Dynamik och Inneboende Variabilitet hos Spinntronik-enheter
Tid: Fr 2023-10-13 kl 10.00
Plats: Ka-Sal B (Peter Weissglas), Kistagången 16, Kista
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/64577443824
Språk: Engelska
Ämnesområde: Informations- och kommunikationsteknik
Respondent: Corrado Carlo Maria Capriata , Elektronik och inbyggda system
Opponent: Associate Professor Dan Kuylenstierna, Microwave Electronics Laboratory, Chalmers University of Technology, Sweden
Handledare: Professor B. Gunnar Malm, Elektroteknik; Associate Professor Per-Erik Hellström, Elektronik och inbyggda system
Abstract
Spinntronik är ett vetenskapligt område som fokuserar på att utnyttja elektronens spin för informationsbehandling. Denna aspekt skiljer spinntronik från elektronik, som endast utnyttjar elektronens laddning. En vanlig syfte med spintronik-komponenter är att implementera ytterligare funktionalitet i toppmodern Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) -teknologi. Syftet med detta arbete var att utvärdera de inneboende variabiliteterna hos Nano-Constriction Spin Hall Nano-Oscillators (NC-SHNOs) och dynamiken hos Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions (pMTJs).
Den första delen av avhandlingen fokuserar på NC-SHNOs och tvådimensionella matriser. De är nanometerstora mikrovågsgeneratorer som möjliggör ett brett frekvensområde och är kompatibla med CMOS Back End Of Line (BEOL). Dessa komponenter är baserade på ett tungmetall/ferromagnetisk bilager. Miljöförhållanden under bearbetning, tillverkningstekniker och driftstemperatur kan alla skapa variabiliteter i komponentens funktion. Kristallisationskorn bildas naturligt under metallskiktens sputtring. Karaktärisering med Atomic Force Microscope (AFM) visade att kornen hade olika former och var ungefär 30 nm i storlek. Här var målet att utveckla en simuleringsmetod baserad på att importera den uppmätta kornstrukturen i mikromagnetiska simuleringar. Deras resultat matchar variabiliteten mellan enheter och det multimodala beteendet som återfinns i mikrovågsmätningar. Dessutom påverkar närvaron av korn synkroniseringen av matriserna.
Den andra delen av detta arbete fokuserar på pMTJs. Dessa icke-flyktiga minneselement har två metastabila tillstånd, parallella (P) och antiparallella (AP), separerade av en energibarriär Eb. Här var målet att visa deras potential som sanna slumptalsgeneratorer (TRNGs). En uppsättning pulsmätningar användes för att generera slumpmässiga bitströmmar. Slumpmässigheten bekräftades av National Institute of Standards and Technology Statistical Testing Suite (NIST-STS). Efter en XOR-steg för att göra strömmen mer vit passerades alla tester framgångsrikt.
Studien slutfördes med utvecklingen av en modell som beskriver både makrospinn och domänvägg-medierade magnetiseringsrevereseringar, det vill säga övergångar mellan P- och AP-tillstånd. Analysen av reverseringssdynamiken utfördes med mikromagnetiska simuleringar och String Method-beräkningar. Som förväntat minskas Eb av fältet och genom att minska komponentens storlek. Detta möjliggör snabbare fluktuationer och identifierar komponenten som en potentiell TRNG. Både försöksfrekvensen för reversering och energibarriären utforskades med hjälp av mikromagnetiska simuleringar vid ändlig temperatur.
Resultaten som presenteras här visar nödvändigheten av noggrann hänsyn till lagrens brister för att skapa övertygande neuromorfiska enheter. Dessutom bevisar detta arbete spinntronik-enheters effektivitet som TRNGs med en frekvens på 10s-MHz.