в одном запоминающем элементе. Четырьмя состояниями являются: P'₁ (намагниченность вдоль оси -Х, полученная посредством приложения напряжения растяжения максимальной интенсивности), Р₁ (стабильное состояние в отсутствие механического напряжения), Р₂ (стабильное состояние в отсутствие механического напряжения) и P'₂ (намагниченность вдоль оси Y, получаемая посредством приложения напряжения сжатия максимальной интенсивности); эта ситуация показана на фиг. 11. Иначе говоря, состояния P'₁ и P'₂ можно использовать в качестве стабильных состояний запоминающего элемента, а не только как промежуточные состояния, достигаемые при переходе во время переключения. Понятно, что работа в четырех состояниях является энергозависимой, так как состояния P'₁ и P'₂ невозможно сохранять бесконечно в отсутствие питания, поскольку конденсатор, образованный электродами EL₁ и EL₂, имеет тенденцию к разрядке. Понятно, что состояния P'₁ и P'₂ сохраняются, пока конденсатор, образованный электродами EL₁ и EL₂, остается заряженным. Поэтому предпочтительно выполнять запоминающий элемент таким образом, чтобы свести к минимуму токи утечки, стремящиеся разрядить этот конденсатор.

Начиная от состояния P'₁ и при постепенном уменьшении интенсивности напряжения растяжения, намагниченность постепенно поворачивается к направлению, идентифицированному состоянием P₁, определяя таким образом первую зону аналоговой работы ZA₁. Точно так же, начиная от состояния P'₂ и при постепенном увеличении интенсивности напряжения сжатия, намагниченность постепенно поворачивают к направлению, идентифицированному состоянием P₂, определяя таким образом вторую зону аналоговой работы ZA₂. В зонах аналоговой работы ориентация намагниченности постоянно зависит от механического напряжения и, следовательно, от электрического напряжения, прикладываемого к пьезоэлектрической подложке, то есть от состояния зарядки конденсатора, образованного электродами EL₁ и EL₂. Если, как будет подробно пояснено ниже, магнитный элемент объединен с магниторезистивным датчиком, например, типа гигантского магниторезистора, то сопротивление R_c этого датчика зависит от ориентации намагниченности элемента ELM и, следовательно, от заряда Q, накопленного в конденсаторе EL₁-EL₂: Rc=f(Q). Таким образом, комплекс, образованный элементом ELM, пьезоэлектрической подложкой SP, электродами EL₁, EL₂ и магниторезистивным датчиком ML, проявляет поведение «мемристивного» типа, более сложное, чем у простого «мемристора», так как имеет четыре терминала (два электрода EL₁, EL₂ и два контакта СЕ₁, СЕ₂ магниторезистивного датчика - см. фиг. 12-14). Соединив между собой терминалы EL₂ и СЕ₂ через резистор R₁, получают устройство с двумя терминалами, которое можно моделировать в первом приближении как мемристор, последовательно соединенный с конденсатором и с резистором; это соединение схематично показано на фиг. 15А. Соединив EL₁ с СЕ₁ через первый резистор R₁ и EL₂ с СЕ₂ (или EL₁ с СЕ₂ и EL₂ с СЕ₁) через второй резистор R₁, получают другое устройство с двумя терминалами, которое можно моделировать в первом приближении как мемристор (последовательно соединенный с резистором R_tot=R₁+R₂), параллельно соединенный с конденсатором; это соединение схематично показано на фиг. 15В.

Если необходимо использовать мемристивное поведение устройства, предпочтительно выбирают поляризационное поле Н_р с напряженностью, превышающей или равной напряженности эквивалентного магнитного поля, характеризующего анизотропию формы, таким образом, чтобы Р₁ и Р₂ совпадали и чтобы зоны аналоговой работы ZA₁ и ZA₂ сходились. В этих условиях сопротивление магниторезистивного датчика непрерывно меняется, если заряд, накопленный в конденсаторе EL₁-EL₂, меняется от -Q_max до +Q_max. Понятно, что такое устройство, имеющее только одно стабильное состояние намагниченности в отсутствие прикладываемого механического напряжения (или, что эквивалентно, два вырожденных состояния, характеризуемых двумя идентичными направлениями намагниченности), невозможно использовать как энергонезависимое запоминающее устройство.

Средство считывания ML схематично показано на фиг. 1. Речь может идти о любом типе магнитного датчика, например типа датчика с эффектом Холла, датчика с магнитным сопротивлением, с магнитным сопротивлением с туннельным эффектом, с большим магнитным сопротивлением или с колоссальным магнитным сопротивлением. Оно может быть встроенным или отдельным. Как правило, считывание не является разрушающим.

Наиболее предпочтительно использовать магниторезистивный датчик типа датчика с большим магнитным сопротивлением (GMR) или с магнитным туннельным соединением (MTJ). Как правило, эти датчики объединяют магнитный слой переменной намагниченности и слой, намагниченность которого остается фиксированной, причем эти два слоя разделены барьерным слоем, который может быть проводящим (случай эффекта GMR) или изолирующим (случай эффекта MTJ).

