Элементы СБИС на цилиндрических магнитных доменах

Магнитные свойства тонких эпитаксиальных пленок на основе гранатов, имеющих химическую формулу КзЕе5012, где И — редкоземельный элемент (У, Сс1 и др.), используются для запоминания и обработки информации. В качестве носителей информации в таких пленках выступают цилиндрические магнитные

домены (ЦМД). Информационная емкость СБИС определяется диаметром ЦМД, который имеет размеры порядка микрона. Магнитные СБИС применяются как различного рода запоминающие устройства (ЗУ). При малой толщине пленки магнитные домены занимают все поперечное сечение пленки, а их векторы намагниченности перпендикулярны ее поверхности (рис. 10.8, а). В исходном состоянии домены имеют форму полос, при этом соседние полосы (заштрихованные и белые на рис. 10.8, а) имеют противоположные направления вектора намагниченности (показаны стрелками), так что результирующая намагниченность пленки равна нулю. При приложении перпендикулярного поверхности внешнего магнитного поля напряженностью Н (рис. 10.8, б) домены, у которых вектор их намагниченности совпадает с направлением внешнего поля, расширяются, а домены с противоположным направлением вектора намагниченности сужаются. При напряженности внешнего магнитного поля больше некоторой величины #мин полосовые домены превращаются в цилиндрические (см. рис. 10.8,6), диаметр которых уменьшается с ростом Н и при некотором Н> Нмакс ЦМД резко исчезают (коллапсируют), т. е. такие домены существуют при Н < Н < Н

мин макс

Таким образом, для существования ЦМД необходимо иметь определенное поле смещения, нужная напряженность которого создается с помощью постоянного магнита и имеет значения 2000...3000 А/м.

Помимо зависимости от Н, на диаметр ЦМД (</, см. рис. 10.9) сильно влияют материал и толщина пленки (Л, см. рис. 10.8, 6), обеспечивающая минимальный диаметр с/мин ~ Л ~ 0,3 мкм. Между соседними доменами существуют магнитостатические силы отталкивания. В неоднородном магнитном поле ЦМД движется в сторону убывания Н. Однако скорость такого движения невысока (~ 103 см/с), что является одной из причин низкого быстродействия. При использовании ЦМД в элементах памяти необходима фиксация положения домена, что будет соответст-

Рис. 10.8

Рис. 10.9

вовать хранению лог. 1, а отсутствие домена — хранению лог. 0. Фиксация ЦМД осуществляется с помощью магнитостатических ловушек, представляющих собой области с низким значением потенциальной энергии ЦМД (потенциальные ямы). Наиболее часто используются ловушки, создаваемые тонкими (десятые доли мкм) ферромагнитными пленками из пермаллоя (80% N1, 20% Ре), наносимыми на поверхность, на которой формируется ЦМД. Пермаллоевая пленка ослабляет внешнее магнитное поле и "замыкает" магнитный поток, что притягивает к ней ЦМД. Возможно получение ловушек с помощью проводящей петли с током, создающим магнитное поле с направлением, противоположным вектору поля смещения.

Систему пермаллоевых ловушек, расположенных на расстоянии меньше диаметра домена, можно использовать в качестве регистра и перемещать ЦМД по определенному адресу. Для этого применяют управляющее магнитное поле, вектор напряженности которого направлен параллельно поверхности и вращается в плоскости пермаллоевых ловушек (аппликаций). Вращающееся поле можно создать с помощью двух взаимно перпендикулярных катушек, в которых токи сдвинуты по фазе на 90°. Рассмотрим процесс перемещения ЦМД на примере элемента регистра из двух шевроновых пермаллоевых аппликаций. На рис. 10.9 показано положение ЦМД (заштрихованный

кружок) в различные фазы вращающегося управляющего магнитного поля. Каждый ряд соответствует фазовому сдвигу Нупр = = Ну на четверть периода вращения. Под влиянием Нупр в пермаллоевых пленках образуются магнитные полюса, которые создают дополнительное магнитное поле с составляющей, направленной по или против вектора смещения (Нсм). В нулевой фазе (/ = *0 = 0) ЦМД располагается в верхней части шеврона, где результирующее поле смещения минимально и где в этот момент формируется (располагается) северный полюс, который притягивает ЦМД. Через четверть периода (/ = Т/Л) северный полюс и соответственно ЦМД перемещаются к правой стороне шеврона и т. д. В результате через период (/ — Т) ЦМД займет верхнее положение в соседней ловушке (последний ряд на рис. 10.9). Таким образом, время сдвига на один разряд регистра равно периоду вращающегося поля. Типичная частота вращения магнитного поля составляет величину порядка 100 кГц при напряженности — 2000...4000 А/м. Частота ограничена индуктивностью катушек и мощностью потерь. Скорость перемещения доменов достигает сотен метров в секунду, плотность записи информации может быть 104...105 бит/мм, а скорость записи 10г,...106 бит/с. Для считывания информации применяют петли, изготовленные из полупроводника, обладающего магниторезистивным эффектом. Эти петли наносят на основную пленку, и при пропускании через них тока магнитное поле в петле будет изменяться в момент прохождения под ней ЦМД. Это вызовет изменение сопротивления петли и соответственно тока в ней, что соответствует лог. 1.

Повышение информационной емкости устройств на ЦМД ограничивается магнитостатическим взаимодействием между ЦМД, которое требует необходимого минимального расстояния между ними. Для нормальной работы расстояние между ЦМД в соседних элементах памяти должно быть не менее 4с/, где с/ — диаметр ЦМД. В результате площадь элемента памяти получается большой, а информационная емкость устройства оказывается недостаточной для современных СБИС. Этот недостаток в значительной мере устранен при кодировании информации с помощью более мелких объектов, так называемых пар вертикальных блоховских линий (ВБ/7), заключенных в доменной границе.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >