Запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах

Запоминающие устройства (ЗУ) на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) называют такие магнитоэлектронные функциональные устроиства (ФУ), которые для запоминания информации используют цилиндрические магнитные домены.

Последние представляют собой участки размером от единиц до десятков мкм, намагниченность которых направлена противоположно намагниченности среды, в которой они расположены. Возникают
они преимущественно в полупроводниковых монокристаллических пленках редкоземельных ферромагнетиков со структурой граната, выращенных на поверхности немагнитных подложек, которые имеют структуру граната.

Назначения. ЗУ на ЦМД предназначены для записи в них и длительного хранения необходимой информации и перемещения ее в случае необходимости по информационным каналам.

Классификация. ЗУ на ЦМД классифицируют по структуре управления движением ЦМД. Различают ЗУ на ЦМД с пермаллоевых и ионно-имплантированными структурами управления движением ЦМД. Пермалоя структуры управления, своей очередь, делятся по форме. Существуют Т- I-, V- и дискообразные структуры управления движением доменов. Еще выполняют классификацию ЗУ на ЦМД по способам выборки ЦМД. Существуют ЗУ на ЦМД с магнитным и токовым выборкам. ЗУ на ЦМД классифицируют также по виду накопителей. различают ЗУ на ЦМД с изолированными и неизолированными ЦМД. Последние изготавливаются в форме решетки и поэтому получили название доменных решеток. Возможна также классификация по материалу магнитной пленки (по материалом накопителя). Изготавливают ЗУ на ЦМД, в которых как накопители используют YSmGa, YSmCaGa, CdCo тому подобное.

Строение. Основой ЗУ на ЦМД является немагнитная монокристаллическая подкладка из структурой граната, изготовленная из гадолиний-гелиевого гранату %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. этот материал оказался удобным для эпитаксиального выращивания на нем магнитных пленок смешанных редкоземельных феррит-гранатов, поскольку кристаллическое строение гадолиний-гелиевого гранату идентична структуре выращиваемого эпитаксиального слоя, а стала решетки очень близка к постоянной решетки многих магнитных пленок с оптимальными для практического использования параметрами.
В качестве материалов магнитных пленок (материалы накопителей) используют галлий-самарий-иттриевый гранат YSmGa, галлий-кальций-самарий-иттриевый гранат YSmCaGa, реже аморфные пленки CdCo. Толщина магнитных монокристаллических пленок достигает 6 мкм, а аморфных ≈ 1 мкм. Поскольку размеры ЦМД равны толщине магнитных пленок, то их диаметр в первом и втором случаях составляет 6 и 1 мкм соответственно. Генератор ЦМД представляет собой тонкопленочную токовую петлю, расположенную над пермаллоевой дисковой аппликацией, расположенной на поверхности магнитной пленки (рис. 1). Токовая петля изолирована от пермаллоевых аппликации слоем двуокиси кремния или другого диэлектрика.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 1. Структура генератора ЦМД: 1 — пермаллоевых дисковая аппликация; 2 — тонкопленочная токовая петля; 3 — изолирующий слой; 4 — ферритовая магнитная пленка; 5 — немагнитная гранатовая подкладка

Информационные каналы имеют вид Т- I-или V- пермаллоевых аппликаций, размещенных на поверхности магнитной пленки (рис. 2). Размеры полосок пермалоевых приложений должны соответствовать размерам доменов, то есть ширина полоски должна составлять 3 … 6 мкм.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 2. Фрагменты структуры информационных каналов ЗУ на ЦМД: а — генератор ЦМД; б — схема перемещения ЦМД по Т-I-аппликациях; в — схема перемещения ЦМД по V-аппликациях

Иногда пермалоя аппликации изготавливают в форме дисков, которые касаются друг друга. Для выборки и перемещения ЦМД используют устройства выборки и перемещения, которые имеют вид возвращенных друг относительно друга на 90 ° плоских токовых катушек, внутри которых размещена подложка с ферромагнитной пленкой. В конструкциях с токовой выборке вместо плоских катушек используют две металлические пленки, разделенные слоем двуокиси кремния. Типовая структура элемента ЗУ на ЦМД приведена на рис. 3. Изображенные на рис. 3 пермалоя аппликации с толщиной 400 нм нанесены на расстояниях 800 нм друг от друга. Они определяют пути перемещения доменов при наличии в плоскости магнитной пленки возвратно магнитного поля. Этаж пермаллоевых аппликации наносят пассивирующий защитный слой 5. Внутри пленки %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 размещены алюминий-медные проводники толщиной 250 нм, которые благодаря своим диа- и парамагнитным свойствам четко фиксируют границы ЦМД. Конструктивно законченные ЗУ на ЦМД имеют несколько компоновочных схем. По внешнему виду они напоминают висы, микросборки или микромодули. Основными компонентами в них кристаллы с информационной емкостью 1 Мбит. Такие кристаллы помещают в корпус ИМС, и тогда ЗУ на ЦМД по внешнему виду напоминают BIC. Если необходима большая информационная емкость, отдельные кристаллы собирают в пакеты, размер которых при информационной емкости в 107 -108 кбит составляет несколько см3. В таком случае ЗУ на ЦМД по внешнему виду напоминают микромодули. Существуют также прошарни конструктивные варианты, в которых отдельные кристаллы выполняют роль навесных компонентов, которые монтируют на поверхности диэлектрической подложки с системой сигнальных шин. В таком случае ЗУ на ЦМД имеют вид микросборок.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 3. Элементы ЗУ на ЦМД в разрезе: 1 — магнитная пленка; 2 — гранатовая подложка; 3 — пермалоя аппликации; 4 — ЦМД; 5 — пассивирующих защитный слой; 6 — алюминий-медные проводники; 7 — слой двуокиси кремния

Работа. Функциональная схема ЗУ на ЦМД содержит генераторы ЦМД, информационные каналы, устройства выборки и перемещения ЦМД, детекторы, которые размещены на поверхности накопителя (рис.4).

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 4. Функциональная схема ЗУ на ЦМД

Генераторы генерируют ЦМД. Устройства выборки и перемещения выбирают нужны домены и перемещают их по информационным каналам в соответствующие мест накопителя. Так происходит запись информации. Детекторы считывают записанную информацию, превращая ее в соответствующие электрические сигналы. Для того, чтобы эта схема могла функционировать, необходимо иметь целый ряд других устройств (рис. 5).

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 5. Структура модуля памяти на ЦМД

Основой изображенного на рис. 5 модуля памяти на ЦМД является контроллер, который выполняет функции интерфейса между ЗУ на ЦМД и управляющим устройством, например, микропроцессором. Возбудитель формирует управляющие токи, необходимые для генерации и выборки доменов.
Формирование ЦМД происходит так. Если отсутствует внешнее магнитное поле, в таких феррит-гранатовых монокристаллических пленках, выращенных на поверхности немагнитной гранатовой подложки, существуют полосковые домены произвольной формы, разделенные доменными стенками (рис. 6, а). векторы намагниченности соседних полосковых доменов противоположно направлены и перпендикулярны поверхности подложки.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 6. Вид доменов в тонкой ферромагнитном пленке: а- при отсутствии поля смещения %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9; б — слабом поле смещения, %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9; в — в рабочем режиме, %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9; г — вид ЦМД в разрезе

Если создать однородное магнитное поле смещения %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, перпендикулярное к плоскости подложки, то полосковые домены, в которых вектор напряженности совпадает с вектором напряженности поля смещения, расширяются за счет сужение доменов с противоположным вектором намагничивания (рис. 6, б). Дальнейшее увеличение ведет%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 к превращению полосковых доменов в цилиндрические (рис. 6, в), которое происходит при предельной напряженности магнитного поля, когда %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. Еще сильнее увеличение %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 приводит к уменьшение размеров ЦМД, которые при критической напряженности магнитного поля %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, когда %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, совсем исчезают. Во время записи информации в ЗУ на ЦМД генерирования ЦМД эквивалентно введению в память, а отсутствие доменов -логическому нулю. В реальных ЗУ на ЦМД для записи нужной информации используют специальные генераторы ЦМД (рис. 1). В них в исходном положении ферромагнитная пленка находится под напряженностью смещение %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, которая создается преимущественно постоянным магнитом. Во время записи логической 1 через пленочную петлю 2 протекает импульс тока, который создает локальный магнитный поток, направленный против %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. После выключения тока под пермаллоевых аппликацией остается ЦМД. Перемещение ЦМД в плоскости магнитной пленки по пермаллоевых или
ионно-имплантированным информационным каналам обеспечивает устройство перемещения. Составление созданных им сдвинутых на %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 магнитных полей плоских катушек создает возвратно магнитное поле, которое перемещает ЦМД. Такое устройство выполняет роль динамического регистра сдвига. Ячейке регистра соответствует участок с одной Т- I-или V-аппликацией. Для считывания информации в ЗУ на ЦМД широко используются матниторезистивни датчики, которые превращают магнитные сигналы в электрические. Конечно сигналы датчиков усиливаются интегрированными усилителями. Чтобы
увеличить уровень сигнала, в датчиках считывания используют шевронные структуры продвижения ЦМД, которые растягивают участок ЦМД в направлении, нормальном направлению движения доменов. Увеличению уровня сигнала в таком случае способствует увеличение действующей площади ЦМД и рост величины магнитного потока. Под действием магнитного домена меняется удельное сопротивление магнитной пленки с счет магниторезистивного эффекта. Изменение напряжения на центральных аппликациях является выходным сигналом ЗУ на ЦМД. С помощью группы параллельно расположенных
В приложений возможно удлинение домена больше чем в 100 раз. В соответствии увеличивается его поле рассеяния и возрастает чувствительность датчика. Для уничтожения лишних магнитных доменов используют специальные анигиляторы ЦМД, которые представляют собой токовую петлю, в которую сначала подают ток %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, который создает магнитное поле, которое затрагивает ЦМД, а после противоположный по направлению ток %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 который создает локальное магнитное поле %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, что уничтожает домен.

Свойства. Параметры ЗУ на ЦМД существенно зависят от их конструкции. В конструкциях с пермаллоевых структурами генерации, продвижение, репликации и детектирования ЦМД получена плотность записи информации до 1 Мбит/см2. Скорость движения доменов при большом уровне управляющего магнитного поля достигает нескольких метров в секунду. Дальнейшее ее повышение может быть достигнуто за счет уменьшения плотности дефектов и ослабление внутренних механических напряжений. Представляют интерес конструкции ЗУ на ЦМД, в которых вместо сравнительно толстых монокристаллических магнитных слоев используют тонкие (1 мкм) аморфные магнитные пленки с CdCo, нанесенные на подложку методом напыления. За счет в шесть раз меньшей толщины пленок во столько же раз меньше есть размеры ЦМД. А это позволяет примерно в шесть раз увеличить плотность записи информации, доведя ее до 6 Мбит/см2. Существенное увеличение плотности записи информации достигается в схемах, в которых в роли доменопросувальних аппликаций используют дисковые или полудисковые конфигурации вместо Т-I-или V-подобных. Оказалось, что при использовании дисковых и полудисковых аппликаций снижаются требования к точности выполнения прослойки между элементами. В результате стало возможным использовать ЦМД размером 2 мкм и меньше, и повысить за счет этого плотность записи информации с 1,5× 105 бит/см2 до 1,6× 106 бит/см2 и даже больше. В других конструкциях ЗУ на ЦМД вместо пермаллоевых аппликаций используют ионно-имплантированные структуры продвижения доменов, полученные внедрением в гранат с отрицательным коэффициентом магнитострикции протонов водорода или гелия. В них в результате ионной имплантации возникают внутренние механические напряжения, вызывающие изменение оси легкого намагничивания с перпендикулярной на параллельный относительно плоскости пленки направление. Такая конструкция ЗУ дает
возможность перемещать ЦМД в любом направлении, уменьшает мощность поворотного магнитного поля, снижает требования к разрешающей способности литографических прецесов. Последнее позволяет уменьшить диаметр ЦМД до 0,5 мкм и за счет этого достичь плотности записи информации 16 Мбит/см2. Представляют интерес также ЗУ на ЦМД с токовой выборке, в которой вместо плоских катушек используют разделены слоем двуокиси кремния две металлические пленки. Благодаря такой организации системы управления и продвижения доменов появляется возможность увеличить плотность записи информации до величины, которую обеспечивают ионно-имплантированные структуры продвижения доменов и повысить частоту циркуляции ЦМД к 10..20 МГц.

Еще больший интерес представляют ЗУ на ЦМД с накопителями в виде доменных решеток. Благодаря тому, что в них ЦМД не изолированы друг от друга, а магнитостатично связаны, растет плотность записи информации, уменьшается потребляемая мощность, повышается скорость передачи данных до 1 МГц и больше при времени, меньшем 1 мс. Емкость модуля памяти в них достигает 109..1010 бит.
В отличие от ЗУ на изолированных друг от друга ЦМД, где цифровой информации отвечает наличие или отсутствие ЦМД, в решеточных накопителях для представления информации используют ЦМД с различной структурой стен. Кодирования информации в ЗУ на доменных решетках основано на зависимости свойств ЦМД от магнитного состояния доменной стенки. Сам поиск информации в ЗУ на доменных решетках может быть адресным и ассоциативным. Достигнутый сегодня уровень развития микроэлектронной технологии дает возможность изготавливать ЗУ на ЦМД в виде BIС с информационной емкостью более чем 1 Мбит и быстродействием, которая занимает прошарное положение между ЗУ на магнитных лентах и дисках и ЗУ на электронных схемах. Если необходима большая емкость, кристаллы собирают в микросборки. В таком случае в объеме V = 5 см3 удается разместить в 107-108 кбит информации при потребляемой мощности Р = 6 Вт. ЗУ с такими параметрами могут успешно конкурировать с ЗУ на магнитных лентах и дисках. Тормозным фактором пока является их высокая стоимость.

Применение. ЗУ на ЦМД применяют как буферную и внешнюю память ЭВМ средней и высокой производительности общего назначения, и управляющих мини-ЭВМ и микропроцессоров; память микрокоманд в программируемых терминалах, ассоциативных процессорах, системах ввода-вывода данных. Перспективно использование ЗУ на ЦМД в телефонной, телеграфной, бортовой, спутниковой и других системах связи. Специфической отраслью применения ЗУ на ЦМД является телефонные аппараты с тастатурным набором и автоматическим повтором вызова. ЗУ на ЦМД широко используют также в
различных автономных системах контроля и управления, в блоках памяти бортовых систем, в блоках управления станками и т.д.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*