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Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9416 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Embora os conversores analógico-digitais (ADCs) sejam componentes críticos em circuitos integrados (IC) de sinal misto, seu desempenho não melhorou significativamente na última década. Para alcançar uma melhoria radical (ADCs compactos, de baixa potência e confiáveis), a spintrônica pode ser considerada um candidato adequado devido à sua compatibilidade com CMOS e amplas aplicações em armazenamento, computação neuromórfica e assim por diante. Neste artigo, uma prova de conceito de um ADC Flash CMOS de spin de 3 bits usando junções de túnel magnético de anisotropia no plano (i-MTJs) com mecanismo de comutação de torque spin-órbita (SOT) é projetada, fabricada e caracterizada . Neste ADC, cada MTJ desempenha o papel de um comparador cujo limite é definido pela engenharia da largura do metal pesado (HM). Essa abordagem pode reduzir a pegada do ADC. As simulações de Monte-Carlo baseadas nas medições experimentais mostram que as variações/incompatibilidade do processo limitam a precisão do ADC proposto a 2 bits. Além disso, a não linearidade diferencial máxima (DNL) e a não linearidade integral (INL) são 0,739 LSB (bit menos significativo) e 0,7319 LSB, respectivamente.

Os ADCs convertem entrada analógica em saída digital e desempenham um papel crucial em sistemas computacionais1,2,3,4. Com a computação emergente na memória (CiM) para implementação de redes neurais profundas (DNN), a necessidade de ADCs compactos e de baixa potência está aumentando5,6,7. Os ADCs convencionais sofrem com o escalonamento da tecnologia devido à grande variação de processo e menor desempenho nos nós escalonados. De acordo com o roteiro publicado recentemente para o ADC, o desempenho do ADC não mostra melhorias óbvias em termos de resolução, área e consumo de energia nos próximos anos usando a tecnologia atual8. Uma solução promissora pode ser a mudança da tecnologia convencional de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) para novas tecnologias híbridas, como a tecnologia spin-CMOS9.

A junção de túnel magnético (MTJ) é um candidato promissor como dispositivo spintrônico para muitas aplicações devido à sua compatibilidade com CMOS, não volatilidade, alto tempo de retenção e longa resistência10,11,12. Um MTJ consiste em uma camada de óxido entre duas camadas ferromagnéticas (FM). A direção de magnetização de um dos FMs é fixa e é chamada de camada pinada (PL) enquanto a outra que pode ser comutada ao longo de seu eixo fácil é chamada de camada livre (FL). Se as direções de magnetização do FL e PL forem paralelas, o dispositivo está no estado paralelo (P-state), onde o MTJ apresenta uma baixa resistência (lógica '0'), enquanto que, se a direção de magnetização do FL estiver no direção oposta do PL, o dispositivo está em estado antiparalelo (estado AP) e mostra uma resistência alta (lógica '1'). A orientação magnética do FL pode ser ajustada passando uma corrente de carga (ISTT) através do MTJ por meio do mecanismo de torque de transferência de rotação (STT)13. No entanto, um dos desafios desse método de comutação é que a fina camada de óxido pode ser quebrada quando o dispositivo experimenta uma grande quantidade de ISTT, levando à redução da confiabilidade e resistência dos MTJs14. Os MTJs baseados em torque spin-órbita (SOT) foram propostos para superar esse problema, melhorando a eficiência de comutação15. Nos SOTs, uma corrente de carga (ISOT) maior que a corrente de carga crítica (ISOT,crit) flui através de um metal pesado (HM) e a comutação é realizada pelo SOT através do efeito spin Hall (SHE)16,17.

