Elektronika spinowa w technice komputerowej

Transkrypt

1 Elektronika spinowa w technice komputerowej Przegląd badań prowadzonych w AGH T. Stobiecki Katedra Elektroniki AGH Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

2 Mapa drogowa Spintroniki Plan Zapis magnetyczny twardy dysk, głowica Motywacja: Green I(nformation) T(echnology) Technologia wytwarzania magnetycznych złącz tunelowych (MTJs) sputtering nanostrukturyzacja litografia elektronowa Własności magnetycznych złącz tunelowych (MTJs), TMR Dynamika magnetyzacji Spin Transfer Torque (STT) Przełączanie prądem spinowo-spolaryzowanym STT-RAM z anizotropią prostopadłą i anizotropią w płaszczyźnie Podsumowanie Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

3 Dlaczego spintronika jest ważna? ŁADUNEK SPIN Semiconductor Devices and Integrated Curcuits Metal Spintronics MRAM + Circuit Technology SPINTRONICS Magnetic Recording and Magnetic Sensors Semiconductor Spintronics NANOTECHNOLOGIA Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

4 Year 1857 Magnetoresistance MR ratio (RT & low H) AMR effect MR = 1~2% Device applications HDD head Lord Kelvin Magnetoresistance in NiFe films (1973) GMR effect MR = 5~15% Inductive head A. Fert, P. Grünberg, 2007 Nobel Prize TMR effect MR = 20~70% MR head T. Miyazaki, J. Moodera GMR head STT J. Slonczewski, L. Berger 1966 Memory Giant TMR effect MR = 200~1000% TMR head MgO -TMR head MRAM Spin Torque MRAM Novel devices Microwave, E-control, Spin Orbit Torque Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

5 Pamięci masowe historia zapis magnetyczny (analogowy) T. Edison nagranie i odtworzenie dźwięku z woskowego cylindra zapis niemagnetyczny V. Poulsen telegrafon zapis na drucie stalowym ( = 1mm) prędkość zapisu 2m/s Prezentacja telegrafonu na światowej wystawie w Paryżu Lata dwudzieste XX wieku - L. Blattner Blattnerphone - zapis na taśmie stalowej (grubość 0.05mm, szer. 3mm) prędkość zapisu 1m/s F. Pflumer zapis na taśmie papierowej pokrytej klejem z opiłkami żelaza Lata trzydzieste XX wieku -BASF pierwsze taśmy z tworzyw sztucznych pokryte tlenkami żelaza. Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

6 Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

8 Jak zwiększyć gęstość zapisu informacji? Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

9 Magnetofon szpulowy do dotwarzania dźwięku lata czterdzieste XX wieku. Obok szpula magnetyczna. Walkman firmy Sony model WM-GX302 z wbudowanym radioodbiornikiem. Typowa kaseta kompaktowa (na fotografii firmy TDK). Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

10 Historia odtwarzania cyfrowego (HDD) 1956 HDD of IBM, random access method of accounting and control (RAMAC) 1980 głowica indukcyjna 1990 zapis na cewce indukcyjnej, odczyt na czujniku AMR sensor 1996 GMR czujnik ~2000 TMR czujnik > dysk z zapisem prostopadłym, nieciągły (patterned ) Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

11 ? Molecular Magnets 100 Tb/in 2 10 Tb/in 2 limit TAR, patterned media Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

12 HDD First Hard Disk Drive with 24" Diameter Disks Compared with Modern 2.5" HDD. The first HDD was introduced in 1956 with 50 disks of 24" diameter holding a total of 4.4 Mbytes of data. The purchase price of this HDD was $10,000,000 per Gbyte. For comparison in the foreground a modern HDD is shown holding 160 Gbyte of data on two 2.5" diameter disks at a purchase price of less than $1 per Gbyte. Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

13 Miniaturyzacja HDD Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

14 Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

15 HDD The slider carrying the magnetic write/read head. The slider is mounted on the end of head gimbal assembly (HGA) The magnetic disks (up to 10) in diameter inches RPM it is related to about 100 km/h The air-bearing surface (ABS) allowing the head to fly at a distance above the medium about 10 nm Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

