發(fā)布時(shí)間：2015-01-12 11:09

 

【摘要】 近年來，隨著新型計(jì)算機(jī)、信息和通信等電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)作為其核心部件的存儲(chǔ)器提出了高密度、高速度、高寫入效率、高可靠性等高性能要求。自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（STT-MRAM：Spin Transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory）集成了可以與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器相比擬的高集成度，可以與靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器相比擬的高速讀寫能力，以及閃存的非易失性，而且還具有無限次地重復(fù)寫入的能力，所以近年來引起國內(nèi)外半導(dǎo)體公司和相關(guān)科研單位的廣泛關(guān)注和研究。本文對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)單元磁隧道結(jié)（MTJ：MagneticTunnel Junction）進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，所取得的主要研究成果為下：1.對(duì)磁存儲(chǔ)單元磁隧道結(jié)進(jìn)行了研究。針對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的要求，在研究了磁隧道結(jié)相關(guān)物理基礎(chǔ)后，基于磁隧道結(jié)的物理模型，建立了可與CMOS電路聯(lián)合仿真的磁隧道結(jié)行為模型。針對(duì)磁隧道結(jié)自由層磁化方向轉(zhuǎn)變的動(dòng)態(tài)過程，本文重點(diǎn)研究了開關(guān)電流和寫入脈沖時(shí)間的關(guān)系，以及降低磁隧道結(jié)開關(guān)電流的相關(guān)途徑，分析了面內(nèi)磁各向異性和垂直磁各向異性的特點(diǎn)，比較了兩種情況下對(duì)磁隧道結(jié)開關(guān)電流的影響。本部分內(nèi)容的分析有助于磁隧道結(jié)行為模型的建立和完善。通過與CMOS電路的聯(lián)合仿真，初步驗(yàn)證了磁隧道結(jié)行為模型的正確性。2.對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫入驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了研究�；谧孕D(zhuǎn)移力矩磁化方向轉(zhuǎn)換機(jī)制，即利用寫入驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的流經(jīng)磁隧道結(jié)的雙向電流實(shí)現(xiàn)自由磁性層磁化方向的改變，針對(duì)傳統(tǒng)寫入驅(qū)動(dòng)電路寫入支路上開關(guān)器件過多，要求的寫入驅(qū)動(dòng)電壓源較大，導(dǎo)致傳統(tǒng)寫入驅(qū)動(dòng)電路寫入能耗較高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低電源電壓寫入電路。此低電源電壓寫入電路采用STT-MRAM的列選開關(guān)和讀寫隔離開關(guān)相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)，減小了寫入驅(qū)動(dòng)支路上的開關(guān)器件，在同樣寫入電流的要求下，低電源電壓寫入電路的開關(guān)能耗低。然后，針對(duì)磁隧道結(jié)寫入隨機(jī)性的特點(diǎn)，本文提出了改進(jìn)的可應(yīng)用于STT-MRAM的自使能開關(guān)電路。此自使能開關(guān)電路減少了磁隧道結(jié)寫入電流的寫入脈沖時(shí)間，可進(jìn)一步降低磁隧道結(jié)的寫入能耗，同時(shí)流經(jīng)磁隧道結(jié)電流時(shí)間的減少使得磁存儲(chǔ)單元的可靠性提高。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的低電源電壓寫入電路和改進(jìn)的的自使能開關(guān)電路可有效降低自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫入能耗。3.對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀取電路進(jìn)行了研究。針對(duì)STT-MRAM利用讀取電流感測磁存儲(chǔ)單元電阻的不同，通過靈敏放大器實(shí)現(xiàn)0、1數(shù)據(jù)判別的特點(diǎn)，提出了采用平行態(tài)磁隧道結(jié)作為讀取靈敏放大器參考單元的結(jié)構(gòu)。分析對(duì)比了三種不同參考單元結(jié)構(gòu)對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器面積、功耗和可靠性的影響。計(jì)算仿真結(jié)果表明，平行態(tài)磁隧道結(jié)作為參考單元的讀取靈敏放大器的結(jié)構(gòu)可避免讀取電流對(duì)參考用磁隧道結(jié)狀態(tài)的干擾，可有效提高自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀取可靠性。4.對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的電路進(jìn)行了研究。基于上述的磁隧道結(jié)研究和關(guān)鍵讀寫電路設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了16Kbit自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器。本文主要分析設(shè)計(jì)了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，磁存儲(chǔ)單元陣列和外圍控制邏輯電路、譯碼電路等。仿真結(jié)果表明，電路可實(shí)現(xiàn)有效列選和讀寫功能。本部分工作為下一步自旋移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的流片奠定了基礎(chǔ)。 

