< Terug naar vorige pagina

Project

Spin- Torque Majority Gate Apparaten

Het wordt steeds uitdagender om de conventionele Complementaire Metaal Oxide Halfgeleider (Engels: Complementary Metal-Oxide Semiconductor of CMOS) technologie te schalen zonder zijn prestatie te schaden. Daarenboven wordt de miniaturisatie van de huidige geheugen hiërarchie ook moeilijker. Om deze beperkingen te omzeilen, worden alternatieven verkend die fundamenteel verschillend zijn van de huidige elektronica. Deze gaan verder dan de CMOS schaallimieten (Beyond-CMOS) of geheugen hiërarchie. In dit opzicht wordt spintronica naar voren geschoven als een mogelijk alternatief, aangezien spintronische componenten een aantal voordelen hebben waaronder lage energie, niet-vluchtigheid, en verenigbaarheid met CMOS.

Een van de manieren om spintronische componenten te produceren is door de logische informatie op te slagen in magnetische domeinmuren. Spin-logica gebaseerd op de verschuiving van domeinmuren bezit unieke eigenschappen zoals niet-vluchtigheid, hoge uitvoeringssnelheid en ultra-laag energieverbruik. Menige concepten gebaseerd op magnetische domeinmuren werden reeds verkend voor logica en opslag van informatie. Echter, het gebrek aan volledig-elektrische controle belemmert hun gebruik in de praktijk. Het gebruik van magnetische tunneljuncties kan hier een oplossing bieden om de domeinmuren op een elektrische manier te kunnen aansturen.

In deze thesis richten we ons op de aantoning van functionele apparaten gebaseerd op domeinmuren op de nanoschaal met een elektrische lees/schrijf methode dankzij de integratie van magnetische tunneljuncties. Hiertoe concentreren we ons op drie belangrijke vereisten. Ten eerste willen we een snelle, gelijkmatige en gerichte verschuiving van de domeinmuren. Ten tweede zijn we op zoek naar een efficiënte transductie tussen het elektrisch en het spindomein. Ten laatste doelen we op een makkelijke fabricage van de apparaten waarbij de fabricage werkt voor een breed bereik aan instellingen, verenigbaar met CMOS technologie.

We kiezen een Pt/Co-gebaseerd materiaal voor de baan waarin de domeinmuren zich verplaatsen, zodat het mogelijk is de domeinmuren efficiënt te verschuiven door stroom (SOT). Aan de hand van Kerr microscopie bestuderen we het gedrag van de domeinmuren in onze Pt/Co baan en bevestigen we dat de domeinmuren zich kantelen ten opzichte van de baan, zoals voorspeld door micromagnetische simulaties. We ontdekken dat dit een hoge technologische impact heeft op de prestatie van de apparaten gebaseerd op de verschuiving van domeinmuren. Daarom bestuderen we ook het gedrag van de domeinmuren in iets meer complexe materialen bestaande uit Pt/Co/Ru/Co waarbij de dikte van de Ru laag bepaalt of de Co-lagen ferro- of antiferromagnetisch gekoppeld zijn. We bevestigen door experiment dat de kanteling van de domeinmuren kan gereduceerd worden wanneer de Co-lagen ferromagnetisch gekoppeld zijn, en de kanteling kan vermeden worden wanneer de Co-lagen antiferromagnetisch gekoppeld zijn. Dankzij de antiferromagnetische koppeling, bekomen we ook een gelijkmatige verschuiving van de domeinmuren zodat de domeinmuren behouden blijven wanneer ze regelmatig over en weer verschoven worden tijdens het gebruik van de apparaten.

Voor het schrijven en uitlezen van de domeinmuren, kiezen we magnetische tunneljuncties die reeds ontwikkeld werden voor MRAM technologie. De vrije laag is gebaseerd op CoFeB/MgO en biedt een efficiënte manier om domeinmuren te schrijven via STT en biedt ook een hoge signaal-ruis verhouding voor het uitlezen van de domeinmuren dankzij TMR. We ontwikkelen een hybride vrije laag waarin we de goede lees/schrijf eigenschappen van CoFeB/MgO combineren met de goede transport eigenschappen van de Pt/Co gebaseerde materialen. We optimaliseren de verscheidene lagen in onze hybride vrije laag en tonen aan in MRAM pillaren dat het met deze hybride laag nog steeds mogelijk is om informatie te lezen en te schrijven. Daarenboven bevestigen we aan de hand van studies in Hall bars en in uitgestrekte lagen, dat de hybride vrije laag de mogelijkheid biedt om functionele apparaten te vervaardigen met magnetische tunneljuncties als de lees- en schrijfcomponenten.

We tonen een eerste proof-of-concept van deze apparaten aan, gevolgd door een gedetailleerde studie over het gedrag van de domeinmuren in onze apparaten op nanoschaal. We voeren depinning metingen uit gedreven door magnetisch veld of elektrische stroom, en vinden dat de verschuiving van domeinmuren asymmetrisch is. We ontdekken dat de verplaatsing van een up/down domeinmuur makkelijk kan aangetoond worden, terwijl het onmogelijk is een down/up domeinmuur te verschuiven. We vermoeden dat deze asymmetrie een gevolg is van demagnetisatievelden van de magnetische tunneljuncties. Dit vermoeden wordt ondersteund door micromagnetische simulaties. Bovendien vinden we dat deze asymmetrie uitvergroot wordt door de ferromagnetische koppeling tussen de twee Co-lagen. Daarom stellen we voor om antiferromagnetische koppeling te gebruiken en bevestigen door simulaties dat de asymmetrie hiermee opgelost kan worden.

Tenslotte geven we een overzicht van mogelijke toepassingen voor logica of informatie-opslag, met onze apparaten gebaseerd op domeinmuren opgebouwd met onze hybride vrije laag. We tonen aan dat simpele logische functies zoals de AND en OR functie kunnen uitgevoerd worden met onze apparaten. We vinden ook dat het mogelijk is om het lezen en schrijven van onze apparaten uit te voeren in banen waarvan de geometrie complexer is. We geloven dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om onze bevindingen te combineren met een intelligent ontwerp van de banen waarin domeinmuren getransporteerd worden, om functionele apparaten met elektrische controle uit te werken voor toepassingen in de logica en de informatie-opslag.

Datum:6 okt 2016 →  2 mrt 2022
Trefwoorden:STMG, Spintronics, Spin Transfer Torque
Disciplines:Andere ingenieurswetenschappen en technologie, Klassieke fysica, Elementaire deeltjesfysica en hoge-energie fysica, Andere fysica
Project type:PhD project