3D Integration nichtflüchtiger nanomagnetischer Logik

• Antragstellerin: Professorin Dr. Doris Schmitt-Landsiedel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 114933698

In nanomagnetischer Logik (NML) ist ein logischer Zustand durch die Magnetisierungsrichtung eines einzelnen Nanomagneten gegeben. