信息存储材料及技术

磁阻、巨磁阻效应－
1971年有人提出利用铁磁多晶体的各向异 性磁电阻效应制作磁记录的信号读出磁头。 1985年IBM公司实现了这一设想。此后， 磁记录密度有了很大的提高。磁阻磁头主要 采用Ni－（Co，Fe）系列的铁磁合金材料， 其主要特点当电流与磁场平行和垂直时其电 阻率有较明显的变化。
上世纪80年代末法国巴黎大学Fert教授课 题组提出和发现的巨磁阻（GMR）效应可 使Ni－Fe系列磁阻效应高一个数量级以上， 引起极大轰动，也为磁头技术带来了突飞猛 进的发展。该项成果也获得了2007年诺贝 尔物理奖。
尽管Flash存储器在市场上获得了巨大成功，但是， 随着特征尺寸的不断减小，传统Flash存储器将面临着 许多缺陷和难题。一方面，由于Flash存储器的写入电 压较高、读写速度较慢(μs量级)和功耗较大，因而需要 特殊的电压提升结构从而加大了电路设计的难度。另外， 传统的Flash存储器的可擦写次数比较低，因此，目前 仍无法取代RAM，应用于高速计算、读写频繁的随机存 储。另一方面，传统Flash存储器的隧穿氧化层厚度的 减薄不能与技术代发展保持同步，同时单元尺寸的缩小 还会带来工艺涨落和随机涨落增加等难题，因此无法满 足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。技术界普 遍预测，NOR（高速）型Flash将止步于45 nm技术节 点，而NAND（大容量）型Flash也将在32 nm的技术 节点处达到极限尺寸。
可擦重写光盘存储技术－
可擦重写光盘的存储介质能够在激光辐射下 起可逆的物理或化学变化。目前发展的主要 有两类，即磁光型和相变型。前者靠光热效 应使记录下来的磁畴方向发生可逆变化，不 同方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转 （即克尔角）作读出信号；后者靠光热效应 在晶态与非晶态之间产生可逆相变，因晶态 与非晶态的反射率不同而作为探测信号。
GMR效应主要基于电子自旋特性产生。
电荷
电子的 两大量 子特性
自旋
-
P -
E
-
-
+ + + +
+ + + +
N + + + +
+ + + +
Mp
M
巨磁电阻电阻网络模型(Mott二流体模型)
e FM1 NM FM2 e
r
R 2r
r
Ne2 D Ne2D
P
高密度磁性存储磁头材料－
磁记录的两种记录剩磁状态（±Mr）是由正、 负脉冲电流通过磁头反向磁化介质来完成的。 在读出记录信号时，磁头是磁记录的一种磁能 量转换器，即磁记录是通过磁头来实现电信号 和磁信号之间的相互转换。因此磁头同磁记录 介质一样是磁记录中的关键元件。
磁头在磁记录过程中经历了几个阶段： 体形磁头－薄膜磁头－ 磁阻磁头－巨磁阻磁头
光盘工作性能的扩展取决于存储介质的进展。 CD-ROM光盘的信息数据是预刻于光盘母盘上 的（形成凹坑），然后制成金属压膜，再把凹坑 复制于聚碳酸酯的光盘基片上。靠凹坑与周围介 质反射率的不同读出信号。由于其价格便宜，制 作方便，已大量使用。 光盘记录点的尺寸决定于聚焦光束的衍射极限。 缩短记录激光波长是缩小记录点间距，提高存储 密度的关键。采用GaN半导体激光器（记录波长 0.40～0.45μm），可将光盘的存储容量提高 到10GB以上，称为超高密度光盘存储技术。
PRAM全称为“Phase Random Access Memory"，通 常也被称为PCM, PCRAM或OUM(Ovonics Unified memory)等。它主要是利用硫化物(Chalcogenide)和硫化 合金等材料的相变特性来实现储存的。相变材料的非晶态 (amorphous)和晶态(crystalline)会呈现出不同的电阻特性， 因此可以利用相变材料的晶态和非晶态之间的转换来进行数 据0和1的存储，这种材料己被用于可重复擦写的CD和DVD存 储光盘中。PRAM器件具有非常简单的金属一绝缘体一金属 (M-I-M)结构，通过在电极两端施加不同高度和宽度的电脉冲 就可以使得相变薄膜材料在晶相和非晶相之间进行转换，使 得相变薄膜材料的电阻阻值在高、低阻态之间进行转换，从 而实现数据的储存。
磁记录材料先后经历了氧化物磁粉（γFe2O3）、金属合金磁粉（Fe－Co－Ni等合 金磁粉）和金属薄膜三个阶段。矫顽力和剩 磁都得到了很大的提升。
