Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków. Elektronika Spinowa. Wykład 1 Introduction to spintronics

Transkrypt

1 Elektronika Spinowa Wykład 1 Introduction to spintronics Tomasz Stobiecki Katedra Elektroniki NANOSPIN Nanoscale spin torque devices for spin electronics Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 1

2 Treść wykładu Celem przedmiotu jest przekazanie wiedzy, wykształcenie teoretycznych i praktycznych umiejętności z nanotechnologii cienkowarstwowej w zakresie: elektroniki spinowej. Student potrafi w laboratorium zaprojektować nanourządzenia spintroniczne oraz zmierzyć i wysymulować ich podstawowe charakterystyki. Zajęcia w ramach modułu prowadzone są w formie wykładu (28 godzin) oraz ćwiczeń laboratoryjnych (14 godzin). 1. Podstawy fizyczne nanoelektroniki cienkowarstwowej. Technologie wytwarzania i nanostrukturyzacji systemów wielowarstwowych (litografia optyczna, elektronowa). 2. Elektronika spinowa podstawowe zjawiska: proces przemagnesowywania cienkiej warstwy ferromagnetycznej, międzywarstwowe magnetyczne sprzężenia wymienne w układach wielowarstwowych, zjawiska magnetorezystancyjne w cienkich warstwach: anizotropowy efekt magnetorezystancyjny (AMR), gigantyczna magnetorezystancja (GMR), tunelowa magnetorezystancja (TMR), anomalny efekt Halla. 3. Podstawowe charakterystyki polowe i prądowo-napięciowe: zaworów spinowych GMR i TMR, magnetycznych złącz tunelowych (MTJ). 4. Charakteryzacja magnetyczna i strukturalna układów wielowarstwowych stosowanych w elementach AMR, GMR i TMR: pomiary pętli histerezy magnetycznej: magnetooptyczny efekt Kerra (MOKE), magnetometr wibracyjny (VSM), dyfrakcja rentgenowska XRD, transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM). 5. Urządzenia elektroniki spinowej: czujniki magnetorezystancyjne, dyski i głowice (HDD), pamięci operacyjne (MRAM i STTRAM), oscylatory mikrofalowe (STO), nanoukłady magnetyczne sterowane polem elektrycznym. 6. Aparatura technologiczna do nanoszenia nanostruktur magnetycznych. 7. Aparatura i metody mikro i nanostrukturyzacji. Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 2

3 Ćwiczenia laboratoryjne 1. Badania elementów elektroniki spinowej na przykładzie układów AMR, GMR i złącza tunelowego TMR pomiar podstawowych charakterystyk elektrycznych i magnetycznych. 2. Komercyjne czujniki magnetorezystancyjne typu: AMR, GMR i TMR pomiary charakterystyk. 3. Pomiary pola magnetycznego z użyciem czujnika AMR/GMR. 4. Pomiary prędkości kątowej przy pomocy czujników Hall i czujników GMR. 5. Pomiar kąta z użyciem czujnika TMR. 6. Symulacje numeryczne charakterystyk czujników magnetorezystancyjnych. Literatura 1. Rainer Waser, Nanoelectronics and Information Technology (Advanced Electronic Materials and Novel Devices), Wiley-VCH S. Tumański, Thin Film Magnetoresistive Sensors, IOP Publ., Bristol, T. Stobiecki Urządzenia elektroniki spinowej, Wydawnictwa AGH (2012) 4. R. Sroka Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych dla specjalności pomiary technologiczne i biomedyczne, Wydawnictwa AGH (2010) Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 3

4 Year 1857 Magnetoresistance MR ratio (RT & low H) AMR effect MR = 1~2% HDD head Device applications Lord Kelvin 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 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 4

5 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 5

6 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 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 6

7 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 7

8 Green IT - motivation R. Takemura et al. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 45, NO. 4, APRIL 2010 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 8

9 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 9

10 Green IT after S. Yuasa (2012) Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 10

11 Green IT Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 11

12 Green IT after S. Yuasa (2012) Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 12

13 Green IT Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 13

14 Spin-transfer torque (STT) - RAM Writing energy (pj/bit) after T. Nozaki AIST Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków GREEN IT, Present status of writing energy for MRAM 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 Electric-current based control Φ100nm MTJ size ( m 2 ) MRAM STT-RAM IBM2003 MRAM (Øersted field) Energy required for data retention (60 k B T) Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 14

15 Magnetic field switching TMR = 175% Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 15

16 Magnetic field switching AP TMR = 100% P Resistance switching by external magnetic field Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 16

17 Curent Induced Magnetization Switching - CIMS TMR = 100% 1 AP 0 P Resistance switching? by spin polarized current from SpinTransfer Torque (STT) Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 17