第一章 緒 論

各種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，如靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM：Static Random Access Memory)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM：Static RandomAccess Memory)以及閃速存儲(chǔ)器(flash)等存儲(chǔ)器因具備各自的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到了深入研究和廣泛的應(yīng)用。然而，隨著器件尺寸的縮小，上述存儲(chǔ)器的發(fā)展遇到了各自的瓶頸，在一定程度上限制了其發(fā)展和應(yīng)用。近年來，磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM：Magnetic Random Access Memory)由于具有良好的性能受到了廣泛的關(guān)注和研究。
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1.1 傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)
存儲(chǔ)器是電子系統(tǒng)中用于記憶的部件，被用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序和各種數(shù)據(jù)。電子系統(tǒng)中的全部信息都要保存在存儲(chǔ)器中，在需要的時(shí)候，可以取出使用或重新把新內(nèi)容存入。
傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器屬于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，主要是利用半導(dǎo)體器件存儲(chǔ)一位二進(jìn)制代碼。從存儲(chǔ)器的功能特性進(jìn)行分類，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可以分為兩大類：隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM：Random Access Memory)和只讀存儲(chǔ)器(ROM：Read only Memory)。
隨機(jī)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀取。但是 RAM 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)只是暫時(shí)的，原因是隨機(jī)存儲(chǔ)器具有易失性的特點(diǎn)。RAM 主要包括動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器：
（1）動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器：DRAM 是利用 MOS 晶體管的柵電容的充放電來保存信息。其基本存儲(chǔ)單元是單管 MOSFET，面積小，價(jià)格便宜。只不過需要定時(shí)的對(duì) DRAM 進(jìn)行充電，因?yàn)榇鎯?chǔ)器件的柵電容會(huì)漏電。另外，其存取速度也較慢。由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)在斷電后立刻消失，所以 DRAM 是揮發(fā)性存儲(chǔ)器。DRAM 在微機(jī)系統(tǒng)里常被用做內(nèi)存。
（2）靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器：SRAM 的存儲(chǔ)單元一般為 6 管 MOSFET 組成的觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，信息 0 或 l 是用觸發(fā)器的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)來表示。但是因?yàn)?SRAM 所用的 MOS 管較多，所以集成度低、功耗較大、成本也高。另外，SRAM 也是揮發(fā)性存儲(chǔ)器，一旦斷電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)立刻消失。但是由于其具有存取速度快、工作穩(wěn)定、不需要刷新電路，而且使用方便靈活的特點(diǎn)，所以 SRAM 在微機(jī)系統(tǒng)中常被用做小容量的高速緩沖存儲(chǔ)器。
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第二章 磁隧道結(jié)的基礎(chǔ)理論

