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电动汽车驱动
★ 5.0
一种用于室温下垂直磁隧道结器件确定性翻转的无磁场高效写入脉冲方案
A Field-Free and Power-Efficient Write Pulse Scheme for Deterministic Switching in Perpendicular Magnetic Tunnel Junction Devices at Room Temperature
| 作者 | Jie Liu · Pingfan Ning · Delin Zhang · Pingjuan Niu · Yong Jiang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 垂直磁化磁隧道结 无场确定性切换 自旋轨道矩 写入脉冲方案 功耗优化 |
语言:
中文摘要
摘要:采用包含重金属(HMs)和拓扑绝缘体(TIs)作为自旋源材料的垂直磁化磁隧道结(p - MTJs),在自旋转移矩(STT)或电压控制磁各向异性(VCMA)的辅助下实现无场确定性切换。反铁磁体和过渡金属二硫属化物(TMDs)也是无场切换自旋源材料的可选方案。通过修正的朗道 - 栗弗席兹 - 吉尔伯特(LLG)方程建立的单畴紧凑模型,描述了上述不同自旋轨道矩(SOT)通道材料在输入不同写入脉冲方案后的动力学特性。切换时间和功耗与写入脉冲方案中脉冲宽度和幅度参数的变化之间存在显著的相关性。尖峰形SOT电流脉冲提供了一种降低功耗的增强型切换解决方案。可以调整用于辅助切换的STT电流或VCMA电压脉冲的宽度和幅度,以适应所讨论的SOT材料的特定特性。使用不同的写入脉冲,在切换时间和功耗方面有可能实现超过86%的最大优化。
English Abstract
Perpendicularly magnetization magnetic tunnel junctions (p-MTJs) comprising heavy metals (HMs) and topological insulators (TIs) as spin-source materials are employed to achieve field-free deterministic switching with the assistance of spin-transfer torque (STT) or voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA). Antiferromagnetic and transition-metal dichalcogenides (TMDs) are also alternatives for field-free switching spin-source materials. A single-domain compact model modeled by modified Landau-Lifshitz–Gilbert (LLG) equations characterizes the dynamics of the different Spin-orbit torque (SOT) channel materials mentioned above following the input of different write pulse schemes. A notable correlation exists between switching time and power consumption and the alteration of pulsewidth and amplitude parameters within the write pulse scheme. The spike-shaped SOT current pulse offers an enhanced switching solution with reduced power consumption. The width and amplitude of the STT current or VCMA voltage pulses for assisted switching can be modified to align with the specific characteristics of the SOT material in question. It is possible to achieve a maximum optimization of over 86% in terms of switching time and power consumption with different write pulses.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于垂直磁隧道结(p-MTJ)无外场确定性开关技术的研究,为我们在储能系统和智能控制领域的产品升级提供了潜在的技术路径。该技术通过自旋轨道矩(SOT)、自旋转移矩(STT)和电压控制磁各向异性(VCMA)的协同作用,实现了室温下的低功耗磁性存储开关,其86%以上的功耗和开关时间优化对我们的应用场景具有重要意义。
在光伏逆变器和储能变流器领域,该技术可应用于新一代非易失性存储器(MRAM)的集成,为系统控制单元提供更快速、更可靠的数据存储方案。特别是在电网级储能系统中,控制器需要频繁记录运行参数和状态信息,p-MTJ技术的低功耗特性能够显著降低辅助系统能耗,提升整体系统效率。脉冲优化方案带来的快速开关特性,也有助于提高逆变器和储能系统的实时响应能力。
然而,该技术目前仍处于学术研究阶段,距离工业化应用存在明显差距。主要挑战包括:材料制备的规模化和一致性控制、与现有半导体工艺的兼容性、长期可靠性验证以及成本控制。对于阳光电源而言,短期内可以通过与科研机构合作跟踪技术进展,评估其在下一代智能功率模块中的应用可能性;中长期则可考虑将其纳入储能系统智能化和边缘计算的技术储备,为产品差异化竞争建立技术优势。建议重点关注该技术在工业级温度范围内的稳定性表现及其与碳化硅等功率器件的集成方案。