На фиг. 12 представлен случай датчика GMR или MTJ типа датчика «с током, перпендикулярным к плоскости» (СРР). В этом случае магнитный элемент ELM является проводящим и играет роль магнитного слоя с переменной намагниченностью. Обозначением CMF показан слой, намагниченность которого остается фиксированной, а СВ - барьерный слой нанометрической толщины, который может быть проводящим (случай эффекта GMR) или изолирующим (случай эффекта MTJ). Этот набор слоев помещен между двумя электрическими или терминальными контактами СЕ₁, СЕ₂.

На фиг. 13 показана альтернативная архитектура типа «ток в плоскости» (CIP), в которой сопротивление набора слоев ELM/CB/CMF измеряют на кромке этого набора. Эта архитектура предполагает наличие проводящего барьерного слоя и, следовательно, работу типа GMR.

Если магнитный элемент ELM не является проводящим, можно применять архитектуру MTJ типа СРР без барьерного слоя или даже архитектуру, в которой элемент ELM одновременно играет роль магнитного слоя и барьерного слоя, как показано на фиг. 14. Толщина этого элемента ELM должна при этом составлять порядка нанометра и, например, около 2 нм. Очень трудно приложить механическое напряжение к кромке такого тонкого слоя; таким образом, предпочтительно механическое напряжение прикладывают ко всему набору.

Во всех случаях электрическое сопротивление, измеренное между СЕ₁ и СЕ₂, зависит от угла α, образованного направлениями намагниченности элемента ELM фиксированного слоя CMF, и оно принимает свое минимальное значение при нулевом угле (параллельные намагниченности) и свое максимальное значение при угле 180° (антипараллельные намагниченности).

В случае архитектуры GMR-CPP, показанной на фиг. 12, сопротивление R_c, измеренное между контактами СЕ₁ и СЕ₂, получают согласно феноменологической модели при помощи следующего уравнения:

R c = a − b ⋅ cos 2 ( a / 2 ) + c ⋅ cos 4 ( a / 2 ) ,

где а, b и с являются положительными константами, которые зависят от различных характеристик устройства. Для данного направления намагниченности слоя CMF сопротивление R_c зависит от состояния Р₁ или Р₂, в котором находится элемент СЕМ; таким образом, получают два значения сопротивления R_c(P₁) и R_c(P₂). Вышеуказанное уравнение можно, таким образом, применять для определения направления намагниченности слоя CMF, при котором достигают максимум разницы сопротивления C_R=|(R_c(P2)-R_c(P1))/R_c(P1)|.

В случае архитектуры MTJ-СРР (фиг. 12 или 14) проводимость G_C, измеряемую между контактами СЕ₁ и СЕ₂, тоже получают согласно феноменологической модели при помощи уравнения:

G C = G p ⋅ cos 2 ( α / 2 ) + G a p ⋅ sin 2 ( α / 2 ) ,

где G_p и G_ap обозначают проводимость туннельного соединения для параллельных и антипараллельных намагниченностей соответственно. Это уравнение тоже можно применять для определения направления намагниченности слоя CMF, при котором достигают максимум разницы сопротивления R_C=1/G_C.

В случае архитектуры GMR-CIP получаем:

R c = a − b ⋅ cos ( α )

Легко проверить, что контраст сопротивления является максимальным, когда состояния Р₁ и Р₂ соответствуют направлениям намагниченности, перпендикулярным между собой, из которых одно совпадает с направлением намагниченности слоя CMF.

Вышеуказанные уравнения показывают, что сопротивление (проводимость) является четной функцией угла α между намагниченностями. Это значит, что, если намагниченность неподвижного слоя находится в направлении поляризационного поля Н_р и, следовательно, на половине пути между двумя положениями равновесия Р₁ и Р₂, полученное сопротивление (проводимость) является одинаковым для двух состояний запоминающего элемента, то есть разница является нулевой, что не позволяет считывать информацию (пока оставим в стороне случай, когда направления, идентифицированные положениями Р₁ и Р₂, не являются симметричными относительно Н_р).

Это создает двойную трудность:

- с одной стороны, магнитное поле утечки, создаваемое слоем CMF, накладывается на поляризационное поле Н_р, изменяя положения равновесия магнитного элемента;

- с другой стороны, поляризационное поле Н_р может стремиться изменить состояние намагниченности «неподвижного» слоя.

Существуют несколько решений для преодоления этой трудности. Например:

- Поляризационное поле Н_р может быть не магнитным полем, а эффективным полем, отображающим эффект взаимодействия обмена с тонким слоем (как правило, порядка 2 нм) из антиферромагнитного материала, нанесенного сверху или снизу на элемент ELM. Взаимодействия обмена имеют малый радиус действия, то есть они не мешают намагничиванию слоя CMF, находящегося на большом удалении. Что касается эффекта поля утечки, генерируемого упомянутым слоем, его можно компенсировать, выбирая соответствующим образом направление и напряженность эффективного поля Н_р.

- Соответственно состояние намагниченности слоя CMF можно сохранять постоянным за счет обменной связи с антиферромагнитным слоем. Сила этой связи делает этот слой CMF нечувствительным к поляризационному полю Н_р (имеющему магнитную природу), тогда как ее малый ради