16 Schematic representation of a longitudinal recording process Magnetic force micrograph (MFM)of recorded bit patterns. Track width is 350 nm recorded in antiferromagnetic coupled layers (AFC media) Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

17 Ewolucja zapisu gęstości informacji Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

18 Technologia twardego dysku Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

19 Termiczna stabilność zapisu magnetycznego f f 0 exp W kt where W = K u V (6) W is energy barier, K u is the uniaxial anisotropy constant, V is grain volume. If the grains become very small, the magnetization switch very easily which leads to superparamagnetic efect. Estimation of minimum grain size (example): K u = J/m 3. Bit stored 10 years at room temperature (f< Hz at T=300 K), than diameter of spherical grain is 9 nm. Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

20 Ziarna/krystality materiału dyskowego Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

22 HDD- głowica No more, MR 10% Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

23 Głowica ewolucja technologiczna Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

24 ? Molecular Magnets 100 Tb/in 2 10 Tb/in 2 limit TAR, patterned media Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

25 HDD The slider carrying the magnetic write/read head. The slider is mounted on the end of head gimbal assembly (HGA) The magnetic disks (up to 10) in diameter inches RPM it is related to about 100 km/h The air-bearing surface (ABS) allowing the head to fly at a distance above the medium about 10 nm Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

26 Odległość głowica - dysk Wysokość lotu głowicy nad dyskiem, zależy od: od struktury poduszki powietrznej (ABS). Ślizgacz powinien być tak skonstruowany aby, redukował opory podczas lotu głowicy nad powierzchnią dysku szorstkości powierzchni dysku (stosuje się szkło w microdrive) trybologiczne powierzchnie (diamond-like carbon sputtered, high hardness and corrosion resistant, lubricant perflouropolyethers (PFPE) highly chemicaly and thermaly stable) mechanika i sprężyste własności ramienia Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

27 Sliders - ślizgacze The air-bearing surface of the slider is structured by ion milling and photolitographic process. Nano-sliders works at the glide height!! The nanoal 2 O 3 -TiC slider ( mm) with etched rails. The pico-slider ( mm). SEM image of Pico-slider. Note the four bonds for read/write head. Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

29 HDD-głowica TMR Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

34 Writing energy (pj/bit) after T. Nozaki AIST Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie GREEN IT, Present status of writing energy for MRAM Spin-transfer torque (STT) - RAM TSMC&Qualcomm 2009 Everspin2010 Hitachi&Tohoku 2010 Samsung 2011 Everspin2010 Toshiba2008 MagIC-IBM 2008 Everspin 2010 Avalanche 2010 SONY 2005 Toshiba 2012 MagIC-IBM 2010 Grandis 2010 STT+voltage effect Voltage effect Target < 1 fj/bit Φ10nm Φ30nm Φ100nm MTJ size ( m 2 ) MRAM (Øersted field) MRAM STT-RAM IBM2003 Energy required for data retention (60 k B T) Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

35 MRAM-Info: Everspin starts sampling 256Mb ST-MRAM chips, plans 1Gb chips by the end of 2016 Everspin starts sampling 256Mb ST-MRAM chips, plans 1Gb chips by the end of 2016 Posted: 14 Apr :52 PM PDT Everspin announced that it started shipping 256Mb ST-MRAM samples to customers. Everspin also plans to increase the density and sample 1Gb ST-MRAM chips later this year. The new chips demonstrate interface speeds comparable to DRAM, with DDR3 and DDR4 interfaces. Volume production is expected "soon". The new EMD3D256 chips are based on Everspin's proprietary perpendicular magnetic tunnel junction (pmtj) spin torque technology - and the company expects the new technology to enable it to produce ST-MRAM in lower geometries - and higher densities beyond 1Gb in the future. Everspin says that the company shipped more than 60 million MRAM discrete and embedded products - into data centers, cloud storage, energy, industrial, automotive, consumer, and transportation markets. In October 2014 Everspin said they shipped a total of 40 million MRAM chips - which means that in a year and a half the company sold 20 million chips. This actually represents a deceleration, as from August 2013 to October 2014 the company shipped 30 million chips (if our estimates are correct). Everspin's chips are higher density now, though. The new chips are the first noes produced at GlobalFoundries 300mm manufacturing MRAM line, following the agreement signed in October Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

