Apparaatstoringen door continue stroom leiden tot ontdekking die het ontwerp van micro-elektronische apparaten kan verbeteren

Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers aan de University of Minnesota Twin Cities biedt nieuwe inzichten in hoe next-generation elektronica, waaronder geheugencomponenten in computers, na verloop van tijd kapotgaan of degraderen. Inzicht in de redenen voor degradatie kan helpen de efficiëntie van dataopslagoplossingen te verbeteren.

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Nano en staat op de cover van het tijdschrift.

Vooruitgang in computertechnologie blijft de vraag naar efficiënte dataopslagoplossingen vergroten. Spintronic magnetic tunnel junctions (MTJ’s) – nanogestructureerde apparaten die de spin van de elektronen gebruiken om harde schijven, sensoren en andere micro-elektronische systemen te verbeteren, waaronder Magnetic Random Access Memory (MRAM) – vormen veelbelovende alternatieven voor de volgende generatie geheugenapparaten.

MTJ’s zijn de bouwstenen geweest voor het niet-vluchtige geheugen in producten zoals slimme horloges en in-memory computing met een belofte voor toepassingen om de energie-efficiëntie in AI te verbeteren.

Met behulp van een geavanceerde elektronenmicroscoop keken onderzoekers naar de nanopilaren in deze systemen, die extreem kleine, transparante lagen in het apparaat zijn. De onderzoekers lieten een stroom door het apparaat lopen om te zien hoe het werkte. Toen ze de stroom verhoogden, konden ze in realtime observeren hoe het apparaat aftakelde en uiteindelijk stierf.

“Experimenten met realtime transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) kunnen een uitdaging zijn, zelfs voor ervaren onderzoekers,” aldus Dr. Hwanhui Yun, eerste auteur van het artikel en postdoctoraal onderzoeker aan de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen van de Universiteit van Minnesota. “Maar na tientallen mislukkingen en optimalisaties werden er steeds werkende monsters geproduceerd.”

Door dit te doen, ontdekten ze dat na verloop van tijd bij een continue stroom de lagen van het apparaat worden afgeknepen en het apparaat defect raakt. Eerder onderzoek theoretiseerde dit, maar dit is de eerste keer dat onderzoekers dit fenomeen hebben kunnen waarnemen. Zodra het apparaat een “speldengaatje” (de kneep), het bevindt zich in de beginfase van degradatie. Terwijl de onderzoekers steeds meer stroom aan het apparaat toevoegden, smelt het en brandt het volledig door.

“Wat ongebruikelijk was aan deze ontdekking, is dat we deze uitbranding zagen bij een veel lagere temperatuur dan wat eerder onderzoek mogelijk achtte,” aldus Andre Mkhoyan, een van de hoofdauteurs van het artikel en hoogleraar aan de Ray D. en Mary T. Johnson Chair aan de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen van de Universiteit van Minnesota. “De temperatuur was bijna de helft van de verwachte temperatuur.”

Toen onderzoekers het apparaat op atomaire schaal nader bekeken, realiseerden ze zich dat zulke kleine materialen heel andere eigenschappen hebben, waaronder smelttemperatuur. Dit betekent dat het apparaat volledig zal falen op een heel ander tijdsbestek dan iedereen ooit eerder wist.

“Er is een grote vraag naar het begrijpen van de interfaces tussen lagen in realtime onder echte werkomstandigheden, zoals het toepassen van stroom en spanning, maar niemand heeft dit niveau van begrip eerder bereikt.” zei Jian-Ping Wang, een van de hoofdauteurs van het artikel en een Distinguished McKnight Professor en Robert F. Hartmann Chair in de afdeling Elektrotechniek en Computertechniek aan de Universiteit van Minnesota.

“We zijn erg blij te kunnen melden dat het team iets heeft ontdekt dat een directe impact zal hebben op de volgende generatie micro-elektronische apparaten voor onze halfgeleiderindustrie.” Wang voegde toe.

De onderzoekers hopen dat deze kennis in de toekomst gebruikt kan worden om het ontwerp van computergeheugenunits te verbeteren en zo de levensduur en efficiëntie te vergroten.

Naast Yun, Mkhoyan en Wang bestond het team uit postdoctoraal onderzoeker Deyuan Lyu van de afdeling Elektrotechniek en Computertechniek van de Universiteit van Minnesota, onderzoeksmedewerker Yang Lv, voormalig postdoctoraal onderzoeker Brandon Zink en onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Arizona.