Магнитный инвертор
Изобретение относится к элементам автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным запоминающим и переключаемым элементам. Изобретение позволяет создавать логические элементы на базе спин-вентильных магниторезистивных структур для работы в тяжелых эксплуатационных условиях. Инвертор содержит кремниевую подложку. На подложке последовательно расположены первый изолирующий слой, полоска с заостренными концами. Полоска содержит два защитных слоя, разделенных магниторезистивными слоями и тонкопленочным слоем меди. Поверх полоски расположен второй изолирующий слой, проводниковый слой с проводником обратной связи, третий изолирующий слой. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к элементам автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным логическим элементам.
Известны логические элементы (ЛЭ) на основе полупроводниковой (Я.Будинский. Логические цепи в цифровой технике.- М.: Связь, 1977) и магнитной (Н.П. Васильева, Б.П.Петрухин. Проектирование логических элементов. -М.: Энергия, 1970) технологий. Несмотря на распространенность и очевидные достоинства полупроводниковой технологии, элементы на ее основе обладают и всеми ее недостатками: небольшим температурным диапазоном, отсутствием стойкости к радиационным воздействиям. Существующие же магнитные логические элементы не допускают интегрального изготовления и их применение ограничено схемами невысокой сложности, в основном для работы в тяжелых условиях, где специфические достоинства магнитных элементов являются определяющими. В настоящее время большое внимание уделяется разработке элементов на основе "гигантской" магниторезистивности, и, в первую очередь, созданию МР запоминающих элементов (МРЗЭ) для интегральных запоминающих устройств с произвольной выборкой (ЗУПВ) на основе СВМР структур. К основным преимуществам магнитных элементов: энергонезависимости, радиационной стойкости, неразрушающему считыванию и широкому температурному диапазону, у новых МР тонкопленочных элементов кроме высокого быстродействия добавляется возможность однокристального (совместно с полупроводниковым обрамлением) интегрального исполнения. В связи с быстрым прогрессом в получении структур с высокой величиной СВМР эффекта возникает интерес к возможности использования таких структур в качестве ЛЭ. В первую очередь такие элементы могли бы применяться в интегральных однокристальных МР ЗУПВ как управляющие элементы. Структура СВМР сэндвича может состоять из следующих слоев подложка/подслой/MCl/HM/MCh/OC/защитный слой где MCl и MCh - два ферромагнитных слоя, изготовленные из Co, Ni или NiFe и разделенные прослойкой немагнитного металла HM - Cu, Ag, Au или др. MCl - свободная пленка с меньшим полем перемагничивания, MCh - фиксированная пленка с большим полем перемагничивания. В качестве ОС (обменного слоя), создающего обменное взаимодействие с ближайшим ферромагнитным слоем MCh для его фиксации (например, увеличения коэрцитивной силы), обычно используется Fe50Mn50. Этот слой создает обменную анизотропию в слое МСh, из-за чего вектор намагниченности Mh может быть переориентирован только в сравнительно высоких полях (более 200 - 300 Э), тогда как слой MCl перемагничивается в слабых полях (менее 20 Э). СВМР эффект заключается в том, что сопротивление многослойной структуры зависит от угла между направлениями векторов намагниченности слоев MCl и MCh в соседних ферромагнитных пленках, разделенных прослойкой меди, и не зависит от угла между протекающим в пленке током I и вектором намагниченности М в данной пленке, как при анизотропном MP (АМР) эффекте. При этом достигнута величина СВМР эффекта в многослойных структурах 45% при комнатной температуре, в то время как при АМР эффекте, как правило, не больше 2%. При СВМР эффекте максимальное изменение сопротивления МРЗЭ соответствует переходу от параллельного к антипараллельному расположению Mh (магнитной пленки с более высоким полем перемагничивания) и Ml (магнитной пленки с низким полем перемагничивания) в соседних магнитных пленках и обратно. Для обеспечения этого эффекта достаточно, чтобы перемагничивалась только одна из двух соседних пленок. При перемагничивании внешним полем перемагничивается пленка с меньшей коэрцитивной силой или магнитной анизотропией. Целью изобретения является создание логических элементов с высокой плотностью размещения на базе спин-вентильных магниторезистивных структур, способных работать в тяжелых эксплуатационных условиях. Поставленная цель достигается тем, что магнитный инвертор содержит кремниевую подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, по меньшей мере одна спин-вентильная магниторезистивная полоска с заостренными концами, содержащая