39 Green IT after S. Yuasa (2012) Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

40 Tunneling Julliere s model Ferromagnetic-electrode 1 Insulator Ferromagnetic-electrode 2 Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

41 P. Wisniowski, J. Kanak, et al. J. Appl. Phys. 100 (2006) J. Kanak, et al. Vacuum 82 (2008)1057 Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

42 Barrier quality XRD rocking curve Intensity [counts/sec] a b IrMn(111) [deg] AFM a) RMS = 0.3 nm b) RMS = 0.6 nm XRD pole figure a) b) a2_m - IrMn[111] b2_m - IrMn[111] Ta IrMn buffer J. Kanak Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

43 MgO - TMR vs. RA TMR [%] nat ox CAPRES nat ox patterned plasma ox CAPRES plasma ox patterned Freescale MgO_4 Anelva2006 (MgO+Mg) Anelva2006 (MgO) TDK2006 0,1 1,0 10,0 100, , ,0 RA [ µm²] H. Maehara et al. Applied Physics Express 4 (2011) Politechnika Politechnika Wrocławska, Wrocławska, Instytut Katedra Materiałoznawstwa Mechaniki i Inżynierii i Mechaniki Materiałowej Technicznej

44 Magnetic field switching AP TMR = 100% P Resistance switching by external magnetic field Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

45 Curent Induced Magnetization Switching - CIMS TMR = 100% 1 AP 0 P Resistance switching by spin polarized current from SpinTransfer Torque (STT) Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

46 Transmission electron Microscopy (TEM) of TMR multilayers AF 0.9nm FFT (001) MgO L. Yiao, S. van Dijken Aalto Univ. TEM EDX Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

47 Sputtering deposition (industrial process) Singulus TIMARIS Oxidation Module Low Energy Remote Atomic Plasma Oxidation; Natural Oxidation; Soft Energy Surface Treatment Soft-Etch Module (PreClean, Surface Treatment) Multi Target Module Top: Target Drum with 10 rectangular cathodes; Drum design ensures easy maintenance; Bottom: Main part of the chamber containing LDD equipment Transport Module (UHV wafer handler) Cassette Module (according to Customer request) Ultra High Vacuum Design: High Throughput (e.g. MRAM): High Effective Up-time: Base Pressure 5*10-9 Torr (Deposition Chamber) 9 Wafer/Hour (1 Depo-Module) 18 Wafer/Hour (2 Depo-Module) Courtesy of Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

48 TMR & RA vs. MgO barrier thickness W. Skowronski, T. Stobiecki, et al. J. Appl. Phys. (2010), A. Zaleski, W. Skowroński, et al. Appl. Phys. (2012), Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

49 Nanofabrication by electron-beam lithography e-litography by RAITH system 300 Resistance [Ohm] Nanopillar 3 step: e-beam litography, ion etching, lift-off Voltage [V] Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

50 Nanofabrication by electron-beam lithography Mass spectrometer Ta MgO Ru CoFe B Microsystem Ion sys 500 Ar + etching Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

51 Magnetization dynamics LLG precession dm dt m H eff damping m dm dt L(andau) L(ifszic) G(ilbert) dynamics Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

52 Unpolarized electrons Spin Transfer Torque (STT) Polarized electrons Transmitted electrons Electron flow Conduction Electrons Polarizer P Free layer M Transfer of transverse moment m = Torque (Spin Torque ST) ST tends to align M (anti-)parallel to P Local magnetization Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

53 precession dm dt m H Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie eff Spin Transfer Torque (STT) damping m dm dt STT m ( m M ) m M M SV M SV Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

54 STT CIMS Spin Transfer Torque Curent Induced Magnetization Switching Power (nv/hz 0.5 ) DC current -0.1 ma -0.5 ma -1 ma -1.5 ma -1.7 ma -1.8 ma I = I Critical 1,0 1,5 2,0 2,5 Frequency (GHz) W.Skowroński, T.Stobiecki et al. APEX 5, (2012) Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