金属薄膜是高记录密度的理想介质。因为薄 膜介质是连续性介质，并具有高的矫顽力和 高的饱和磁化强度。这些正是高记录密度介 质所必备的性能。同时减薄磁层可减小退磁 因子，但输出信号也随之减弱，因此，需降 低磁头浮动高度，并提高磁头的灵敏度。
低阻态
电阻变化 R 高阻态
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
磁场 H
二、光信息存储材料
与磁存储技术相比，光盘存储有以下优势： 非接触式读/写，光头与光盘间有1～2mm距离，因此光 盘可以自由更换； 信息载噪比高，而且经多次读写不降低； 信息位的价格低；
抗磁干扰。
缺点：
光盘驱动器较贵，数据传输率较低，存储密度较低。
在未来10年内，磁存储和光盘存储仍为 高密度信息外存储的主要手段。今后高性能 的硬盘主要为计算机联机在线存储，以计算 机专业用为主。高性能光盘为脱机可卸式海 量存储和信息分配存储，以消费用为主。 提高存储密度和数据传输率一直是光盘存 储技术的主要发展目标。同时，多功能（可 擦重写）也是光盘存储技术的发展方向，也 由此才能与日益发展的磁盘存储技术竞争。
纵向磁化记录－磁化方向与记录介质的运
动方向平行的记录方式。如硬盘、软盘、磁 带等。提高其存储密度的方式主要是提高矫 顽力和采用薄的存储膜层。
垂直磁记录－磁化方向和记录介质的平面
相垂直的记录方式。它可彻底消除纵向磁记 录方式随记录单元缩小所产生的退磁场增大 的效应，因而更有利于记录密度的提高。同 时对薄膜厚度和矫顽力的要求可更宽松。但 其对信号的读出效率较差，要求磁头必须距 记录介质面很近。
一、磁性存储材料
在信息时代，大容量存储技术在信息处理、 传递和探测保存中占据着相当重要的地位。 经过一个世纪的发展，磁性存储取得了巨大 的进步，目前的磁记录密度已进入每平方英 寸数10吉位数的量级。 为了提高磁记录的密度，主要途径是增大介 质的Hc/Br并降低介质的厚度。但记录后的 输出信号正比于Br，因此提高介质矫顽力是 关键。
RRAM全称为“Resistive Random Access Memory"， 它主要是利用某些薄膜材料在电激励的作用下会出现不同电阻 状态(高、低阻态)的转变现象来进行数据的存储，这和PRAM 有相似的地方。但是与相变存储不同的是:PRAM是采用相变 材料，在电阻变化过程中，材料的晶体结构发生了变化;而对 RRAM来说，电阻变化过程中，施加的电场只影响材料的电子 结构，而晶体结构通常不变。电阻转变存储技术具有单极性电 阻转变和双极性电阻转变两种操作模式。RRAM的基本结构为 金属一绝缘体一金属(M-I-M)或金属一绝缘体一半导体(M-I-S) 结构，其中上面的金属薄膜作为上电极，中间的绝缘层作为阻 变功能层，下面金属或导电的半导体衬底用作下电极。具有阻 变现象的材料非常丰富，特别是一些与CMOS工艺兼容的二元 氧化物也被报道具有较好的阻变存储特性，使得RRAM存储技 术受到广大半导体公司的青睐。
FRAM的存储原理是利用铁电晶体材料(如PZT, SBT, BLT 等)的自发极化和在外界电场的作用下改变极化方向的特性来 进行数据存储。由于FRAM具有高速、低功耗和抗辐照等优 点，在汽车电子、计算机、军事和空间科学领域应用广泛。 世界各大公司，如Fujitsu, NSC,Samsung, Sharp, Siemens和Symetrix等，从20世纪90年代开始陆续推出各 自的FRAM产品。但是，当前FRAM还存在一些急需解决的 问题，如存储容量小、可靠性差，铁电材料与传统CMOS工 艺不兼容等。
1986 发现AF耦合
1988 发现GMR
1991 发明自旋阀
1994,GMR 记录磁头 1993第一个 GMR MRAM
2005,100Gb/in2 记录磁头 2005，1Gb MRAM
自旋阀典型结构
Protect layer AFM FM1 NM FM2 Buffer layer Sustrate
相变型光存储介质主要为Te（碲）和非Te 基的半导体合金。它们的熔点较低并能快速 实现晶态和非晶态的可逆转变。两种状态对 光有不同的发射率和透射率。但这种光存储 介质多次读写后信噪比会下降。
三、半导体存储技术
