On Tuesday May 6th, at 13:00, Paolo Sgarro (SPINTEC) will defend his PhD thesis entitled :
Ferroelectric Spin-Orbit device: modeling, design, optimization and fabrication with oxide-based 2DEGs
Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (presential access to the conference room at CEA in Grenoble requires an entry authorization, request it before April 22th to admin.spintec@cea.fr)
Video conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/3241920232
Abstract : The thesis is aimed at the study through experiments, simulations, and design, the possibilities for the implementation, optimization and application of the Ferroelectric Spin-Orbit (FESO) device, a novel spintronic technology based on the coupling between ferroelectricity and spin-orbit coupling, leading to innovative non-volatile ultra-low power computing solutions.
This work is divided into five chapters.
The first chapter introduces the main spin related transport phenomena, together with a mathematical formulation enabling a numerical resolution, through Finite Element Method (FEM) simulations, of the spin drift-diffusion equations in an arbitrary spintronic device. The general aspects of the MESO (Magnetoelectric Spin-Orbit) and the FESO device are also presented.
The second chapter deals with the modeling and the design of technological applications based on the FESO device, particularly memory architectures and logic gates. For memories, the design for both Random Access Memories and Content Addressable Memories is developed and tested by simulations tools, an evaluation of its physical integration is also proposed. For logic gates, the FESO device is shown to successfully implement a non-volatile inverter and a majority gate with ultra-low power consumption. Beyond merging of storage and computation unit, circumventing the von Neumann bottleneck, the non-volatility also opens the door to power gating, to ultimately reduce the static leakage, a crucial problem of advanced technological nodes.
The third chapter investigates the optimization of the readout structure of FESO and MESO devices through FEM simulations, based on the spin Hall effect. The most relevant figures of merit are identified in the spin charge interconversion signal, ΔRscc and in the normalized form, ΔRscc/Rtot. The first figure of merit is related to the output signal, the second to the interconversion efficiency, those figure of merit being ultimately related to the error rate and voltage operation, respectively. The optimization is carried out by studying, with a particular focus, the spin injection efficiency and the geometrical scaling. The performances achieved validate the assumptions made in the previous chapter and guarantee the operation.
The fourth chapter extends the FEM model formulation to incorporate 2D spin-charge interconversion due to Rashba-Edelstein effect. After discussing the generalized boundary conditions in relation to the symmetry of the interfaces, the relative equations are included. The model is tested and validated on two case studies and then applied to the FESO geometry, in order to extend the modeling and the optimization to a wider class of materials. This is, to our knowledge, the first implementation of the modeling of this 3D to 2D spin to charge interconversion in realistic 3D systems. The results are in agreement with the expected gain in output signal and readout efficiency expected for Rashba systems respect to system with only spin Hall effects.
The fifth chapter gathers some of the experimental activity of this thesis, on the fabrication and characterization of FESO devices made with oxide-based two-dimensional electron gases (2DEGs). A top-down fabrication method is shown, that allows for a successful formation of a 2DEG at the SrTiO3/Ta interface, whose properties can be electrically controlled in a non-volatile way. The measurement of the interconversion yields a spin signal of 250 mΩ, one of the largest observed so far. The following of the chapter analyses the results, with a particular focus on the different contributions of the measured signal.
This work demonstrates the potential of FESO devices for next-generation non-volatile, low-power computing and paves the way to its experimental realization and optimization through oxide-based 2DEGs.
Le mardi 6 mai à 13h00, Paolo Sgarro (SPINTEC) soutiendra sa thèse de doctorat intitulée : Dispositif ferroélectrique à spin-orbite : modélisation, conception, optimisation et fabrication avec des 2DEG à base d’oxydes.
Lieu : IRIG/SPINTEC, CEA Bâtiment 10.05, auditorium 445 (l’accès en présentiel à la salle de conférence du CEA à Grenoble nécessite une autorisation d’entrée ; veuillez la demander avant le 22 avril à admin.spintec@cea.fr).
Vidéoconférence : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/3241920232
Résumé: Cette thèse vise à étudier, par le biais d’expériences, de simulations et de conception, les possibilités de mise en œuvre, d’optimisation et d’application du dispositif Ferroelectric Spin-Orbit (FESO), une nouvelle technologie spintronique basée sur le couplage entre la ferroélectricité et le couplage spin-orbite, conduisant à des solutions informatiques innovantes non volatiles et à très faible consommation d’énergie.
Ce travail est divisé en cinq chapitres.