18 MRAM 2008 japoński satelita był wyposażony w pamięć MRAM w miejsce FLASH Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 18

19 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 19

20 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 20

21 MRAM example Existing MRAM up to 64 MB capacity Obstacle critical current density ) Toshiba, ISSCC conference (2010) Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 21

22 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 22

23 Everspin officially announces the world's first ST-MRAM chip, will be available in 2013 A couple of days ago we reported that Everspin will start sampling ST-MRAM chips soon, and today we got official word from Everspin that they are now sampling the first ST-MRAM chip. The EMD3D064M is a 64Mb DDR3 device, and select customers are already evaluation samples. Everspin is currently targeting the enterprise SSD market, to complement flash memory. Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 23

24 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 24

25 20 chipmakers from Japan and US to co-develop MRAM in hopes to replace DRAM within 3 years According to Nikkei, over 20 Japanese and US companies have teamed up to develop MRAM technologies, in particular a new mass production method. Participants in this yambitious project include Tokyo Electron (who's merging with Applied Materials), Renasas, Hitachi and Shin-Etsu Chemical from Japan and Micron Technology from the US. Japan's Tohoku University, a leader in Spintronics and MRAM research, will also join the project. The companies will finance several dozens researchers at the University. They plan to start development in February 2014, and continue to seek more companies from the US and Europe to join. The aim is to complete materials and processes development by 2017 and start mass production by Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 25

26 Sputtering system (uni lab) Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 26

27 Sputtering deposition Singulus TIMARIS Oxidation Module Low Energy Remote Atomic Plasma Oxidation; Natural Oxidation; Soft Energy Surface Treatment Soft-Etch Module (PreClean, Surface Treatment) J. Wrona 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 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 27

28 Target Drum Magnet Array Sputter Target Linear Dynamic Deposition (LDD) Targets Deposition Area Wafer Advantages: Short Target-Substrate Distance: Good thickness uniformity and coating efficiency Thickness adjusted by wafer speed: Precisely control & repeatability Leakage field of cathode parallel to wafer travel direction: Ideal symmetry for magnetic film applications Stationary Aligning Magnetic Field (AMF): AMF can be optimized with cathode Yoke Yoke Wafer Travel N S Courtesy of Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 28

29 History of digital recording (HDD) 1956 HDD of IBM, random access method of accounting and control (RAMAC) 1980 induction thin film head 1990 write induction coil, read AMR sensor 1996 GMR read sensor ~2000 TMR read sensor Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 29

30 HDD for 50 years and now 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. Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 30

31 Dimensions scaling Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 31

32 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 32

33 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 33

34 Zasada działania zaworu spinowego (Spin-Valve) w głowicy twardego dysku AFM: PtMn, IrMn FM: Co, Fe, CoFeB, CoFe U Signal NM: Cu, MgO AFM I = const Warstwa mocująca (pin-layer) warstwa zamocowana (pinned-layer) warstwa swobodna (free-layer) kierunek ruchu nośnika informacji Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 34

35 HDD- head No more, MR 10% Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 35

36 Hard disc technology Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 36

37 f f 0 exp Thermal stability 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. Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 37

38 HDD- head J. Kanak MFM Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 38

39 Head-disk interface Fly height parameter d depenedent on: The structure of Air Bearing Surface (ABS). Slider should be designed to reduce variations in the fly height. The roughness of the disk surface (glass substrate provide higher rigidity and surface flatness than Al substrate). Tribological coatings (diamond-like carbon sputtered, high hardness and corrosion resistant, lubricant perflouropolyethers (PFPE) highly chemicaly and thermaly stable). The load force defined by spring constants of steel suspension material. Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 39

40 V GMR e kd Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 1 e k Losses due to spacing head/recording medium k Losses of GMR signal kg sin 2 kg 2 (11) Losses related to the gap dimension. g should be kept g< 2 /k Losses due to the thickness of recording medium V GMR J medium S sensor e kd (12) Magnetic properties of the medium Sensor parameters Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 40

41 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 41

42 ? Molecular Magnets 100 Tb/in 2 10 Tb/in 2 limit TAR, patterned media Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 42

43 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 43

44 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 44

45 Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 45

46 Na następnym wykładzie Podstawowe zjawiska fizyczne w elektronice spinowej Zjawiska galwanomagnetyczne: AMR Anisotropic Magnetoresistance AHE Anomalous Effect Halla GMR Giant Magnetoresistance TMR Tunneling Magnetoresistance Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 46

47 Dziękuje za uwagę Elektronika Spinowa. Poniedziałek godz , rok akademicki 2015/16 47