два защитных слоя, разделенных по меньшей мере одной структурой, состоящей из двух расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания, перпендикулярной длине спин-вентильной магниторезистивной полоски, и из расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, второй изолирующий слой, проводник обратной связи, проходящий над спин-вентильной магниторезистивной полоской вдоль нее, третий изолирующий слой, информационный проводник, проходящий над спин-вентильной магниторезистивной полоской, и третий защитный слой, при этом указанная спин-вентильная магниторезистивная полоска соединена первым концом с источником питания и вторым концом - с первым концом проводника, расположенного вне спин-вентильной магниторезистивной полоски и соединенного вторым концом с проводником обратной связи, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины поля магнитной анизотропии. При этом отношение большего поля магнитной анизотропии к меньшему составляет не менее четырех, полоска может содержать несколько структур, причем каждая включает два тонкопленочных магниторезистивных слоя и расположенный между ними тонкопленочный слой меди. Существенным отличительным признаком в приведенной выше совокупности, приводящим к решению поставленной задачи, является выполнение инвертора на базе многослойной спин-вентильной магниторезистивной структуры. Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемая структура обеспечивает работу инвертора и логических элементов на его основе в тяжелых эксплуатационных условиях благодаря присущим магнитным материалам свойствам. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структура инвертора на основе спин-вентильной магниторезистивной структуры в разрезе, на фиг. 2 показана схема инвертора, а на фиг.3 приведена характеристика вход-выход инвертора. Инвертор на основе спин-вентильных магниторезистивных структур содержит (фиг.1) кремниевую подложку 1, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой 2, СВМР полоска с заостренными концами, состоящая из двух защитных слоев 3,4, двух магниторезистивных магнитных слоев 5,6 и слоя меди 7. Поверх СВМР полоски последовательно расположены второй изолирующий слой 8, проводниковый слой с проводником обратной связи 9, третий изолирующий слой 10, информационный проводник 11 и третий защитный слой 12. Рядом с СВМР полоской расположен соединяющий СВМР полоску с проводником обратной связи проводник 13, с защитным слоем 14. Схематически инвертор состоит (фиг.2) из СВМР полоски 15, соединенной проводником 16 с проводником обратной связи 17 и проходящим над полоской 15 информационным проводником 18. Рассмотрим вначале используемый метод расчета характеристик инвертора, основанный на теории микромагнетизма. Модель расчета областей работоспособности (ОР) ЛЭ основана на микромагнитной теории и включает в себя определение зависимости углов поворота векторов намагниченности магнитных пленок СВМР сэндвича от магнитных полей, создаваемых намагниченностью магнитных пленок элемента, а сенсорным (Is) и информационным (Isig) токами, из условия минимума энергии системы (Е). Поиск Emin(![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
2. Пересечение в нижней области (Iout=Imin)
Imin < I1r .
3. Пересечение в верхней области (Iout=Imax)
I1r < Imax .
При уменьшении величины
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
Работа инвертора происходит следующим образом. В случае, когда ОЛН направлена поперек полоски при ширине полоски в несколько микрон размагничивающие поля от краев полосок составляют десятки эрстед даже при толщине пленок 5 нм и меньше. Это приводит к устойчивости при отсутствии токов управления только состояния с антипараллельным расположением Мh и Мl. Такой элемент наиболее подходит в качестве ЛЭ. При ОЛН, направленной поперек полоски, вектор Мh при отсутствии дополнительных внешних полей всегда антипараллелен вектору Мl. Проводник расположен над полоской вдоль нее. При работе в качестве ЛЭ поперечное расположение проводника, при котором при протекании а нем тока Iс создается магнитное поле вдоль полоски, не имеет смысла, т.к. перемагничивание должно определяться именно током проводника. Перемагничивание осуществляется при одновременном действии токов Ic и Is. Вначале подается импульс тока Is, причем его полярность такова, чтобы магнитные поля, создаваемые сенсорным током, прижимали Mh и Ml к ОЛН. Подача Ic в проводник над полоской создает магнитное поле, приводящее к перемагничиванию Ml. Конечным состоянием после отключения токов будет снова антипараллельное расположение Mh и Ml. Возможна ситуация, когда на элемент действует постоянное внешнее магнитное поле, перемагничивающее Ml. Тогда устойчивым состоянием будет параллельное направление Ml и Mh. Основная идея использования СВМР структур в качестве ЛЭ - передача и обработка информации путем формирования импульсов тока за счет перепада сопротивления полоски при переключении СВМР полоски импульсом тока в информационном проводнике и использование этих импульсов для управления следующим элементом путем их подачи в его информационный проводник. Для перехода к схемам, управляемым перепадами напряжения, используется мостовая схема с включением ЛЭ в плечи моста. Идеальным случаем для подобных схем является режим постоянного напряжения, когда все напряжение питания подключено к полоске ЛЭ. При этом перепад сенсорного тока будет максимальным. Другим крайним случаем является режим постоянного сенсорного тока. Как уже говорилось выше, физика процессов перемагничивания полоски сильно отличается в этих двух случаях: при постоянном напряжении U, приложенном к полоске, изменения сенсорного тока при переключении в зависимости от предыдущего состояния полоски будет либо резко ускоряться, что улучшает пороговые характеристики, либо замедляться. Базовым элементом всех ЛЭ на основе структур с СВМР эффектом является полоска, подключенная одним концом к источнику напряжения, а вторым концом - к информационному проводнику следующего ЛЭ, а проходящий над полоской информационный проводник одним концом подключен к полоске предыдущего ЛЭ, а другим - к земле. В таком элементе через полоску и проводник всегда течет ток: Imin в случае, когда в полоске элемента - антипараллельное направление векторов Ml и Mh или Imax, когда в полоске - параллельное направление векторов Ml и Mh. Режим работы элемента определяется направлением сенсорного тока относительно Mh. Направления векторов Ml и Mh полоски выбраны таким образом, что протекающий через полоску сенсорный ток стремится их стабилизировать, прижимая вектора намагниченности к ОЛН. При противоположном направлении Is элемент имеет плохие пороговые характеристики и неработоспособен. Но и в первом случае требуется улучшение пороговых характеристик элемента. Улучшить пороговые свойства можно использованием положительной обратной связи (фиг. 2), заключающейся в том, что проводник с Is вначале проходит над полоской таким образом, чтобы создаваемое сенсорным током магнитное поле стремилось перемагнитить Ml. После этого проводник идет к следующему элементу. Таким образом положительная обратная связь способствует перемагничиванию полоски элемента. Начальное состояние элемента с положительной обратной связью определяется величиной напряжения питания U. С увеличением U происходит рост Is. С одной стороны, это приводит к стабилизации положений векторов Ml и Mh, а, с другой - к увеличению перемагничивающего Ml магнитного поля от проводника с Is. При некотором Umin влияние поля от проводника становится превалирующим, происходит перемагничивание вектора Ml, и элемент переходит в состояние с параллельно направленными векторами намагниченности обеих пленок. При U<U такой элемент является повторителем, а при U>Umin - инвертором. Однако, так как и повторитель, и инвертор должны работать при одном и том же напряжении питания, мы выбираем инвертор как базовый элемент всех остальных ЛЭ. В частности, повторитель можно сформировать из двух инверторов. Рассмотрим ОР для элемента с размерами полоски 2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
Изменение R инвертора от U при отсутствии Isig и дополнительного постоянного внешнего поля H0 имеет пороговый характер. Недостатком этого варианта является высокое поле перемагничивания Ml, что приводит к необходимости токов управления в десятки миллиампер. Существенно уменьшить этот недостаток можно введением постоянного поля H0, способствующего перемагничиванию Ml. Анализ показывает, что оптимальное значение Ho0pt = 0,5Hhk = 10 При таком H0 полоска всегда находится в состоянии с параллельно направленными векторами Ml и Mh, т.е. Umin = 0. Введение H0 приводит к ограничениям по нижнему (Umin) и верхнему значениям напряжения (Umax) из-за смещения поля перемагничивания низкоанизотропной пленки, создаваемого током I1r и возможности перемагничивания Mh. В данном случае Umin = 0,1 В, Umax = 3,7 В. На фиг. 3 приведена выходная характеристика инвертора для Umin = 0,1 В. Видно, что инвертор имеет пороговую характеристику: Imin = 0,9 мА, Imax = 1,8 мА, I1r = 1,2 мА. Подытоживая: оптимальный вариант инвертора представляет собой полоску, работающую в диапазоне напряжения питания от 0,1 до 3,7 В при наличии H0 = 0,5Hhk .
Из расчетов следует, что для а = 2 мкм
Umin = 0,2 В;
Umax = 0,275 В;
Imin = 2,0 мА;
Imax = 2,9 мА для Umin;
(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3