Elektrische controle van magnetische racetrackgeheugendevices op basis van synthetische antiferromagnetische materialen

ACHTERGROND Naarmate de vraag naar snellere, kleinere en energiezuinigere apparaten toeneemt, bereiken conventionele geheugens zoals SRAM en DRAM hun schaallimieten. Onlangs is STT-MRAM (spin transfer torque magnetic random access memory) met succes geïntroduceerd als een overtuigende kandidaat voor on-chip geheugentoepassing en. Dit eerste succes vraagt om verdere verkenningen van andere spintronica concepten. Alternatieve schakelmechanismen zoals spin-orbit torque (SOT) of spanningsregeling van magnetische anisotropie (VCMA) worden al actief onderzocht om nieuwe toepassingen van MRAM's mogelijk te maken. Terwijl traditionele MRAM afhankelijk is van individuele knooppunten om een enkele magnetische bit aan te pakken, ontstaan er nieuwe concepten die tot doel hebben magnetische bits van de ene pilaar naar de volgende te verplaatsen via domein-muurtransport. Dit concept belooft de geheugendichtheid verder te vergroten en tegelijkertijd een hoge doorvoer mogelijk te maken voor toepassingen met hoge bandbreedte, zoals machine learning. STAND-OF-THE-ART EN UITDAGINGEN Een-op-een domeinmuur gebaseerd geheugenapparaat is samengesteld uit magnetische tunnelovergangen (MTJ) als invoer/uitvoer die onderling zijn verbonden via een magnetisch spoor. Domeinwanden worden genucleëerd (door STT, SOT of zelfs VCMA) onder een pilaar en worden vervolgens door een aangelegde stroom naar de uitgang geduwd. Hoewel het basisconcept relatief eenvoudig is, is het meeste onderzoek naar de propagatie van domeinwanden gedaan op relatief grote structuren en zonder MTJ-integratie. Bij Imec willen we de uitdagingen met betrekking tot dit concept aanpakken in een sterk geschaald apparaat. Wat zijn geschikte materialen voor hoge domeinmuursnelheid? Wat kan als betrouwbaar mechanisme worden gebruikt om de muur op een specifieke plaats te verplaatsen en te bevestigen? Welk apparaatconcept is het meest praktisch? Naast de geheugentoepassingen is er momenteel een sterke interesse in op DW gebaseerde concepten voor machine learning. Dit vooral omdat ze het op een relatief eenvoudige manier mogelijk maken om een analoge in-memory computing te implementeren. EXPERIMENTELE DETAILS & METHODOLOGIE Imec ontwikkelt de basisbouwstenen van dit DW-apparaat voor geheugen en machine learning. De apparaten worden gefabriceerd op 300 mm-wafels in de ultramoderne cleanroom. Tijdens dit doctoraat werk je mee aan de karakterisering van deze nieuwe soorten toestellen. Dit betekent het uitvoeren van elektrische metingen op een (magnetische) sonde van 300 mm, maar ook het ontwikkelen van uw eigen meetschema en routine die specifiek nodig zijn voor de analyse van het domeinwandapparaat. Het einddoel is om de fysica te onderzoeken die de functionaliteit van het apparaat bepaalt. Als zodanig wordt ook verwacht dat je het ontwerp van de volgende generatie apparaten begeleidt die gebruik zouden maken van de fysica van domeinwallen. Verwacht wordt dat de elektrische metingen zullen worden aangevuld met micromagnetische simulatie, die nodig is om de dynamiek van deze apparaten en hun beperkingen te begrijpen. DE SLEUTEL VAN HET PH.D-ONDERZOEK IS: 1) Bestudeer de fysica van domeinwandpropagatie in magnetische domeinwandapparaten van de volgende generatie 2) Studie van materiaal voor domeinwandtransport in specifieke teststructuren (hallbars) 3) Diepgaande elektrische karakterisering van volledig geïntegreerd apparaat 4) Ontwikkeling van DW-specifieke meetschema's 5) Voer micromagnetische simulaties uit om uw waarnemingen te ondersteunen 6) Je maakt deel uit van een collectieve inspanning: er wordt een sterke interactie met de dunne film (materiaal) groep en andere apparaatkarakteriseringsleden verwacht 7) Als onderdeel van een team ook betrokken zijn bij de conceptualisering en evaluatie van apparaatontwerpen/concepten voor efficiënte beweging van domeinwanden in besloten structuren In een eerste fase zal de student een uitgebreid literatuuronderzoek uitvoeren naar de fysica van domeinwandtransport, STT- en SOT-gedreven dynamica en de verschillende apparaatconcepten gebaseerd op domeinwandtransport. Dit doctoraat zal gericht zijn op de elektrische karakterisering van volledig geïntegreerde domeinwandapparaten, waarbij de nadruk zal worden gelegd op het begrijpen van de mogelijke faalwijzen, het identificeren van de showstoppers en het leggen van een relatie met de gebruikte materialen en de apparaatintegratie. Ter ondersteuning hiervan wordt verwacht dat de student ook deelneemt aan: het bestuderen van domeinwandtransport in vereenvoudigde apparaten, om de impact van materiaal op transport te identificeren. Tegelijkertijd zal micromagnetische modellering (OOMMF, mumax) worden uitgevoerd om het elektrische gedrag van het apparaat te informeren en de potentiële geometrie en het te gebruiken materiaal te sturen. Ten slotte zal de diepgaande kennis worden gebruikt om de ontwikkeling van de volgende iteratie van apparaten te begeleiden en te definiëren wat de resterende belangrijkste uitdagingen van deze technologie zijn.