Высокий | Наньнин Micro Switch Inc.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22061 (2022) Цитировать эту статью

609 Доступов

Подробности о метриках

Из-за своей близости к комнатной температуре и демонстрации высокой степени температурной настройки переход метамагнитного упорядочения FeRh привлекателен для новых высокопроизводительных вычислительных устройств, стремящихся использовать магнетизм в качестве переменной состояния. Мы демонстрируем электрический контроль перехода из антиферромагнитного состояния в ферромагнитное посредством джоулева нагрева в проволоках FeRh. Магнитный переход FeRh сопровождается изменением удельного сопротивления, которое можно измерить электрически и которое можно интегрировать в переключающие устройства. Моделирование методом конечных элементов, основанное на резком переходе состояний внутри каждой области, приводит к глобально плавному переходу, который согласуется с экспериментальными результатами и дает представление о задействованной термодинамике. Мы измеряем снижение температуры перехода на 150 К при токах до 60 мА, ограниченное только размерами устройства. Значительный сдвиг температуры перехода в зависимости от плотности тока и длины провода, предполагающий, что абсолютное сопротивление и рассеивание тепла подложки также важны. Изменение фазы FeRh оценивается с помощью импульсного IV с использованием различных условий смещения. Мы демонстрируем высокоскоростное (~ нс) мемристорное поведение и сообщаем о параметрах производительности устройства, таких как скорость переключения и энергопотребление, которые выгодно отличаются от современных мемристивных технологий с фазовым изменением.

Магнитные материалы являются важнейшими компонентами устройств памяти из-за присущей им энергонезависимости, радиационной стойкости и простоты управления1,2,3,4. Использование намагниченности в качестве переменной состояния имеет несколько преимуществ по сравнению с устройствами на основе заряда5. Во-первых, резонансные частоты внутри магнитных материалов как минимум на порядок выше, чем у существующей технологии DRAM (f ~ 6400 МГц для DDR5): гигагерцы для ферромагнетиков и терагерцы для антиферромагнетиков6,7. В настоящее время коммерчески доступная технология MRAM основана на вращающем моменте, передающем спин, для управления направлением магнитного момента и переключения свободного магнитного слоя в магнитных туннельных переходах8. Для этого требуется высокая амплитуда тока, которая может довольно быстро разрушить туннельный барьер и сделать устройство неработоспособным9,10.

Альтернативный подход к использованию устройств на основе намагничивания состоит в переключении самого состояния намагничивания путем переключения между ферромагнитной (FM) и антиферромагнитной (AFM) фазой, обеспечивая четкое состояние включения / выключения в устройстве с изменением фазы. Устройства памяти с фазовым изменением (PCM) обычно работают на основе контраста удельного сопротивления изолирующих аморфных и проводящих кристаллических фаз11,12. Действительно, устройства PCM, способные обеспечить более быстрое время записи и более высокий срок службы, чем традиционная память NAND, уже в пределах досягаемости12. FeRh обеспечивает идеальную платформу для быстрых, литографически простых воспоминаний с фазовым переходом из-за его перехода AFM в FM, который сопровождается объемным расширением кристаллической решетки типа CsCl и значительным изменением удельного сопротивления13,14,15. Переключение FeRh уникально, поскольку оно основано на изменении магнитной фазы, но функционально это проявляется в изменении удельного сопротивления.

Кроме того, критическая температура (TCr), которую мы определяем как начало перехода АФМ-ФМ при нагревании, близка к комнатной температуре и может быть настроена с помощью заместительного легирования16, деформации7,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25,26,27 и узоры24,28,29. Поскольку переход зависит от температуры, также возможно манипулирование устройством посредством джоулева нагрева30. Электрический ток, протекающий по проводу FeRh, может нагревать материал выше TCr, вызывая переход AFM-FM29,31,32,33. Предыдущие сообщения о FeRh предполагают, что переход происходит очень быстро и происходит за время ≤ 500 фс34. Это может привести к появлению нового класса устройств PCM, работающих на ТГц частотах, идеально подходящих для нейроморфных вычислительных приложений35.

355 K). The phase transition is accompanied by a decreasing resistance, persisting until T > 420 K where the FeRh has fully transitioned into the FM phase. A similar-but-opposite effect occurs when cooling the device (blue curve; FM-AFM transition for 345 K < T < 410 K, AFM transition when T < 345 K). In Fig. 1d we display the resistivity (ρxx) of a 200-nm-thick FeRh Hall bar (inset) as a function of temperature for current densities ranging from J = 1 × 106 A cm−2 to 5 × 106 A cm−2 (10 mA to 50 mA, respectively), measured while sweeping the sample temperature at a rate of ± 1 K min−1. The AFM-FM transition, as evidenced by the abrupt change in resistivity, is observed for each applied current density regardless of ambient temperature, but shifts from 410 K at 1 × 106 A cm−2 to 255 K at 5 × 106 A cm−2. The decrease in transition temperature is accompanied by a widening of the transition range that can be explained by our model, as discussed below and in the supplemental file S1./p> 10 V. Although hysteresis is always seen in the DC measurements, the absence of hysteresis for low Vb during pulsed operation indicates that heat is dissipating at a high enough rate to allow the FeRh to cool and transition back into the AFM phase between each pulse. This thermal dissipation effect can be manipulated by increasing the baseline voltage, evident by the evolution of the R-J hysteresis with bias voltage. When using pulses, a persistent FeRh FM state is only achieved when the Vb amplitude is large enough such that the FeRh temperature exceeds TCr during standby operation. Otherwise, the FeRh temperature fall below TCr and the FeRh will transition into the AFM state./p> 5 ms). Figure 5c shows the applied transient voltage (red curve) and measured current (blue curve) during individual pulses where Va and Vb were 29 V and 20 V, respectively. Within the resolution of our measurement, the device was capable of switching from OFF to ON in 311 ns. During this measurement, the equipment was configured to apply a 150 ns voltage pulse. However, the pulsed voltage had rise/fall times of ~ 150 ns, resulting in a pulse width of more than 300 ns, thus limiting our measurement capability. Therefore, this is an upper bound of the switching time, and we expect actual switching speeds to be much faster. Optical measurements by Pressacco, et al. showed the FeRh phase transition occurs on sub-picosecond time scales, suggesting that the operational limit for devices based on the FeRh transition could exceed GHz operating speeds, provided sufficient thermal sinking by the substrate34. To understand how this device can be optimized, we evaluate the power switching losses that occur during phase transition. Power consumption was calculated for the ON state and OFF states,/p>