Experimentele inrichtingen voor non-vluchtige, laag vermogen en ultrasnelle magnetische geheugens

Er is veel belangstelling voor het elektrisch regelen van nanomagneten (Spintronic) om niet-vluchtige magnetische geheugens (MRAM) te ontwikkelen. De meeste geavanceerde MRAM-apparaten zijn magnetische tunneljuncties (MTJ) die bestaan uit twee ferromagnetische lagen gescheiden door een zeer dunne oxidebarrière, waarbij één van de lagen de opslaglaag is en de andere wordt gebruikt als referentielaag. Afhankelijk van de relatieve oriëntatie van de magnetisatie van deze twee lagen (parallel / anti-parallel), vertoont de MTJ-cel een lage / hoge weerstand door het magneto-weerstandseffect van de tunnel (TMR), waardoor de leestoestand (0/1) wordt gedefinieerd. De schrijfbewerking is gebaseerd op Spin Transfer Torque (STT), wat de overdracht is van het spin-impulsmoment van de referentielaag naar de vrije laag die uiteindelijk omkeerbaar de opslaglaag tussen twee stabiele toestanden kan schakelen (gedefinieerd door zijn magnetische anisotropie). Hoewel STT-MRAM vereist dat grote stroom door de oxidebarrière moet worden geïnjecteerd voor schrijven, wat resulteert in problemen met betrouwbaarheid en uithoudingsvermogen bij zeer snelle bewerkingen. Spin-orbit Torque (SOT) is een alternatieve spinstroombron afkomstig van de spin-orbit-interactie en gemedieerd door Spin Hall- en Rashba-interacties - de exacte onderliggende fysica is complex en wordt nog steeds diep besproken in de literatuur. SOT onderscheidt zich door de mogelijkheid te bieden om met behulp van in-plane-stromingen van magnetisatie te veranderen, in tegenstelling tot STT die een stroomsterkte in de verticale richting door MTJ vereist. Dat maakt ontkoppeling van lezen (TMR) en schrijven (SOT) pad mogelijk en deze nieuwe 3-terminal geometrie lost natuurlijk de oxidebarrière doorslagproblematiek van de STT-MTJ op. De proof-of-concept van zo'n SOT-MRAM werd onlangs bevestigd en robuuste deterministische magnetisatieomkering op sub-ns schaal werd aangetoond. De activiteit van het promotieonderzoek zal zich eerst richten op twee hoofdthema's van SOT-MTJ om de haalbaarheid van de integratie aan te tonen: i. schrijfstroom is nog steeds buitensporig voor toepassingen en de vermindering ervan zal plaatsvinden door het gebruik van grote SOT-metalen (W, Pt, Ta ...) en door het ontwikkelen van nieuwe materialen die gericht zijn op nog grotere SOT, ii. SOT-mechanisme vereist de toepassing van een extern veld om de symmetrie van het systeem te doorbreken en deterministisch schakelen te verkrijgen, maar recente publicaties hebben nieuwe wegen geplaveid voor de realisatie van veldvrij schakelen van SOT-MTJ, bijvoorbeeld door dit externe veld om te zetten in interne veld door het gebruik van antiferromagnetische materialen. MTJs-eigenschappen zijn erg gevoelig voor stacksamenstelling en een eerste uitdaging van het proefschrift is om erin te slagen deze nieuwe materialen te integreren met behoud van MTJs-benchmarkkenmerken. De tweede uitdaging is het aantonen van sub-ns switching op 0-field, waarbij het uiteindelijke doel is om dergelijke apparaten in een geheugendemonstrator te integreren. Een ander nieuw magnetisatiemechanisme zal ook tijdens het proefschrift worden bestudeerd.