Modélisation compacte et conception de circuit à base de jonction tunnel ferroélectrique et de jonction tunnel magnétique exploitant le transfert de spin assisté par effet Hall de spin

par Zhaohao Wang

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jacques-Olivier Klein.

Le président du jury était Ian O'Connor.

Le jury était composé de Jacques-Olivier Klein, Ian O'Connor, Weisheng Zhao, Joerg Wunderlich.

Les rapporteurs étaient Julie Grollier, Lionel Torres.


  • Résumé

    Les mémoires non-volatiles (MNV) sont l'objet d'un effort de recherche croissant du fait de leur capacité à limiter la consommation statique, qui obère habituellement la réduction des dimensions dans la technologie CMOS. Dans ce contexte, cette thèse aborde plus spécifiquement deux technologies de mémoires non volatiles : d'une part les jonctions tunnel ferroélectriques (JTF), dispositif non volatil émergent, et d'autre part les dispositifs à transfert de spin (TS) assisté par effet Hall de spin (EHS), approche alternative proposée récemment pour écrire les jonctions tunnel magnétiques (JTM). Mon objectif est de développer des modèles compacts pour ces deux technologies et d'explorer, par simulation, leur intégration dans les circuits non-volatiles.J'ai d'abord étudié les modèles physiques qui décrivent les comportements électriques des JTF : la résistance tunnel, la dynamique de la commutation ferroélectrique et leur comportement memristif. La précision de ces modèles physiques est validée par leur bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Afin de proposer un modèle compatible avec les simulateurs électriques standards, nous j'ai développé les modèles physiques mentionnés ci-dessus en langue Verilog-A, puis je les ai intégrés ensemble. Le modèle électrique que j'ai conçu peut être exploité sur la plate-forme Cadence (un outil standard pour la simulation de circuit). Il reproduit fidèlement les comportements de JTF. Ensuite, en utilisant ce modèle de JTF et le design-kit CMOS de STMicroelectronics, j'ai conçu et simulé trois types de circuits: i) une mémoire vive (RAM) basée sur les JTF, ii) deux systèmes neuromorphiques basés sur les JTF, l'un qui émule la règle d'apprentissage de la plasticité synaptique basée sur le décalage temporel des impulsions neuronale (STDP), l'autre mettant en œuvre l'apprentissage supervisé de fonctions logiques, iii) un bloc logique booléen basé sur les JTF, y compris la démonstration des fonctions logiques NAND et NOR. L'influence des paramètres de la JTF sur les performances de ces circuits a été analysée par simulation. Finalement, nous avons modélisé la dynamique de renversement de l'aimantation dans les dispositifs à anisotropie perpendiculaire à transfert de spin assisté par effet Hall de spin dans un JTM à trois terminaux. Dans ce schéma, deux courants d'écriture sont appliqués pour générer l'EHS et le TS. La simulation numérique basée sur l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) démontre que le délai d'incubation de TS peut être éliminé par un fort EHS, conduisant à la commutation ultra-rapide de l'aimantation, sans pour autant requérir une augmentation excessive du TS. Nous avons appliqué cette nouvelle méthode d'écriture à la conception d'une bascule magnétique et d'un additionneur 1 bit magnétique. Les performances des circuits magnétiques assistés par l'EHS ont été comparés à ceux écrits par transfert de spin, par simulation et par une analyse fondée sur le modèle théorique.

  • Titre traduit

    Compact modeling and circuit design based on ferroelectric tunnel junction and spin-Hall-assisted spin-transfer torque


  • Résumé

    Non-volatile memory (NVM) devices have been attracting intensive research interest since they promise to solve the increasing static power issue caused by CMOS technology scaling. This thesis focuses on two fields related to NVM: the one is the ferroelectric tunnel junction (FTJ), which is a recent emerging NVM device. The other is the spin-Hall-assisted spin-transfer torque (STT), which is a recent proposed write approach for the magnetic tunnel junction (MTJ). Our objective is to develop the compact models for these two technologies and to explore their application in the non-volatile circuits through simulation.First, we investigated physical models describing the electrical behaviors of the FTJ such as tunneling resistance, dynamic ferroelectric switching and memristive response. The accuracy of these physical models is validated by a good agreement with experimental results. In order to develop an electrical model available for the circuit simulation, we programmed the aforementioned physical models with Verilog-A language and integrated them together. The developed electrical model can run on Cadence platform (a standard circuit simulation tool) and faithfully reproduce the behaviors of the FTJ.Then, using the developed FTJ model and STMicroelectronics CMOS design kit, we designed and simulated three types of circuits: i) FTJ-based random access memory (FTRAM), ii) two FTJ-based neuromorphic systems, one of which emulates spike-timing dependent plasticity (STDP) learning rule, the other implements supervised learning of logic functions, iii) FTJ-based Boolean logic block, by which NAND and NOR logic are demonstrated. The influences of the FTJ parameters on the performance of these circuits were analyzed based on simulation results.Finally, we focused on the reversal of the perpendicular magnetization driven by spin-Hall-assisted STT in a three-terminal MTJ. In this scheme, two write currents are applied to generate spin-Hall effect (SHE) and STT. Numerical simulation based on Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation demonstrates that the incubation delay of the STT can be eliminated by the strong SHE, resulting in ultrafast magnetization switching without the need to strengthen the STT. We applied this novel write approach to the design of the magnetic flip-flop and full-adder. Performance comparison between the spin-Hall-assisted and the conventional STT magnetic circuits were discussed based on simulation results and theoretical models.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paris-Saclay. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.