Технологии памяти, основанные на хранение заряда (например, динамическая память с произвольным доступом (DRAM), флэш-память и т.д.), успешно уменьшались в размерах на протяжении последних десятилетий, достигая более высокой скорости и плотности записи при сохранении низкой стоимости. Однако память на основе хранения заряда постепенно приближается к физическому пределу масштабирования. В отличие от DRAM и флэш-памяти, будущая универсальная память должна быть основана на альтернативных к зарядовому принципах хранения информации. Для успешного применения новая универсальная память должна обладать низким рабочим напряжением, низким энергопотреблением, высокой скоростью работы, долгим временем хранения информации, высокой надежностью и иметь простую структуру. К альтернативным принципам хранения информации относятся: феномен резистивного переключения в изоляторах, эффект изменения магнитосопротивления, движение доменной стенки вдоль ферромагнитных нанопроволок, сегнетоэлектрический эффект и другие. Из технологий, использующих новые принципы хранения информации, наиболее перспективными кандидатами для создания будущей универсальной памяти являются магниторезистивная память с передачей спинового вращательного момента (STT-MRAM) и резистивная/ окислительно-восстановительная память (RRAM).
Главная проблема для массового производства RRAM – неравномерность ее характеристик. В первую очередь, для решения этой проблемы необходимо более глубокое понимание феномена резистивного переключения. Создание моделей, описывающих резистивное переключение, имеет первостепенное значение для будущего прогресса в технологии RRAM. В диссертации представлена новая стохастическая модель резистивного переключения. Результаты моделирования, полученные на основе этой модели, хорошо согласуются с экспериментальными результатами.
Для STT-MRAM основной задачей является уменьшение плотности тока переключения без ущерба для термической стабильности структуры. Микромагнитное моделирование вносит значительный вклад в решение этой проблемы за счет оптимизации структуры STT-MRAM ячеек. В диссертации предлагается новая структура STT-MRAM с составным свободным слоем, проводится ее моделирование и оптимизация. Кроме того, изучаются проблемы надежности STT-MRAM. В диссертации описан новый механизм отказа в переключении STT-MRAM, основанной на магнитном туннельном переходе (MTJ), через формирование поперечной доменной стенки в свободном слое. Продемонстрирован способ использования этого паразитного эффекта для построения эффективного нано осциллятора на основе спин-вращательного момента. Используя микромагнитное моделирование, было показано, что структура имеет широкий диапазон перестройки частот колебаний от нескольких ГГц до нескольких десятков ГГц.