Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 1/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
T. Stobiecki
Department of Electronics AGH, Poland
Nanourządzenia elektroniki spinowej
NANOSPIN - Nanoscale spin torque devices for spin electronics
W. Skowroński, M. Czapkiewicz, M. Frankowski, J. Kanak, P. Mietniowski, W.
Powroźnik, Z. Szklarski, P. Wiśniowski, J. Wrona (Singulus A.G), A. Żywczak
E – Control – Urządzenia elektroniki spinowej sterowane polem
elektrycznym
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 2/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Magnetic Recording
and Magnetic Sensors
Semiconductor Devices
and Integrated Curcuits
CHARGE SPIN
NANOELECTRONICS
Metal
SpintronicsMRAM + Circuit Technology
Semiconductor
Spintronics
SPINTRONICS
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 3/35
Spintronics road map
Commercial spintronics devices• head TMR/HDD
• M-RAM, STT-RAM
Technology of magnetic nanostructers (TMR-MTJ)• sputtering
• nanofabrication (e-litography)
Spin Transfer Torque
• Current Induced Magnetization Switching (CIMS) STT-RAM
• spin dynamics: ST-FMR ST- Oscillator
Voltage-induced magnetism
• Static anisotropy changes – tunable sensor
• voltage induced precession
Conclusions
Plan
Zielona informatyka Green I T(echnology)
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 4/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Green I(nformation)T(echnology)
S. Yuasa (2012)
`
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 5/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Green IT
S. Yuasa (2012)
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 6/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Green IT
S. Yuasa (2012)
Tomasz Stobiecki, Aalto University, August 2013 7/35
Department of Electronics, AGH University of Science and Technology
S. Yuasa talk , Kraków Jan (2012)
Green IT
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 8/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Green IT
S. Yuasa (2012)
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 9/53
Magnetoresistance
MR ratio (RT & low H)
AMR effect
MR = 1~2%
Year
1857
1990
1995
2000
2005
2013
Lord Kelvin
TMR effect
MR = 20~70%
1985GMR effect
MR = 5~15%
T. Miyazaki, J. Moodera J. Slonczewski, L. Berger1996
Device applications
HDD head
Inductive
head
MR head
GMR head
TMR head MRAM
Memory
Giant TMR effect
MR = 200~1000%
MgO -TMR headSpin Torque
MRAM Microwave, E-control.
Novel
devices
1967
A. Fert, P. Grünberg, J. Barnaś
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 10/53
Tunneling – Julliere’s model
Ferromagnetic-electrode 1 Ferromagnetic-electrode 2Insulator
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
Magnetic field switching
TMR = 175%
10/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
TMR = 175%
Curent Induced Magnetization Switching - CIMS
11/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
(001)MgO
FFT
Technology of magnetic nanostructers (TMR)
TEM EDX
L. Yiao, S. van Dijken
0.9nm
12/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
P. Wisniowski, T.Stobiecki J. Appl. Phys. 100 (2006) 013906
J. Kanak, T.Stobiecki Vacuum 82 (2008)1057
TMR race
13/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
0 5 10 15 20 25 30 35 400
1000
2000
3000
4000
IrMn(111)
a
b
Inte
nsity [
co
un
ts/s
ec]
[deg]
0
100
a) RMS = 0.3 nm b) RMS = 0.6 nm
buffer
IrMn
Ta
20
40
60
80a2_m - IrMn[111]
20
40
60
80b2_m - IrMn[111]
a) b)AFM
XRD – rocking curve
XRD – pole figure
Barrier quality
15/53
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 16/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Sputtering system
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
0
50
100
150
200
250
0,1 1,0 10,0 100,0 1 000,0 10 000,0
RA [ µm²]
TM
R [
%]
nat ox CAPRES
nat ox patterned
plasma ox CAPRES
plasma ox patterned
Freescale MgO_4
Anelva2006 (MgO+Mg)
Anelva2006 (MgO)
TDK2006
MgO - TMR vs. RA
H. Maehara et al. Applied Physics Express 4 (2011) 033002
J. Wrona, T.Stobiecki, et al. JPC (2010)
17/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 18/53
Courtesy of
Singulus TIMARISMulti Target Module
Top: Target Drum with 10
rectangular cathodes; Drum
design ensures easy
maintenance;
Bottom: Main part of the
chamber containing LDD
equipment
Oxidation ModuleLow Energy Remote
Atomic Plasma Oxidation;
Natural Oxidation;
Soft Energy Surface
Treatment
Transport Module
(UHV wafer handler)
Soft-Etch Module
(PreClean, Surface
Treatment)
Cassette Module
(according to
Customer request)
Ultra – High – Vacuum Design: Base Pressure 5*10-9 Torr (Deposition Chamber)
High Throughput (e.g. MRAM): 9 Wafer/Hour (1 Depo-Module)
High Effective Up-time: 18 Wafer/Hour (2 Depo-Module)
Sputtering deposition (industrial process)
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
Magnet Array
Sputter Target
Wafer
Linear Dynamic Deposition (LDD)
•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
SN
Yoke Yoke
Target Drum Targets
Wafer Travel
Deposition Area
•Short Target-Substrate Distance:
Good thickness uniformity and coating efficiency
•Thickness adjusted by wafer speed:
Precisely control & repeatability
Advantages:
Courtesy of
19/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
Wedge technology
position of the wafer
wafer velocity
start velocity
deposition area
constant velocity gradient
J. Wrona et al. Low resistance magnetic tunnel junctions with MgO wedge barrier, ICM 2009.
Sputter Target
Wafer
• base pressure: p0 510-9 mTorr
• MgO - 4kW, rf magnetron sputtering,
variable Ar pressure 1 – 15 mTorr
• CuN – 4 kW, reactive (Ar+N) magnetron dc
•Ta,Ru,CoFeB – 1.5 kW magnetron dc
20/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
• MTJ stack deposited in Singulus
• MgO wedge thickness: 0.6 nm up to 1nm
(slope 0.017 nm/cm)
Multilayer stack
Co70Fe30 2 PL
Ru 0.9
Co40Fe40B20 2.3 RL
wedge MgO
Co40Fe40B20 2.3 FL
IC
SAF
EB
Ta 10
CuN 30
Ru 7
ca
pp
in
g
Si/SiO2
Ta 5
CuN 50
Ta 3
CuN 50
Ta 3
PtMn 16 AF
buffer
Wafer characterization: microstructure/texture – XRD, AFM
• electrical, magnetic: TMR, RA, MOKE and VSM-loops
Nanopillars
• 3 step e-beam lithography, ion etching, lift-off
SiO substrate2
Ta
Ta
CuN
CuN
wedge MgO
Co Fe 270 30
Ru 0.9
Co Fe B 2.340 40 20
PtMn 16
Ta 10
Al O2 3
CuN 30
Au
5
3
50
50
CoFe 30
V+
V-
Ta 3
Co Fe B 2.340 40 20
Ru 7
21/53
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 22/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
10
100
0.5
5
MgO thickness (nm)
RA
(O
hm
m2)
T
MR
(%
)
TMR
RA
exponential fit
a)
A. Zaleski, W. Skowroński, T.Stobiecki, et al. JAP (2012)
TMR & RA vs. MgO thickness
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 23/53
Nano-e-beam lithography
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
100
150
200
250
300
Resis
tance [O
hm
]
Voltage [V]
Nanopillars 3 step e-beam lithography, ion etching, lift-off
e-lithography by RAITH system
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
TMR = 175%
Curent Induced Magnetization Switching - CIMS
24/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 25/53
Spin Transfer Torque (STT)
Unpolarized
electrons
Polarized
electrons
Transmitted
electrons
Polarizer P Free layer M
Local magnetizationConduction Electrons Transfer of transverse
moment m
=
Torque
(Spin Torque ST)
ST tends to align M (anti-)parallel to P
Electron
flow
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
dt
dmmHm
dt
dmeff
Magnetization dynamics LLG
precession damping
L(andau) L(ifszic) G(ilbert) dynamics
26/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
dt
dmmHm
dt
dmeff Mm
VolMMmm
VolM SS
)(||
precession dampingSTT
Spin Transfer Torque (STT)
27/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
