Viele Jahrzehnte wurden ladungsbasierte Speichertechnologien (z.Bsp. DRAM, Flashspeicher etc.) erfolgreich verkleinert, um höhere Geschwindigkeit und größere Integrationsdichte bei gleichzeitig geringeren Kosten per Bit zu erzielen. Allerdings nähern sich Speicher, die ladungsbasiert sind, den physikalischen Grenzen der Skalierbarkeit. Im Gegensatz zu DRAM und Flashspeicher sollte ein zukünftiger universeller Speicher keine Speicherung elektrischer Ladung benötigen und auf alternativen Prinzipien zur Informationsspeicherung beruhen. Für den erfolgreichen Einsatz eines neuen universellen Speichers muss dieser auch eine niedrige Arbeitsspannung, geringen Energieverbrauch, hohe Arbeitsgeschwindigkeit, lange Speicherzeit, lange Lebensdauer und eine simple Struktur aufweisen. Alternative Prinzipien zur Informationsspeicherung umfassen den Widerstandswechseleffekt in Isolatoren, den magnetoresistiven Effekt, die Domänenwandbewegung in Racetrack-Speichern, den ferroelektrischen Effekt und weitere. Unter den Technologien, die diese neuen Speicherprinzipien verwenden, sind STT-MRAM und RRAM die vielversprechendsten Kandidaten für zukünftige universelle Speicher.
Hierbei erscheint die Uneinheitlichkeit der Bauteileigenschaften die größte Herausforderung bei der Herstellung von RRAM in grossem Maßstab zu sein. Um dieses Problem zu lösen, wird in erster Linie ein besseres Verständnis der Widerstandswechselphänomene benötigt. Die Entwicklung von genauen und flexiblen Schaltmodellen ist unverzichtbar für den zukünftigen Fortschritt in der RRAM-Technologie. In der Doktorarbeit wird ein neues stochastisches Modell des resistiven Schaltens präsentiert. Die mit dem stochastischen Modell erhaltenen Simulationsergebnisse decken sich gut mit den experimentellen Ergebnissen.
Hingegen stellt die größte Herausforderung für STT-MRAM die Reduktion der Schaltstromdichte dar, ohne den thermischen Stabilitätsfaktor zu verschlechtern. Mikromagnetische Simulationen tragen durch die Optimierung der STT-MRAM Speicherzellen erheblich dazu bei, dieses Problem für STT-MRAM zu lösen. In dieser Arbeit wird das neue Konzept einer STT-MRAM Struktur mit freier Kompositlage vorgeschlagen, simuliert und optimiert. Zusätzlich werden Zuverlässigkeitsprobleme studiert. Ein neuer Mechanismus für Schaltversagen eines MTJ-basierenden STT-MRAM durch die Formierung einer transversen Domänenwand in der freien Schicht wird präsentiert. Eine Methode wird gezeigt, um diesen parasitären Effekt für einen effizienten Spin-Torque-Oszillator zu nutzen. Mittels umfangreicher mikromagnetischer Modellierung kann gezeigt werden, dass diese Struktur über eine breite Abstimmbarkeit der Oszillationsfrequenz verfügt, beginnend mit ein paar GHz bis hin zu mehreren 10 GHz.