光電信息存儲材料及技術(shù)

信息存儲材料一、磁性存儲材料二、光信息存儲材料三、MRAM材料及應(yīng)用一、磁性存儲材料在信息時代，大容量存儲技術(shù)在信息處理、傳遞和探測保存中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，磁性存儲取得了巨大的進(jìn)步，目前的磁記錄密度已進(jìn)入每平方英寸10吉位數(shù)的量級。為了提高磁記錄的密度，主要途徑是增大介質(zhì)的Hc/Br并降低介質(zhì)的厚度。但記錄后的輸出信號正比于Br，因此提高介質(zhì)矯頑力是關(guān)鍵。磁記錄材料先后經(jīng)歷了氧化物磁粉（γ-Fe2O3）、金屬合金磁粉（Fe－Co－Ni等合金磁粉）和金屬薄膜三個階段。矯頑力和剩磁都得到了很大的提升。金屬薄膜是高記錄密度的理想介質(zhì)。因為薄膜介質(zhì)是連續(xù)性介質(zhì)，并具有高的矯頑力和高的飽和磁化強(qiáng)度。后者可有效的減薄磁性層的厚度。這些正是高記錄密度介質(zhì)所必備的性能?？v向磁化記錄－磁化方向與記錄介質(zhì)的運(yùn)動方向平行的記錄方式。如硬盤、軟盤、磁帶等。提高其存儲密度的方式主要是提高矯頑力和采用薄的存儲膜層。垂直磁記錄－磁化方向和記錄介質(zhì)的平面相垂直的記錄方式。它可徹底消除縱向磁記錄方式隨記錄單元縮小和膜層h減薄所產(chǎn)生的退磁場增大的效應(yīng)，因而更有利于記錄密度的提高。同時對薄膜厚度和矯頑力的要求可更寬松。但其對信號的讀出效率較差，要求磁頭必須距記錄介質(zhì)面很近。高密度磁性存儲磁頭材料－磁記錄的兩種記錄剩磁狀態(tài)（±Mr）是由正、負(fù)脈沖電流通過磁頭反向磁化介質(zhì)來完成的。在讀出記錄信號時，磁頭是磁記錄的一種磁能量轉(zhuǎn)換器，即磁記錄是通過磁頭來實現(xiàn)電信號和磁信號之間的相互轉(zhuǎn)換。因此磁頭同磁記錄介質(zhì)一樣是磁記錄中的關(guān)鍵元件。磁頭在磁記錄過程中經(jīng)歷了幾個階段：體形磁頭－薄膜磁頭－磁阻磁頭－巨磁阻磁頭磁阻、巨磁阻效應(yīng)－1971年有人提出利用鐵磁多晶體的各向異性磁電阻效應(yīng)制作磁記錄的信號讀出磁頭。1985年IBM公司實現(xiàn)了這一設(shè)想。此后，磁記錄密度有了很大的提高。磁阻磁頭主要采用Ni－（Co，F(xiàn)e）系列的鐵磁合金材料，其主要特點(diǎn)當(dāng)電流與磁場平行和垂直時其電阻率有較明顯的變化。上世紀(jì)80年代末法國巴黎大學(xué)Fert教授課題組提出和發(fā)現(xiàn)的巨磁阻（GMR）效應(yīng)可使Ni－Fe系列磁阻效應(yīng)高一個數(shù)量級以上，引起極大轟動，也為磁頭技術(shù)帶來了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。該項成果也獲得了2007年諾貝爾物理獎。GMR效應(yīng)主要基于電子自旋特性產(chǎn)生。MpM電子的兩大量子特性電荷自旋NP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------巨磁電阻電阻網(wǎng)絡(luò)模型(Mott二流體模型)兩磁性層平行

兩磁性層反平行

1986發(fā)現(xiàn)AF耦合GMR1988發(fā)現(xiàn)GMR1991發(fā)明自旋閥1994,GMR記錄磁頭2005,100Gb/in2記錄磁頭1993第一個GMRMRAM2005，1GbMRAM自旋閥典型結(jié)構(gòu)二、光信息存儲材料與磁存儲技術(shù)相比，光盤存儲有以下優(yōu)勢：存儲壽命長，一般在10年以上；非接觸式讀/寫，光頭與光盤間有1～2mm距離，因此光盤可以自由更換；信息載噪比高，而且經(jīng)多次讀寫不降低；信息位的價格低。缺點(diǎn)：光盤驅(qū)動器較貴，數(shù)據(jù)傳輸率較低。在未來10年內(nèi)，磁存儲和光盤存儲仍為高密度信息外存儲的主要手段。今后高性能的硬盤主要為計算機(jī)聯(lián)機(jī)在線存儲，以計算機(jī)專業(yè)用為主。高性能光盤為脫機(jī)可卸式海量存儲和信息分配存儲，以消費(fèi)用為主。提高存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸率一直是光盤存儲技術(shù)的主要發(fā)展目標(biāo)。同時，多功能（可擦重寫）也是光盤存儲技術(shù)的發(fā)展方向，也由此才能與日益發(fā)展的磁盤存儲技術(shù)競爭。光盤工作性能的擴(kuò)展取決于存儲介質(zhì)的進(jìn)展。CD-ROM光盤的信息數(shù)據(jù)是預(yù)刻于光盤母盤上的（形成凹坑），然后制成金屬壓膜，再把凹坑復(fù)制于聚碳酸酯的光盤基片上?？堪伎优c周圍介質(zhì)反射率的不同讀出信號。由于其價格便宜，制作方便，已大量使用。光盤記錄點(diǎn)的尺寸決定于聚焦光束的衍射極限?？s短記錄激光波長是縮小記錄點(diǎn)間距，提高存儲密度的關(guān)鍵。采用GaN半導(dǎo)體激光器（記錄波長0.40～0.45μm），可將光盤的存儲容量提高到10GB以上，稱為超高密度光盤存儲技術(shù)?？刹林貙懝獗P存儲技術(shù)－可擦重寫光盤的存儲介質(zhì)能夠在激光輻射下起可逆的物理或化學(xué)變化。目前發(fā)展的主要有兩類，即磁光型和相變型。前者靠光熱效應(yīng)使記錄下來的磁疇方向發(fā)生可逆變化，不同方向的磁疇使探測光的偏振面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（即克爾角）作讀出信號；后者靠光熱效應(yīng)在晶態(tài)與非晶態(tài)之間產(chǎn)生可逆相變，因晶態(tài)與非晶態(tài)的反射率不同而作為探測信號。磁光材料－具有顯著磁光效應(yīng)的磁性材料稱為磁光材料。主要為石榴石型鐵氧體薄膜。磁光效應(yīng)－偏振光被磁性介質(zhì)反射或透射后，其偏振狀態(tài)發(fā)生改變，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。由反射引起的偏振面旋轉(zhuǎn)稱為克爾效應(yīng)；由透射引起的偏振面旋轉(zhuǎn)稱為法拉第效應(yīng)。磁光存儲的寫入方式－利用熱磁效應(yīng)改變微小區(qū)域的磁化矢量取向。磁光存儲薄膜的磁化矢量必須垂直于膜面。如果它的初始狀態(tài)排列規(guī)則，如磁化方向一致向下，當(dāng)經(jīng)光學(xué)物鏡聚焦的激光束瞬時作用于該薄膜的一點(diǎn)時，此點(diǎn)溫度急劇上升，超過薄膜的居里溫度后，自發(fā)磁化強(qiáng)度消失。激光終止后溫度下降，低于居里溫度后，磁矩逐漸長大，磁化方向?qū)⒑褪┘拥耐饧悠脠龇较蛞恢?。因為該偏置場低于薄膜的矯頑力，因此偏場不會改變其它記錄位的磁化矢量方向。磁光存儲即有光存儲的大容量及可自由插換的特點(diǎn)，又有磁存儲可擦寫和存取速度快的優(yōu)點(diǎn)。相變型光存儲介質(zhì)主要為Te（碲）和非Te基的半導(dǎo)體合金。它們的熔點(diǎn)較低并能快速實現(xiàn)晶態(tài)和非晶態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變。兩種狀態(tài)對光有不同的發(fā)射率和透射率。相變存儲依據(jù)的是硫化材料的電子感應(yīng)相變原理，由電流注入產(chǎn)生的劇烈的熱量可以引發(fā)材料的相變。相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)代表了“0”和“1”，只要在上面施加少量的復(fù)位電流就能觸發(fā)這兩個狀態(tài)的切換。但是這種硫化材料一直以來都很難可靠地批量生產(chǎn)。

MRAM不僅具有SRAM存取速度快、工作電壓低，DRAM重復(fù)擦寫次數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)，而且具備FLASH的非易失性，并且由于其抗電磁干擾、抗輻射、大容量存儲等優(yōu)勢，在計算領(lǐng)域和軍事信息領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。三、MRAM材料及應(yīng)用目前DRAM、SRAM和Flash都是基于半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)。靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作存儲元件，因此速度快，但相對于DRAM集成度低。DRAM相對于SRAM來說集成度高，但因為用電容作存儲元件，放電時間長，限制了DRAM的速度。另外，DRAM中利用電容器來維持信息狀態(tài)。當(dāng)字線為低電位時，存儲元件處于維持狀態(tài)，即不讀不寫。但過一段時間（ms級），電容上電荷逐漸泄漏掉，其電位逐漸降低，原存電容上的信息“1”便會丟失。這樣每隔一定時間必須對電容充電一次，以補(bǔ)充泄漏的電荷，恢復(fù)到原來的電位，也就是說需要刷新，因而外圍電路比較復(fù)雜。而Flash控制原理是電壓控制柵晶體管的電壓高低值（高低電位），柵晶體管的結(jié)電容可長時間保存電壓值，因而能斷電后保存數(shù)據(jù)。但其單元工作電壓較大，存儲密度提高不易。且寫入時間較長。隨著硅技術(shù)進(jìn)入深納米時代，越來越多的人開始關(guān)心半導(dǎo)體技術(shù)能否跟上工藝節(jié)點(diǎn)的步伐.晶體管縮小終有極限，并且隨著制造成本上漲，制造利潤也變得越來越小。雖然大多數(shù)專家相信，即使工藝節(jié)點(diǎn)縮小到20nm，硅技術(shù)仍將保持其領(lǐng)先地位，但是在20nm以下，將出現(xiàn)大量由基礎(chǔ)以及特殊應(yīng)用引發(fā)的障礙，從而阻撓工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步縮小。隨著大家對“不久的將來，DRAM和閃存器件在體積上將不會有所變化”的疑慮不斷增加，人們開始關(guān)注下一代(或稱通用存儲)技術(shù)。毫無疑問，下一代存儲器市場的競爭一定會十分激烈，而目前也很難判定哪種技術(shù)將在潛能巨大的通用存儲器業(yè)務(wù)中勝出。

基于巨磁電阻效應(yīng)（GiantMagnetoresistive，GMR）的一種新型存儲器——磁性隨機(jī)存儲器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)，因其具有快速存取、非易失性、抗輻射、抗干擾、低功耗、使用壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)，兼具了其它所有存儲器的優(yōu)點(diǎn)，而受到各國研究者的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前存儲器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

MRAM的核心技術(shù)主要包括三方面：其一是獲得高磁阻變化比值的磁性多層膜結(jié)構(gòu)；其二是盡量降低存儲位元的尺寸；其三是讀寫的構(gòu)架和方法合理實施。目前MRAM的讀寫機(jī)制主要有兩種，一種為1T1MTJ（oneTransistoroneMTJ)架構(gòu)，即一個記憶單元連接一個MOS管；一種為XPC(Cross-poin