STT – CIMSSpin Transfer Torque Curent Induced Magnetization Switching
I = ICritical
28/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
-2
-1
0
1
2 1 nm MgO
0.9 nm MgO
(1
0-19 N
m)
I (mA)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
-2
-1
0
1
2
(
10-1
9 Nm
)
I (mA)
experiment theory
W.Skowroński, T.Stobiecki et al. PRB 87, 094419 (2013)
STT components
29/53
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 30/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Micromagnetic switching (OOMMF)
I= 7 mA, P=0.7 α=0.01 M. Czapkiewicz
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
-2000 -1000 0 1000 2000160
200
240
280
320
360
TMR = 100%
RA= 3.5 m2
Angle 60°
Re
sis
tan
ce [
Oh
m]
Field [Oe]
Bias tee
GHz generator
+ AM
Voltage/current
sourcemeter
Lock-in
amplifier
Ref
8kHz
Freq sweep
2 – 10 GHz
Measurement setup for spin dynamics
•MTJ sample placed in the magnetic field and tilted by a certain degree
•Amplitude modulated RF signal supplied to the MTJ through a bias tee
•Small DC signal measured using lock-in detection
31/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
130 nm
230 nm
leads 50
Nanopillar with coplanar wave guide
32/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 33/53
ST-FMR oscillations
• MTJ supplied with a RF signal
• Generates DC voltage at tunable
resonant frequency
• Inverse effect applicable as
microwave generator
3 4 5 6 7
0
5
10
15
20
Vm
ix (
V)
Frequency (GHz)
External magnetic
field (Oe)
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.50
2
4
6
8
10
12
FL AP
FL P
Kittel formula fit
Fre
qu
ency
(G
Hz)
Field (kOe)
W.Skowrońsk, T.Stobiecki et al. PRB 87, 094419 (2013)
Bias tee
GHz generator
+ AM
Voltage/current
sourcemeter
Lock-in
amplifier
Ref
8kHz
Freq sweep
2 – 10 GHz
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
2
2
2
4
1RFmix I
I
VV
ASI
VoleMI
VRF
S
||
sin 22
42
1
dV
dT
dI
dVe ||
|| sin2
dV
dT
dI
dVe sin
2
Wang et al. PRB 79, 224416, 2009
6 7 8 9
-10
0
10
0 .25 V
0.1 V
0 V
-0.1 V
-0.25 V
V m
ix (
uV
)
Frequency (GHz)
6 7 8 9-8
-4
0
4
8
12
0.1 V
S + A fit
S
A
V m
ix (
uV
)
Frequency (GHz)
Torkances and torques
•Vmix is derived from the LLGS equation
•S and A are symmetric and asymmetric
lorentzians:
34/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
Torque (STT) components
W.Skowroński, T.Stobiecki, S. Van Dijken et al. PRB 87, 094419 (2013)
in plane componentOut of plane component
35/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
-2
-1
0
1
2
(
10-1
9 Nm
)
I (mA)
experiment theory
W.Skowroński, T.Stobiecki, S. Van Dijken et al. PRB 87, 094419 (2013)
STT components
Ab initio band calcultions
Heiliger, Stiles PRL 100, 186805, 2008
36/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
Measurement setup for spin dynamics
W. Skowroński
37/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
STT – CIMSSpin Transfer Torque Curent Induced Magnetization Switching
I = ICritical
1,0 1,5 2,0 2,5
2
4
6
8
10
Pow
er
(nV
/Hz
0.5)
Frequency (GHz)
DC current
-0.1 mA
-0.5 mA
-1 mA
-1.5 mA
-1.7 mA
-1.8 mA
W.Skowroński, T.Stobiecki, S. van Dijkenet al. APEX 5, 063005 (2012)
38/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 39/53
Zero-magnetic field STO
• Use of:– Perpendicular anisotropy of thin CoFeB on MgO
– Ferromagnetic coupling between FL and RL (0.9 nm MgO)
• In-plane STT-induced oscillations
W.Skowroński, T.Stobiecki, S.Van Dijken et al. APEX 5, 063005 (2012)
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
Deriving the critical current
J- current density (A/m2)
S-Area (m2)
e- electron charge (A*s)
ħ– Planck constant (J*s)
0Ms – Magnetization (T)
Hk- Anisotropy field (A/m)
V- Volume (m3)
Dimension less
efficiency factor Dimension less
energy loss rate
Energy of free layer
Available energy
energyVHM volumeKS
2
0
e
JSenergy
surface
40/53
220
2volumeSeffeffective VMH