Recentemente, vários trabalhos sobre o projeto de ADC usando MTJ baseado em SOT foram relatados8,18,19,20,21. Jiang et al.8 desenvolveram um ADC spintrônico baseado em SHE e anisotropia magnética controlada por tensão (VCMA). Para ajustar o ISOT,crit de cada MTJ, uma escada resistiva é utilizada para fornecer diferentes tensões nos MTJs. Tal abordagem sofre de sobrecarga de energia e problemas de confiabilidade18. Em outros trabalhos18,19,20,21, um cone HM é compartilhado entre MTJs em que a largura do HM (wHM) é projetada para ajustar ISOT,crit. Para detectar o estado de cada MTJ em tais abordagens, uma corrente flui através do MTJ (ISens). No entanto, considerando o fato de que o HM compartilhado forma o contato inferior dos MTJs, os ISens passarão por apenas uma parte do HM. Os MTJs experimentarão diferentes resistências de contato com o fundo, dependendo de sua posição no HM compartilhado. Vale ressaltar que diferentes larguras de HMs, obviamente, levam a diferentes resistências de HMs no caminho e essa resistência fica maior para MTJs posicionados longe do terminal HM conectado ao terra. Quanto maior a resistência do HM no caminho da corrente, maior a degradação da magnetorresistência (MR) e, portanto, menor a confiabilidade da leitura. Para superar esse problema, alguns trabalhos usam uma abordagem de leitura lateral18,19, enquanto outros usam um quantizador fictício para detectar cada resistência MTJ20. A diferença nas resistências dos HMs adjacentes é compensada ajustando o tamanho do transistor no circuito de detecção21. No entanto, nas soluções propostas, aumentar a complexidade do circuito de detecção é o custo da questão de mitigação da degradação do MR. Neste artigo, é investigada a prova de conceito da implementação de um ADC baseado em dispositivos spintrônicos, o que fornece diretrizes de design para futuros ADCs spin-CMOS. Para tanto, um ADC spin-CMOS é proposto, projetado e caracterizado no qual o MTJ baseado em SOT e seu ISOT,crit atuam como um comparador e corrente de referência (Iref) em ADCs Flash de modo de corrente convencional, respectivamente. Apesar das estruturas propostas na literatura18,19,20, nesta estrutura, MTJs baseados em SOT de anisotropia no plano (i-SOT-MTJ) são colocados em ramificações paralelas para mitigar a dedução de MR e a complexidade do circuito de detecção . O impacto da resistência do HM no MR é mostrado comparando os dados de medição extraídos da estrutura proposta por Ghanatian et al.20 com a abordagem apresentada neste artigo. Para comparar os valores de MR entre as duas abordagens, o i-SOT-MTJ é empregado. No entanto, Ghanatian et al.20, usou MTJs baseados em SOT de anisotropia perpendicular (p-SOT-MTJ)s, nos quais a direção do eixo fácil das camadas magnéticas (isto é, FL e PL) é perpendicular ao plano das camadas magnéticas. Comparado ao i-SOT-MTJ, o p-SOT-MTJ oferece várias vantagens, incluindo comutação rápida e escalabilidade22. No entanto, no p-SOT-MTJ, a comutação não é determinística e há a necessidade de um campo magnético externo que leva a um aumento da complexidade e sensibilidade à variação do processo. Para superar esse problema, várias técnicas, como anisotropia magnética de controle de tensão (VCMA)23, viés de troca (EB)24 e SOT assistido por STT20, foram propostas. Do ponto de vista da fabricação, as pilhas de p-SOT-MTJs são geralmente compostas por multicamadas ultrafinas de Co/Pt. Isso requer dois alvos adicionais nos sistemas de deposição. Além disso, na estrutura de MTJ invertida proposta (ver seção Métodos), as camadas de referência estão no topo do MTJ. A rugosidade causada pelas camadas inferiores é alta e é difícil garantir as propriedades de anisotropia magnética perpendicular (PMA). Considerando os desafios da nanofabricação, decidimos usar uma pilha onde o FL é ligeiramente inclinado para fora do plano, conforme descrito por Tarequzzaman et al.25. Os resultados das medições mostram que os valores de MR do ADC proposto são superiores aos da estrutura proposta por Ghanatian et al.20, o que significa que a confiabilidade da leitura pode ser melhorada na estrutura proposta.