Figur 1 – 2D-fördelning av spin-vågsutbredning i en 1 µm bred CoFeB-kanal registrerad med Brillouin-ljusspridningsspektroskopi (BLS).
Vid den årliga konferensen om magnetism och magnetiska material, imec, det världsledande forsknings- och innovationscentret inom nanoelektronik och digital teknik, presenterade genombrottsresultat som stödjer byggandet av teknikrelevanta majoritetsportar baserade på spinnvågor. Rapporterar två branschledande prestationer som är avgörande för ultralåg effekt bortom CMOS-teknik, imec demonstrerade generering och detektering av spinnvågor i magnetiska vågledare i sub-mikronstorlek med våglängder mindre än 350 nm som färdas över 10 mikrometer i en 500 nm bred vågledare, och föreslagna modeller för majoritetsdrift i nanoskala spin-wave strukturer.
Spintronic majoritetsgrindenheter är lovande alternativ till CMOS-teknik för vissa applikationer, till exempel för aritmetiska kretsar. Majoritetsgrindar är enheter där utgångens tillstånd bestäms av majoriteten av ingångarna:om till exempel mer än 50 procent av ingångarna är sanna, utgången måste returnera sant. Utsignalen från spin-wave major gate är då baserad på interferensen av multipla spin-vågor som fortplantar sig i en så kallad spin-wave buss, eller vågledare. När den miniatyriserades ner till nanoskala, Spin-wave majoritetsgrindar skulle kunna möjliggöra aritmetiska kretsar som är mycket mer kompakta och energieffektiva än CMOS-baserade kretsar.
Imec, i samarbete med universitetet i Kaiserslautern och universitetet i Paris-Sud, studerade spin-vågs utbredning i en 10nm tjock magnetisk vågledare. Viktigt, de fann att spinnvågor, exciteras av en RF-driven antenn, kan färdas mer än 10 mikrometer i en 500nm bred vågledare. I ett andra experiment, de utvecklade en helelektrisk detekteringsmetod för att karakterisera fortplantande spinnvågor i en magnetisk buss. Spinnvågor med våglängder så små som 340nm kunde detekteras - mer än två gånger mindre än tidigare uppnådda industriresultat - vilket banar väg mot skalade spinnvågskanaler.
Figur 2 – Gaffelstruktur för en majoritetsgrind bestående av magnetoelektriska ingångs- och utgångsceller integrerade i en spinnvågsbuss. Bilden visar en ögonblicksbild vid t=0,8ns när ingångarna är 110.
Genom mikromagnetiska simuleringar, Funktionen av en nanoskalig gaffelliknande spin-wave majoritetsstruktur demonstrerades framgångsrikt. Vid dessa små dimensioner, magneto-elektriska celler används istället för antenner för att excitera och detektera spinnvågorna. Det föreslagna detekteringsschemat gjorde det möjligt för imec att fånga majoritetsfasresultatet av spin-vågsinterferensen på en mycket kort tidsram, vilket var mindre än tre nanosekunder.
"Spin-wave majoritetsgrindar med mikrodimensioner har tidigare rapporterats, dock, för att de ska vara CMOS-konkurrenskraftiga, de måste skalas och hantera vågor med nanometerstora våglängder, " sa Iuliana Radu, framstående medlem av teknisk personal som koordinerar Beyond CMOS på imec. "Vi föreslår här en metod för att skala dessa spin-wave-enheter till nanometerdimensioner. Dagens exceptionella resultat kommer att öppna vägar mot att bygga spin-wave-majoritetsportar som lovar att överträffa CMOS-baserad logikteknologi när det gäller effekt- och areaminskning."