55 Use of: Zero-magnetic field STO Perpendicular anisotropy of thin CoFeB on MgO Needed Ferromagnetic coupling between FL and RL (0.9 nm MgO) In-plane STT-induced oscillations W.Skowroński, T.Stobiecki et al. APEX 5, (2012) Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

56 in-plane component out-of-plane component 2 1 nm MgO 2 (10-19 Nm) nm MgO (10-19 Nm) I (ma) I (ma) ab initio calculations Perpendicular torque is about 10 times smaller than torque in plane W.Skowroński, T.Stobiecki et al. PRB 87, (2013) Heiliger, Stiles PRL 100, , (2008) Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

57 CIMS critical current J c0 in MTJ with in-plane anisotropy MTJ with 0.96 nm MgO barrier and CoFeB free layer 2.3 nm J c J c 2k BT τ 0 1 ln HCM SV τ P 0 Resistance (Ohm) b) AP 1 ms AP 2.7 ms P 7.3 ms 19.8 ms 53.7 ms P Voltage (V) Stability factor AP P P AP H 2 CM SV kbt exp W.Skowroński, T.Stobiecki et al. JAP 107, (2010) Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

58 J c0 = 7MA/cm 2 Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie CIMS critical current in MTJs with perpendicular anisotropy I C0 Critical current e M B S VH eff J c [MA/cm 2 ] 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0-0,4-0,8 J c0 = -15MA/cm 2 J c0 = 1.3MA/cm 2 J c0 = -1.2MA/cm 2-1,2-1,6-2, ln (t p /t o ) M in plane Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej H H 2 M eff a S M out of plane H H 4 M eff a S Perpendicular magnetization reduces the critical switching current several times! M. Frankowski, T.Stobiecki et.al JAP, 117, (2015) Stability factor = 63

59 Podsumowanie Wytworzono magnetyczne złącze tunelowe (MTJ) o strukturze nanopilaru z bardzo cienką barierą MgO. Zbadano efekt Spin Transfer Torque (STT). Uzyskano przełączanie magnetyzacji indukowanym prądem (CIMS) oraz ST-oscylacje w złączach MTJ z anizotropią w płaszczyźnie i prostopadłą. Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

60 Cooperation and financial support AGH Department of Electronics: MSc M.Frankowski, PhD student (micromagnetic simulations) Dr. M. Czapkiewicz (micromagnetic simulations, magnetooptics) Dr. J. Kanak (structure: XRD, AFM/MFM) Dr. W. Skowronski (e-lithography, TMR, CIMS,Spin-diode, VCMA, SHE/SOT) Dr. hab.p. Wisniowski (MR-sensors, noise measurements and analysis) W. Powroźnik (technical service) M. Dąbek, PhD student (noise in sensors) S. Ziętek PhD student (e-lithography, multiferroics) M. Cecot, PhD student (SHE/SOT, AFM/MFM, e-lithography) J. Chęciński, PhD student (micromagnetic simulations) P. Rzeszut, student (LabView programming, electronic service, measurements) ACMiN AGH: A. Żywczak (e-litography, PLD deposition, magnetic measurements) Katedra Fizyki Ciała Stałego AGH: J. Korecki + zespół (MTJ z MBE) Singulus AG: J. Wrona (sputtering deposition at Singulus AG, CIPT-capres measurements) IFM PAN: J. Barnaś (UAM), P. Balaz (UAM, ChU Prag), A. Dyrdał (UAM), Ł. Karwacki (UAM), P.Ogrodnik (PW), J. Dubowik (IFM PAN), H.Głowiński (IFM PAN), F.Stobiecki (IFM PAN) AIST, Japan: T. Nozaki, S. Yuasa, Y.Suzuki EPFL, Switzerland: J-Ph. Ansermet, A.Vetro University of Bielefeld, Germany: prof. G. Reiss Aalto University, Espoo, Finland: prof. S. van Dijken Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

61 Acknowledgments We acknowledge the NANOSPIN Grant no. PSPB- 045/2010 from Switzerland through the Swiss Contribution Nanoscale spin torque devices for spin electronics We acknowledge Polish National Science Center Grant No. Harmonia-DEC-2012/04/M/ST7/00799 Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej

62 Dziękuję za uwagę Politechnika Wrocławska, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej