La détection des signaux radiofréquence et la génération des nombres aléatoires avec les jonctions tunnel magnétique perpendiculaire

Radiofrequency signal detection and random number generation with perpendicular magnetic tunnel junctions

• Auteur / Autrice : Ahmed Sidi El Valli
• Direction : Ursula Ebels, Liliana-Daniela Buda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 06/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Podevin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Cros, Sébastien Petit-Watelot, Ricardo Ferreira
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dafiné Ravelosona, Giovanni Finocchio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique nucléaire

Mots clés libres

Jonctions tunnel magnétique perpendiculaire

Nano-Diodes à transfert de spin

Superparamagnétisme

Dynamique de l’aimantation

Trng

Perpendicular magnetic tunnel junctions

Spin torque nanodiodes

Superparamagnetism

Magnetization dynamics

Trng

Résumé

Les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) à l'échelle nanométrique sont des candidats prometteurs pour les mémoires non volatiles, les capteurs magnétiques ainsi que pour les applications de radiofréquence et de calcul non conventionnel. Le transfert du moment angulaire du spin, à partir d'un courant injecté polarisé en spin, peut entraîner trois types de réponses dans ces MTJ : (i) des oscillations amorties via un courant rf, (ii) des auto-oscillations à grand angle via un courant continu, et (iii) une commutation entre deux états stables via un courant continu. Les deux premières excitations sont intéressantes pour les applications dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN) à faible puissance ainsi que pour le développement de matériel à faible puissance pour le calcul non conventionnels. La commutation de magnétisation, par contre, est exploitée pour les mémoires non-volatiles où chaque état code un '0' ou un '1'.Dans cette thèse, nous étudions le premier typede réponse pour la détection de signaux RF pour les nœuds de capteurs sans fil à faible puissance, ainsi que le troisième type de réponse pour la génération de nombres aléatoires. Les deux études utilisent les mêmes jonctions tunnel magnétiques qui sont caractérisées par une forte anisotropie magnétique perpendiculaire interfaciale (iPMA) de la couche libre et de la couche fixée. Ces jonctions tunnel magnétiques perpendiculaires (pMTJ) sont actuellement considérées par les partenaires industriels comme la configuration MTJ la plus prometteuse pour les applications de mémoire magnétique, car elles peuvent être fabriquées dans des dimensions très réduites (jusqu'à 20 nm de diamètre). L'intérêt pour nos études ici est que leurs champs internes sont facilement accordables par la variation de la forme du dispositif, car le rapport entre l'énergie d'anisotropie due à l'IPMA et l'énergie de démagnétisation dépend de manière sensible de l'épaisseur et du diamètre de la couche magnétique. De légères variations de l'épaisseur de la couche libre (de l'ordre de 0,2 nm) peuvent entraîner un changement radical de l'orientation de l'aimantation. Pour les dispositifs utilisés ici, l'épaisseur de la couche libre est varié de t=1.4nm à 1.8nm. La première partie de la thèse est une analyse détaillée de la détection du signal rf, pour optimiser le signal de tension continue de sortie, en fonction de l'épaisseur de la couche magnétique, du diamètre de la couche magnétique ainsi qu'en fonction de l'orientation du champ magnétique appliqué et de l'absence ou de la présence de courants continus (passif vs actif). On constate que, premièrement, le signal de détection rf passif de ces pMTJs augmente plus l'iPMA compense l'énergie de démagnétisation. Cela peut être obtenu par une réduction du diamètre du dispositif, ce qui améliore en outre l'efficacité du STT et réduit l'effet d'une résistance série qui sera présente pour les MTJ co-intégrés avec le CMOS. Deuxièmement, dans la détection active, on constate que la bande de fréquence de détection peut être accordée sur plusieurs GHz par un courant continu. Cet accord est attribué au chauffage par effet Joule et ouvre des perspectives pour la détection de fréquences à large bande. La deuxième partie de la thèse démontre qu'un courant continu polarisé en spin peut amener ces pMTJs dans un état superparamétique. De tels flux binaires seront intéressants pour la génération de nombres aléatoires et pour les calculs non conventionnels basés sur de tels générateurs de nombres aléatoires. Le fonctionnement à champ nul facilitera la co-intégration de ces pMTJs avec le CMOS. Les deux parties de la thèse sont accompagnées d'une étude approfondie des boucles de magnétorésistance statique en fonction de l'angle du champ appliqué, du courant continu et de la température ainsi que de la modélisation des résultats basée sur la résolution de l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert.Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)

Nanoscale magnetic tunnel junctions (MTJ) are promising candidates for nonvolatile memories, magnetic sensors as well as for radiofrequency and unconventional computing applications. Transfer of spin angular momentum, from an injected spin polarized current, can drive three types of responses in these MTJs: (i) damped oscillations via an rf current, (ii) large angle auto-oscillations via a dc current, and (iii) switching between two stable states via a dc current. The first two excitations are of interest for applications within low power wireless sensor networks (WSNs) as well as for developing low power hardware of unconventional computing algorithms. The magnetization switching by contrast is exploited for nonvolatile memories where each state encodes a ‘0’ or ‘1’.In this thesis, we investigate the first response scheme for rf signal detection for low power wireless sensor nodes as well as the third response scheme for random number generation. Both studies make use of the same magnetic tunnel junctions that are characterized by a strong interfacial perpendicular magnetic anisotropy (iPMA) of the free layer and the pinned layer. Such perpendicular magnetic tunnel junctions (pMTJ) are currently seen by industrial partners as the most promising MTJ configuration for magnetic memory applications, because they can be made very small (down to 20nm diameter). Of interest for our studies here is that their internal fields are easily tunable through the variation of the device shape, because the ratio of the anisotropy energy due to IPMA and the demagnetization energy depends sensitively on the magnetic layer thickness and diameter. Slight variations in the free layer thickness (on the order of 0.2 nm) can lead to a drastic change of the magnetization orientation. For the devices used here, the free layer thickness was varied from t=1.4nm to 1.8nm. The first part of the thesis is a detailed analysis of the rf signal detection, to optimize the output DC voltage signal, as a function of magnetic layer thickness, the magnetic layer diameter as well as a function of the applied magnetic field orientation and the absence or presence of dc currents (passive vs. active active). It is found that, first, the passive rf detection signal of these pMTJs increases the more the iPMA compensates the demagnetizing energy. This can be achieved through a reduction of the device diameter, which additionally enhances the STT efficiency and reduces the effect from a serial resistance that will be present for MTJs co-integrated with CMOS. Secondly, in the active detection it is found that the detection frequency band can be tuned over several GHz through a dc current. This tuning is attributed to Joule heating and opens strategies for wide band frequency detection. The second part of the thesis demonstrates that a spin polarized DC current can bring these pMTJs into a superparamagnetic state at zero external magnetic field. Such bitstreams will be of interest for random number generation and unconventional computing schemes. Zero field operation will be facilitating the co-integration of these pMTJs with CMOS. The two parts of the thesis are accompanied by a thorough study of the static magneto-resistance loops as a function of applied field angle, DC current and temperature as well as by the modeling of the results based on solution of the Landau-Lifshitz-Gilbert equations.