本章主要介紹自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)元件-磁隧道結(jié)的相關(guān)理論。首先要介紹磁隧道結(jié)的理論基礎(chǔ)磁電阻效應(yīng)，包括各向異性磁電阻效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)和隧穿磁阻效應(yīng)。然后詳細(xì)討論隧穿磁阻效應(yīng)的隧穿機(jī)制和理論模型，以及磁隧道結(jié)的磁場式和自旋轉(zhuǎn)移式兩種磁矩翻轉(zhuǎn)方式的基本原理。最后分析磁隧道結(jié)的材料特性和結(jié)構(gòu)特性。
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2.1 物質(zhì)磁性
2.1.1 電子自旋
電子具有電荷和自旋(spin)兩種固有屬性[14-17]。其中的電子自旋是量子效應(yīng)，與外界條件無關(guān)，電子自旋角動(dòng)量 ms如圖 2.1 所示，電子有兩種自旋狀態(tài)，方向是相反的，即自旋向下和自旋向上。1925 年荷蘭科學(xué)家 G. Uhlenbeck 和 S. Goudsmit提出電子自旋的假設(shè)，到了 1928 年，英國理論物理學(xué)家 Dirac 用相對(duì)論的波動(dòng)方程描述電子，提出電子具有自旋屬性的概念，解釋了為何電子具有 1/2 自旋。固體電子中具有的電荷和自旋屬性開始為人們所掌握和利用。
信息存儲(chǔ)是信息技術(shù)的核心。其中的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器如 SRAM、DRAM 等利用了電子的電荷屬性，即半導(dǎo)體中的電子和空穴是控于外加電場，產(chǎn)生多子和少子的輸運(yùn)。而磁存儲(chǔ)器如磁帶、硬盤等外置式存儲(chǔ)媒介以及隨機(jī)存儲(chǔ)器則利用了電子的自旋屬性，是由鐵磁性材料來完成的。
2.1.2 磁性系統(tǒng)的能量
物質(zhì)磁性是物質(zhì)中自旋電子集體行為的表現(xiàn)。非磁性物質(zhì)，如常見的 Cu、Ag等材料，其自旋向下和自旋向上的電子數(shù)量相同，所以表現(xiàn)為非磁性。磁性物質(zhì)，自旋向上和自旋向下的電子，其數(shù)量是不同的，數(shù)量較多的自旋電子的自旋方向表現(xiàn)為宏觀磁矩方向，如常見的 Co、Fe、Ni等以及其合金材料都是磁性材料。磁矩是描述磁性材料微觀粒子磁性的物理量，磁化強(qiáng)度 M 就是單位體積的磁矩，飽和磁化強(qiáng)度 MS就是磁飽和狀態(tài)的磁化強(qiáng)度。
磁性材料的磁宏觀行為是由各種能量決定的，即磁化強(qiáng)度的分布取決于磁系統(tǒng)的自由能分布�？偟淖杂赡� E 為包括交換能 Eex、磁晶各向異性能 Ek、退磁能 ED、與外場的相互作用能 Ez。所有這些能量最小時(shí)，筆耕文化推薦期刊，就決定了磁材料的最后磁化方向，即磁矩達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
（1） 交換能 Eex：交換作用能起源于原子中的電子和電子的庫侖相互交換作用，屬于量子效應(yīng)。自旋趨于平行排列是因?yàn)殡娮幼孕g的相互作用，平行排列的結(jié)果就導(dǎo)致了磁材料的自發(fā)磁化。隨著溫度升高自發(fā)磁化強(qiáng)度會(huì)變小，當(dāng)溫度升高到臨界溫度居里溫度（TC：Curie temperature）時(shí)自發(fā)磁化強(qiáng)度消失，其中的居里溫度 TC是鐵磁物質(zhì)很重要的特征參量。交換能可表示為式中，A 是材料的交換常數(shù)。
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第三章 基于 STT 效應(yīng)磁隧道結(jié)的模型研究 .......................39-57 
3.1 磁隧道結(jié)的隧道電阻和磁電阻模型............................ 39-41 
3.1.1 磁隧道結(jié)的隧道電阻模型....................... 40 
3.1.2 依賴于偏壓的 TMR 模型 .......................40-41 
3.2 磁隧道結(jié)的開關(guān)電流模型....................... 41-51 
3.2.1 靜態(tài)特性................... 41-44 
3.2.2 開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性和隨機(jī)模型 ....................44-46 
3.2.3 開關(guān)電流降低途徑..................... 46 
3.2.4 面內(nèi)磁各向異性和垂直磁各向異性 .....................46-51 
3.3 磁隧道結(jié)的擊穿特性........................... 51 
3.4 磁隧道結(jié)行為模型的建立........................ 51-55 
3.4.1 模型參數(shù).................... 51-52 
3.4.2 物理模型的行為描述 ............52-54 
3.4.3 行為模型的仿真驗(yàn)證 ...................54-55 
3.5 小結(jié) ...............................55-57 
第四章 STT-MRAM 關(guān)鍵電路模塊的研究................. 57-97 
4.1 MRAM 的類型........................... 57-60 
4.1.1 第一代磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM） .........................57-59 
4.1.2 自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(STT-MRAM).................. 59-60 
4.2 STT-MRAM 寫入驅(qū)動(dòng)電路的研究 ..........................60-71 
4.2.1 寫入過程的 I-V 特性......................... 61-62 
4.2.2 高壓寫入電路 ..............62-64 
4.2.3 低壓寫入電路....................... 64-66 
4.2.4 自使能開關(guān)寫入電路 .................66-71 
4.3 STT-MRAM 讀取電路的研究..................... 71-89 
4.3.1 讀取電流大小............................. 72-74 
4.3.2 讀取電流方向 .......................74-75 
4.3.3 靈敏放大器 .........................75-80 
4.3.4 參考單元................... 80-89 
4.4 字線選擇晶體管的研究............... 89-91 
4.4.1 字線選擇晶體管的大小 .......................89-91 
4.4.2 字線選擇晶體管驅(qū)動(dòng)電壓的設(shè)計(jì)...................... 91 
4.5 STT-MRAM 的抗輻照研究.................... 91-94 
4.5.1 輻射效應(yīng)................................ 91-92 
4.5.2 STT-MRAM 的抗輻照加固設(shè)計(jì)..................... 92-94 
4.6 小結(jié) ................................94-97 

第五章 16Kb STT-MRAM 的電路設(shè)計(jì)

基于對(duì)自旋磁隨機(jī)存儲(chǔ)器關(guān)鍵電路的研究，本文基于 TSMC 0.13μm1P8MCMOS 工藝和 65nmMTJ 結(jié)工藝要設(shè)計(jì)一款容量為 16Kbit 的自旋磁隨機(jī)存儲(chǔ)器。本章主要是對(duì)16Kbit 的自旋磁存儲(chǔ)器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并給出存儲(chǔ)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)陣列和外圍電路結(jié)構(gòu)。
5.1 16Kb STT-MRAM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1.1 STT-MRAM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
自旋磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的電路結(jié)構(gòu)一般采用一個(gè)存儲(chǔ)陣列和相應(yīng)外圍電路組成，如圖5.1所示[116-118]。存儲(chǔ)器外圍電路主要包括靈敏放大器、譯碼器、讀寫控制電路等。STT-MRAM通過行列選擇可以簡單方便的操作每個(gè)存儲(chǔ)單元。在讀取存儲(chǔ)單元的內(nèi)容時(shí)，以縮小存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間，其中的靈敏放大器用來對(duì)位線的信號(hào)進(jìn)行放大。
5.1.2 存儲(chǔ)器的層次化設(shè)計(jì)
對(duì)于容量比較小的存儲(chǔ)器，位線電容和字線電容都不大，只需要采用傳統(tǒng)的單個(gè)存儲(chǔ)塊的存儲(chǔ)陣列即可。但是對(duì)于16Kbit以上大容量的存儲(chǔ)器，單塊存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)存在相應(yīng)的問題。連接存儲(chǔ)單元的縱向位線與橫向字線，會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)陣列的長度和寬度太大，而導(dǎo)致太長，就會(huì)造成位線和字線的延遲時(shí)間增加，因?yàn)檠舆t時(shí)間取決于連線長度，與連線長度的平方是成正比的，就會(huì)造成整個(gè)存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間增加。另一方面，單次讀寫所需要的能量會(huì)因?yàn)榇蟮膶?dǎo)線電容比較大，也會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)陣列的增大而增加[117]。存儲(chǔ)陣列因此需要進(jìn)行所謂的層次化設(shè)計(jì)，如圖5.2所示。
存儲(chǔ)器被分割成 N 個(gè)小塊，基于送入塊的行地址和列地址選中存儲(chǔ)單元，其中送入塊的行地址也稱局部字線。另外有全局字線的作用是在 N 塊中，把要讀寫的某一塊選出來。因此層次化的陣列結(jié)構(gòu)可使得局部字線長度有效降低。盡管此結(jié)構(gòu)的全局字線略長，但如果在布線時(shí)采用高層金屬則可減小導(dǎo)線寄生電阻電容。關(guān)于層次化分塊設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器地址線和數(shù)據(jù)線的布局方式，可按照如圖 5.2 所示的H 型布線方式。此種方式下，地址線和數(shù)據(jù)線到每個(gè)存儲(chǔ)子塊的長度完全相同，延遲時(shí)間也幾乎相同。
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結(jié)論

近年來，新一代計(jì)算機(jī)、信息和通信技術(shù)等電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)作為其核心部件的存儲(chǔ)器提出了高密度、高速度、高寫入效率、高可靠性等高性能要求。磁隨機(jī)存儲(chǔ)器因?yàn)榧闪丝梢耘c動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器相比擬的高集成度，可以與靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器相比擬的高速讀寫能力，以及閃存的非易失性，而且還具有無限次重復(fù)寫入能力，所以近年來引起國內(nèi)外半導(dǎo)體公司和相關(guān)科研單位的關(guān)注和研究。本文對(duì)磁隨機(jī)存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)單元磁隧道結(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究：
首先，本文對(duì)磁存儲(chǔ)單元磁隧道結(jié)進(jìn)行了研究。針對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的要求，在分析了磁隧道結(jié)相關(guān)物理基礎(chǔ)后，基于磁隧道結(jié)的物理模型，建立了基于 CoFeB/MgO 的垂直磁各向異性磁隧道結(jié)行為模型。針對(duì)磁隧道結(jié)自由層磁化方向轉(zhuǎn)變的動(dòng)態(tài)過程，本文重點(diǎn)研究了開關(guān)電流和寫入脈沖時(shí)間的關(guān)系，以及降低磁隧道結(jié)開關(guān)電流的相關(guān)途徑，分析了面內(nèi)磁各向異性和垂直磁各向異性的特點(diǎn)，比較了兩種情況下對(duì)磁隧道結(jié)開關(guān)電流的影響。本部分內(nèi)容的分析有助于磁隧道結(jié)模型的建立和完善。磁隧道結(jié)行為模型與 CMOS 電路的聯(lián)合仿真初步驗(yàn)證了此行為模型的正確性。
其次，本文對(duì)自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫入驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了研究�；谧孕D(zhuǎn)移力矩磁化方向轉(zhuǎn)換機(jī)制，即利用寫入驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的流經(jīng)磁隧道結(jié)的雙向電流實(shí)現(xiàn)自由磁性層的磁化方向改變，針對(duì)傳統(tǒng)寫入驅(qū)動(dòng)電路寫入支路上過多開關(guān)器件使得寫入驅(qū)動(dòng)電壓源較大，導(dǎo)致傳統(tǒng)寫入驅(qū)動(dòng)電路寫入能耗較高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低電源電壓寫入電路。此低電源電壓寫入電路采用自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的列選開關(guān)和讀寫隔離開關(guān)相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)，減小了寫入驅(qū)動(dòng)支路上的開關(guān)器件，同樣寫入電流的要求下，低電源電壓寫入電路的開關(guān)能耗較低。仿真結(jié)果表明高壓寫入電路的平均寫入能耗為 6.5pJ/位，而低壓寫入電路的平均寫入能耗為 4.3 pJ/位，與高壓寫入電路比，能耗可降低 33%。針對(duì)磁隧道結(jié)寫入的隨機(jī)性特點(diǎn)，本文提出了改進(jìn)的可應(yīng)用于自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的自使能寫入電路，減小了磁隧道結(jié)寫入電流的寫入脈沖時(shí)間，可進(jìn)一步降低磁隧道結(jié)的寫入能耗，同時(shí)提高了磁存儲(chǔ)單元的可靠性。仿真結(jié)果表明，在一個(gè)寫使能有效脈寬時(shí)間內(nèi)，自使能開關(guān)電路能耗為 1.5pJ/位，僅是傳統(tǒng)電路能耗 4.3 pJ/位的 35%。因此本文所設(shè)計(jì)的低電源電壓寫入電路和改進(jìn)的的自使能寫入電路有效降低了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫入能耗。
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[5] 王天興,魏紅祥,李飛飛,張愛國,曾中明,詹文山,韓秀峰.  4英寸熱氧化硅襯底上磁性隧道結(jié)的微制備[J]. 物理學(xué)報(bào). 2004(11)

 

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