Nowe badania ujawniają, jak elektronika nowej generacji z biegiem czasu ulega degradacji
Obserwując w czasie rzeczywistym złącza tuneli magnetycznych Spintronic, badacze odkryli, że urządzenia te ulegają awariom w nieoczekiwanie niskich temperaturach, co dostarcza cennych spostrzeżeń umożliwiających ulepszenie przyszłych projektów elektronicznych.
Degradacja elektroniki nowej generacji
Nowe badanie prowadzone przez naukowców z University of Minnesota Twin Cities dostarcza nowych informacji na temat tego, jak elektronika nowej generacji, w tym elementy pamięci w komputerach, z czasem ulegają awariom lub degradacji. Zrozumienie przyczyn degradacji może pomóc w poprawie wydajności rozwiązań do przechowywania danych.
Badanie zostało opublikowane w ACS Nanorecenzowane czasopismo naukowe, które pojawia się na okładce czasopisma.
Udoskonalanie przechowywania danych dzięki technologii Spintronic
Postęp w technologii komputerowej stale zwiększa zapotrzebowanie na wydajne rozwiązania do przechowywania danych. Spintroniczne magnetyczne złącza tunelowe (MTJ) — urządzenia nanostrukturalne, które wykorzystują spin elektronów do ulepszania dysków twardych, czujników i innych systemów mikroelektronicznych, w tym magnetycznej pamięci o dostępie swobodnym (MRAM) — tworzą obiecujące alternatywy dla następnej generacji urządzeń pamięci.
MTJ stanowią elementy składowe pamięci nieulotnej w produktach takich jak inteligentne zegarki i komputery w pamięci, co stanowi obietnicę zastosowania w aplikacjach poprawiających efektywność energetyczną sztucznej inteligencji.
Nagrany film pokazuje działanie urządzenia pamięci MTJ i sposób degradacji struktury atomowej krytycznej cienkiej warstwy w środku. Źródło: Mkhoyan Lab, Uniwersytet Minnesota
Obserwowanie degradacji urządzenia w czasie rzeczywistym
Za pomocą wyrafinowanego mikroskopu elektronowego badacze przyjrzeli się nanofilarom w tych układach, które są niezwykle małymi, przezroczystymi warstwami w urządzeniu. Naukowcy przepuścili prąd przez urządzenie, aby zobaczyć, jak ono działa. Zwiększając prąd, mogli w czasie rzeczywistym obserwować, jak urządzenie ulega degradacji i ostatecznie umiera.
„Eksperymenty z transmisyjną mikroskopią elektronową (TEM) w czasie rzeczywistym mogą stanowić wyzwanie nawet dla doświadczonych badaczy” – powiedział dr Hwanhui Yun, pierwszy autor artykułu i pracownik naukowy ze stopniem doktora na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Nauk o Materiałach Uniwersytetu Minnesota. „Ale po dziesiątkach niepowodzeń i optymalizacji konsekwentnie produkowano działające próbki”.
Przełomy w zrozumieniu awarii elektronicznych
W ten sposób odkryli, że z biegiem czasu przy ciągłym natężeniu prądu warstwy urządzenia ulegają ściśnięciu, co powoduje jego nieprawidłowe działanie. Teoretyzowano na ten temat w poprzednich badaniach, ale badaczom udało się zaobserwować to zjawisko po raz pierwszy. Gdy w urządzeniu utworzy się „dziura” (szczypta), znajduje się ona we wczesnym stadium degradacji. W miarę jak badacze dostarczali coraz więcej prądu do urządzenia, urządzenie topiło się i całkowicie spalało.
„Niezwykłe w przypadku tego odkrycia było to, że zaobserwowaliśmy wypalenie w znacznie niższej temperaturze, niż to, co uważano za możliwe w poprzednich badaniach” – powiedział Andre Mkhoyan, starszy autor artykułu i profesor oraz przewodniczący Ray D. i Mary T. Johnson na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Nauk o Materiałach Uniwersytetu Minnesota. „Temperatura była prawie o połowę niższa od oczekiwanej wcześniej”.
Konsekwencje dla przyszłego projektowania elektroniki
Przyglądając się bliżej urządzeniu w skali atomowej, badacze zdali sobie sprawę, że tak małe materiały mają bardzo różne właściwości, w tym temperaturę topnienia. Oznacza to, że urządzenie ulegnie całkowitej awarii w zupełnie innych ramach czasowych, niż ktokolwiek wcześniej przewidywał.
„Istniało duże zapotrzebowanie na zrozumienie interfejsów między warstwami w czasie rzeczywistym w rzeczywistych warunkach pracy, takich jak przyłożenie prądu i napięcia, ale nikomu wcześniej nie udało się osiągnąć takiego poziomu zrozumienia” – powiedział Jian-Ping Wang, starszy autor ds. artykułu oraz wybitnego profesora McKnighta i kierownika Roberta F. Hartmanna na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Uniwersytetu w Minnesocie.
„Z radością informujemy, że zespół odkrył coś, co będzie miało bezpośredni wpływ na urządzenia mikroelektroniczne nowej generacji dla naszego przemysłu półprzewodników” – dodał Wang.
Naukowcy mają nadzieję, że wiedzę tę można wykorzystać w przyszłości do ulepszenia konstrukcji jednostek pamięci komputera, aby zwiększyć ich trwałość i wydajność.
Odniesienie: „Odkrywanie migracji atomowych za awarią złącza tunelu magnetycznego” Hwanhui Yun, Deyuan Lyu, Yang Lv, Brandon R. Zink, Pravin Khanal, Bowei Zhou, Wei-Gang Wang, Jian-Ping Wang i K. Andre Mkhoyan, 20 sierpnia 2024, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.4c08023
Oprócz Yuna, Mkhoyana i Wanga w skład zespołu weszli Deyuan Lyu, pracownik naukowy na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Uniwersytetu Minnesota, pracownik naukowy Yang Lv, były pracownik naukowy ze stopniem doktora Brandona Zinka oraz badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Arizonie.
Praca ta została sfinansowana przez SMART, jedno z siedmiu ośrodków nCORE, programu Semiconductor Research Corp. sponsorowanego przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST); Finansowanie w ramach dotacji Uniwersytetu Minnesota; Narodowa Fundacja Nauki (NSF); oraz Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obronności (DARPA). Prace ukończono we współpracy z ośrodkiem charakteryzacji Uniwersytetu Minnesota i Minnesota Nano Center.