Le premier chapitre présente les principaux phénomènes de transport liés au spin, ainsi qu’une formulation mathématique permettant une résolution numérique, grâce à des simulations par la méthode des éléments finis (FEM), des équations de dérive-diffusion du spin dans un dispositif spintronique arbitraire. Les aspects généraux des dispositifs MESO (Magnetoelectric Spin-Orbit) et FESO sont également présentés.
Le deuxième chapitre traite de la modélisation et de la conception d’applications technologiques basées sur le dispositif FESO, en particulier les architectures de mémoire et les portes logiques. Pour les mémoires, la conception des mémoires à accès aléatoire et des mémoires adressables par le contenu est développée et testée par des outils de simulation, une évaluation de son intégration physique est également proposée. En ce qui concerne les portes logiques, le dispositif FESO permet de mettre en œuvre avec succès un inverseur non volatile et une porte majoritaire à très faible consommation d’énergie. Au-delà de la fusion de l’unité de stockage et de l’unité de calcul, contournant le goulot d’étranglement de von Neumann, la non-volatilité ouvre également la porte à la gestion de l’alimentation, pour finalement réduire les fuites statiques, un problème crucial pour les nœuds technologiques avancés.
Le troisième chapitre étudie l’optimisation de la structure de lecture des dispositifs FESO et MESO par le biais de simulations FEM, basées sur l’effet Hall de spin. Les chiffres de mérite les plus pertinents sont identifiés dans le signal d’interconversion de la charge de spin, ΔRscc et dans le signal normalisé, ΔRscc/Rtot. Le premier facteur de mérite est lié au signal de sortie, le second à l’efficacité de l’interconversion, ces facteurs de mérite étant finalement liés au taux d’erreur et à la tension de fonctionnement, respectivement. L’optimisation est réalisée en étudiant, en particulier, l’efficacité de l’injection de spin et la mise à l’échelle géométrique. Les performances obtenues valident les hypothèses formulées dans le chapitre précédent et garantissent le fonctionnement.
Le quatrième chapitre étend la formulation du modèle FEM pour incorporer l’interconversion spin-charge 2D due à l’effet Rashba-Edelstein. Après avoir discuté des conditions aux limites généralisées en relation avec la symétrie des interfaces, les équations relatives sont incluses. Le modèle est testé et validé sur deux études de cas, puis appliqué à la géométrie FESO, afin d’étendre la modélisation et l’optimisation à une classe plus large de matériaux. Il s’agit, à notre connaissance, de la première implémentation de la modélisation de cette interconversion de spin à charge de 3D à 2D dans un système 3D réaliste. Les résultats sont en accord avec le gain attendu en signal de sortie et en efficacité de lecture pour les systèmes de Rashba en ce qui concerne les effets Hall de spin.
Le cinquième chapitre rassemble une partie de l’activité expérimentale de cette thèse, sur la fabrication et la caractérisation de dispositifs FESO fabriqués avec des gaz d’électrons bidimensionnels (2DEGs) à base d’oxydes (de métaux de transition). Une approche de fabrication descendante est montrée, qui permet la formation d’un 2DEG à l’interface SrTiO3/Ta, et le contrôle électrique non-volatile de ses propriétés. La mesure de l’interconversion permet d’obtenir un signal de spin de 250mΩ l’un des plus importants observés à ce jour. La suite du chapitre analyse les résultats, en mettant l’accent sur les différentes contributions du signal mesuré.
Ce travail démontre le potentiel des dispositifs FESO pour la prochaine génération d’ordinateurs non volatiles à faible consommation et ouvre la voie à leur réalisation expérimentale et à leur optimisation grâce à des 2DEG à base d’oxydes de metaux de transition.
Jury :
- Florent Tournus, Charge De Recherche Hdr, Cnrs Delegation Rhone Auvergne – Rapporteur
- Henri Jaffrès, Directeur De Recherche, Cnrs Délégation Ile-De-France Gyf Sur Yvette – Rapporteur
- Lorena Anghel, Professeure Des Universites, Grenoble Inp – Uga – Examinatrice
- Jean-Michel Portal, Professeur Des Universites, Aix-Marseille Université – Examinateur
- Louis Hutin, Directeur De Recherche, Cea Leti – Examinateur
Direction De Thèse :
- Jean-Philippe Attane, Professeur Des Universites, Universite Grenoble Alpes – Directeur De Thèse
- Guillaume Prenat, Directeur De Recherche, Cea Grenoble – Co-Directeur De Thèse
