Memristive magnetic memory for spintronic synapses
Mémoire magnétique memristive pour synapses spintroniques
Résumé
In the context of a technological era in which the amount of data is exponentially increasing, the developmentof brain-inspired algorithms allows a fast and smart extrapolation of information. The massive parallelizationof neurons interconnected through synapses, emulated by these algorithms, leads to an increasing powerconsumption when runned on conventional computers. From this, it arises the need of a proper hardware that,contrarily to the Von Neumann architecture, interconnects at large scale processing units and memory unitsas, respectively, neurons and synapses. For this reason, the realization of nano-sized devices able to mimicthe functionalities of neurons and synapses represents the main challenge for the integration of large scaleneuromorphic chips. The purpose of this work is to realize memristive devices, i.e. non-volatile multilevelmemories that play the role of synapses, exploiting the advantages of the MRAM technology. The first devicebases its working principles on the conductance variation of an in-plane magnetized magnetic tunnel junction,depending on the relative direction of the two magnetizations. In fact, the realization of a medium ableto stabilize its magnetization along different in-plane directions gives rise to intermediate resistance states.We obtain such isotropic properties using a ferromagnet/antiferromagnet/ferromagnet structure in which theantiferromagnetic layer thickness is low enough to not rise any exchange bias. We integrate this in an inplanemagnetic tunnel junction and, after a nano-patterning process, we retrieve the same properties. Thedevice is able to monotonously increase or decrease its resistance as response to positive or negative voltagepulses (in ns range) because of the spin transfer torque coming from an additional out-of-plane polarizer.We demonstrate the existance of at least 21 resistance levels for a memory access frequency larger than 1Hz.We also model the device with a macrospin code implementing the Landau Lifshitz Gilbert equation with anadditional dissipative term analog to the dry friction in the Newton's law. With this, we retrieve all the resultsachieved experimentally with quite good agreement. The second concept, developed in this work, is basedon a perpendicularly magnetized tunnel junction whose free layer presents a granular structure similar to theone used for recording media. The realization of such layer led to the realization of grains with a diameteraround 3nm and, therefore, paramagnetic at room temperature. The electrical measurements performed at150K demonstrate that a very large number of resistance states can be achieved with a gradual field-drivenswitching of such grains. Moreover, the use of voltage pulses confirms that the spin transfer effect can beexploited for the probabilistic reversal of the grains magnetization.
Dans le contexte d'une ère technologique ou la quantité de données augmente de façon exponentielle, le développement d'algorithmes inspirés du cerveau permet une extrapolation rapide et intelligente des informations. La parallélisation massive des neurones interconnectées via des synapses, émulée par ces algorithmes, conduit la une consommation d’énergie croissante lorsqu'ils sont exécutés sur des ordinateurs conventionnels. De là, il naît le besoin d'un matériel appropriée qui, contrairement à l'architecture Von Neumann, s'interconnecte à des unités de traitement la grande échelle et des unités de mémoire comme, respectivement, des neurones et des synapses. Pour cette raison, la réalisation de dispositifs de taille nanométrique capables de mimer les fonctionnalités des neurones et des synapses représente le principal défi pour l'intégration de puces neuromorphiques à grande échelle. Le but de ce travail est de réaliser des dispositifs memristifs, c'est-la-dire des mémoires multiniveaux non volatiles qui jouent le rôle de synapses, en exploitant les avantages de la technologie MRAM. Le premier appareil fonde ses principes de fonctionnement sur la variation de conductance d'un in-plane jonction tunnel magnétique magnétisée, en fonction de la direction relative des deux aimantations. En effet, la réalisation d'un milieu capable de stabiliser son aimantation selon différentes directions planes donne lieu la desétats de résistance intermédiaires. On obtient de telles propriétés isotropes à l'aide d'une structure ferromagnet/ antiferromagnet / ferromagnet dans laquelle l'épaisseur de la couche antiferromagnétique est suffisamment faible pour ne pas augmenter de biais d'échange. Nous intégrons cela dans une jonction tunnel magnétique dans le plan et, après un processus de nano-patterning, nous récupérons les mêmes propriétés. Le dispositif est capable d'augmenter ou de diminuer de manière monotone sa résistance en réponse la des impulsions de tension positives ou négatives (dans la plage ns) en raison du couple de transfert de spin provenant d'un polariseur hors plan supplémentaire. Nous démontrons l'existence d'au moins 21 niveaux de résistance pour une fréquence d'accès mémoire supérieure la 1 Hz. Nous modélisons également le dispositif avec un code macrospin implémentant l'équation de Landau Lifshitz Gilbert avec un terme dissipatif supplémentaire analogue au frottement sec dans la loi de Newton. Avec cela, nous récupérons tous les résultats obtenus expérimentalement avec un assez bon accord. Le deuxième concept, développée dans ce travail, est basée sur une jonction tunnel magnétisée perpendiculairement dont la couche libre présente une structure granulaire similaire la celle utilisée pour les supports d'enregistrement. La réalisation d'une telle couche a conduit la la réalisation de grains d'un diamètre d'environ 3nm et donc paramagnétiques la température ambiante. Les mesures électriques effectuées à 150K démontrent qu'un très grand nombre d'états de résistance peut être obtenu avec une commutation graduelle par champ de ces grains. De plus, l'utilisation d'impulsions de tension confirme que l'effet de transfert de spin peut être exploité pour l'inversion probabiliste de l'aimantation des grains.
Origine : Version validée par le jury (STAR)