目前的半导体存储器市场，以挥发性的动态随机存储器 （DRAM)和静态随机存储器 (SRAM)及非挥发性的“闪存” 存储器Flash)为代表。其中具有非易失性、高速、高集成度 和电可擦除等优点的Flash是目前出货量最大的存储器产品。 目前NAND型Flash已发展到32 nm/64 Gbit量产的水的水 平。Flash存储器己发展成为当前工艺线宽最小、单片集成密 度最高、应用最广泛的集成电路产品。
R
R 2 R
R
两磁性层平行
e FM1 NM FM2 e
R R r
R
r
r
F R R R N
R
R r R
2 F L RF RN w(1 P ) w 2 F L RF RN w(1 P ) w
两磁性层反平行
F R R R N
GMR
PRAM具有高速、高密度、较高的存储窗口和多值存储潜力 等优点，并且PRAM的尺寸缩小能力优越，在10 nm以下相变 材料仍然能够表现出较好的相变特性。由于这些显著的优点， 使得相变存储器极有可能替代目前的Flash成为未来不挥发存 储器主流。但PRAM存在一个致命的缺陷，擦除(RESET)过程 需要较大的电流(>100μA)，大电流需要大尺寸的晶体管驱动， 造成存储密度的降低，同时增加了芯片的功耗，这己成为阻碍 其商用化最关键的问题。
MRAM主要是利用磁致电阻效应来实现高低两种电阻状态 的转换而达到二值存储的目的。磁致电阻效应是在磁性多层膜 中观察到的量子力学效应，多层膜由铁磁层和非磁层交叠而成， 当不同铁磁层的磁矩之间彼此平行时，载流子自旋相关的散射 截面极小，材料呈现低电阻;当不同铁磁层的磁矩之间彼此反 平行时，载流子自旋相关的散射截面极大，材料呈现高电阻。 MRAM的数据是以磁性状态(而不是电荷)存储，并且读取数据 是利用测量电阻来感知，不会干扰磁性状态，因此与现有的 Flash, SRAM, DRAM相比，MRAM具有存取速度快、存取次 数多、功耗低以及非挥发性等优点，具有广泛的应用领域。但 是，MRAM磁性材料薄膜的制备工艺比较复杂，在大面积制备 过程中薄膜的厚度容易出现波动，从而影响器件的均匀性和可 靠性，与传统CMOS工艺的兼容性还需要进一步优化。
铁电存储器(FRAM: Ferroelectric Random Access Memory) 磁存储器(MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory) 相变存储器(PCM: Phase Change Memory) 阻变存储器(RRAM: Resistive Random Access Memory)
磁光材料－具有显著磁光效应的磁性材料称 为磁光材料。主要为石榴石型铁氧体薄膜。 磁光效应－偏振光被磁性介质反射或透射后， 其偏振状态发生改变，偏振面发生旋转的现 象。由反射引起的偏振面旋转称为克尔效应； 由透射引起的偏振面旋转称为法拉第效应。
磁光存储的写入方式－利用热磁效应改变微小区域 的磁化矢量取向。磁光存储薄膜的磁化矢量必须垂 直于膜面。如果它的初始状态排列规则，如磁化方 向一致向下，当经光学物镜聚焦的激光束瞬时作用 于该薄膜的一点时，此点温度急剧上升，超过薄膜 的居里温度后，自发磁化强度消失。激光终止后温 度下降，低于居里温度后，磁矩逐渐长大，磁化方 向将和施加的外加偏臵场方向一致。因为该偏臵场 低于薄膜的矫顽力，因此偏场不会改变其它记录位 的磁化矢量方向。 磁光存储即有光存储的大容量及可自由插换的特点， 又有磁存储可擦写和存取速度快的优点。
而局域效应是指材料体内部分区域发生阻变现象产生的原因是在材料体内形成导电能力较强的导电通道这类阻变器件的低阻态电阻与器件的面积关系不大因此具有更好的可缩小性目前观测到的导电细丝尺寸最小可到几个纳米
信息存储材料
一、磁性存储材料 二、光信息存储材料 三、半导体存储技术 四、MRAM存储材料及技术 五、RRAM存储材料及技术
Flash存储器通过对器件的栅极、源极、漏极和衬底加 适当的电压激励，使得器件沟道中的电子被电场拉到浮 栅((floating gate)中并存储起来，而浮栅中所存储的 电子将导致器件阀值电压的增加，这种状态被用来存储 数据“0";通过相反的电压激励作用，浮栅中存储的电 子可以被电场拉出浮栅，使得器件阀值电压回复到原来 状态，这种状态被用来存储数据“1"。