IBM und Stanford arbeiten an MRAMs

IBM und die Stanford-Universität wollen bei Spintronics (Spin-based Electronics) zusammenarbeiten. Die Technik soll schon in diesem Jahr zu ersten funktionsfähigen Mustern von magnetischem RAMs (MRAM) als Alternative zu stromhungrigem und flüchtigem dynamischem RAM (DRAM) führen. MRAMs speichern Daten auch ohne Stromzufuhr und sollen Computer ohne Bootphasen ermöglichen sowie eine Alternative zu herkömmlichen elektrischen Flash-Speichern darstellen. Deren Weiterentwicklung sind bezüglich der Schaltgeschwindigkeit Grenzen gesetzt.

Spintronics nutzen den Elektronenspin aus -- eine Quanteneigenschaft, die wie ein kleiner Kreisstrom zu einem Magnetfeld führt, wobei der Name "Spin" von der Ähnlichkeit zu Kreiseln herrührt. Der Spin von Elektronen kann nur die zwei Zustände "up" und "down" annehmen. Der 1988 entdeckte GMR-Effekt (Giant Magnetoresistance) entsteht durch unterschiedliche Beweglichkeit der Elektronen je nachdem, ob der Spin parallel oder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung von geeigneten magnetisierbaren Materialien orientiert ist.

MRAM-Zellen und Festplattenköpfe bestehen im Wesentlichen aus zwei ultradünnen, parallel zum Schichtaufbau magnetisierten Schichten, die durch eine elektrisch leitende Schicht getrennt sind. Bei gleicher Magnetisierung der beiden Schichten wird nur der Teil der Elektronen gebremst, deren Spin nicht parallel zur Magnetisierungsrichtung ist. Bei entgegengesetzter -- anti-paralleler -- Ausrichtung der beiden Magnetschichten dagegen werden alle Elektronen durch eine der beiden Schichten gebremst; der Unterschied im Widerstand beträgt bis zu 15 Prozent. Dieser Effekt ermöglicht die Messung sehr viel schwächerer Magnetfelder beziehungsweise kleinerer magnetisierter Bereiche und hat ab 1997 den Kapazitätssprung bei Festplatten um den Faktor 20 ermöglicht.

Bei MRAM-Zellen setzt man allerdings auch auf den ähnlichen Tunneling-Magnetoresistance-Effekt (TMR). Er unterscheidet sich vom GMR-Effekt unter anderem dadurch, dass die elektrisch leitende Schicht zwischen den zwei Magnetschichten durch eine isolierende ersetzt wird. Durch sie können die Elektronen leichter tunneln, wenn die magnetische Orientierung der beiden Schichten parallel ist. Bei antiparalleler Orientierung beträgt der Unterschied im Widerstand bis zu 60 Prozent und lässt sich dadurch zuverlässiger messen.

Dass MRAMs trotz der ausgereiften Technik bei Festplatten noch nicht massenweise produziert werden, liegt am Kostenvorteil für herkömmliche DRAM-Speicher und elekrische Flash-Speicher. Dies soll sich erst ab einer Strukturgröße von unter 100 Nanometern zugunsten von MRAMs ändern. Serienreife MRAMs mit konkurrenzfähigen Speicherkapazitäten wollen die IBM-Infineon-Allianz, das NEC-Toshiba-Jointventure im kommenden Jahr präsentieren. Unterdessen haben Motorola und Cypress/NVE bereits Muster mit 256 KBit und 4 MBit vorgestellt. (mhe)