e
Ip
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
35 ± 1136 ± 7
P APAP PStability factor
exp2
Tk
VMH
B
SC
302
CalcB
SC
Tk
VMH
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
400
600
800
1000
P P
AP 1 ms
2.7 ms
7.3 ms
19.8 ms
53.7 ms
b)
R
esis
tan
ce (
Oh
m)
Voltage (V)
AP
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
200 2 4 6 8 10 12 14 16 18
ln (tp/t
0)
Jc
+ AP to P
Jc - P to AP
Jc (
MA
/cm
2)
0
0 ln2
1τ
τ
VMH
TkJJ P
SC
Bcc
• results of MTJ with 0.96 nm thick MgO barrier
• Jc0 estimation
CIMS – critical current Jc0
W.Skowroński, T.Stobiecki et al. JAP 107, 093917 (2010)
41/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
0 5 10 15 20 25-5.5
-5.0
-4.5
-4.0
-3.5
JC (
MA
/cm
2)
ln(P/
0)
JC0
= -5,27 MA/cm2
JC = J
C0[1-(k
BT/E)ln(
p/
0)]
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1
101
P (s)
0 4 8 12 16 20-20
-15
-10
-5
0
5
10 Jc AP ->P
Jc (
MA
/cm
2)
ln (tp/t
0)
JC P -> AP
effS
B
C VHMe
I
0
Critical current
4eff a SH H M
M out of plane
2eff a SH H M M in plane
M out of plane
M in plane
Perpendicular magnetisation reduces the critical switching current!
In our case 3 times!
M in plane
CoFeB/MgO/CoFeB with perpendicular
magnetic anisotropy PMA
42/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 43/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 44/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013
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.
45/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 46/53
HDD- head
J. Kanak
MFM
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 47/53
Voltage-tunable magnetic field sensor
• CoFeB/MgO based MTJ field sensor
• Bias voltage changes the perpendicular magnetic anisotropy
• Thin CoFeB layer
• Thick MgO (1.35 nm) – no STT present
W.Skowroński, P.Wiśniowski et al. APL 101, 192401, 2012
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 48/33
Voltage-induced dynamics
• MTJ with thick MgO (2nm) – high resistance, low current
• Voltage-induced FMR precession in MTJ
• Bias voltage affect magnetic anisotropy – change in the resonance
frequencyW. Skowroński, T. Stobiecki et al. MMM2013
-300 -200 -100 0 100 200
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
No
rma
lize
d T
MR
Field (Oe)
Bias voltage (V)
0.01
0.6
-0.6
1.0 1.5 2.0 2.5
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2 -1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Voltag
e (
mV
)Frequency (GHz)
Bias voltage (V):
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 49/33
MRAM example
Existing MRAM – up to 64 MB capacity CMOS technology
Obstacle – critical current density
)
Toshiba, ISSCC conference (2010)
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 50/53
Conclusions
• Successful fabrication of MTJ nanopillars with a
ultrathin MgO barrier
• Spin Transfer Torque (STT) effect in MTJs was
quantitavely analysed
• Current Induced Magnetization Switching (CIMS) and
and ST- oscillations in nanopillars were demonstrated
• Voltage-Induced magnetic anisotropy – tunable sensor
and RF-signal detection were demonstrated
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 51/53
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 52/53
AcknowledgementsAGH Department of Electronics
M. Czapkiewicz (simulations)
J. Kanak (structure)
W. Skowronski (e-lithography Uni Bielefeld, TMR, CIMS, Spin-diode,)
J. Wrona (deposition in Singulus, CIPT-capres measurements)
IMP PAS
J. Dubowik
H. Głowiński
AMU Poznań
J. Barnaś (theory)
P. Balaz
P. Ogrodnik
EPFL
Jean-Philippe Ansermet
A. Vetro
Singulus AG
J. Langer
B. Ocker
W. Maass
University of Bielefeld
K. Rott (e-lithography training for WS)
G. Reiss,
Aalto University, Espoo, Finland
S. van Dijken
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
XLII Zjazd Fizyków Polskich, Nanotechnologia, Poznań, 12.09.2013 53/53
Dziękuje za uwagę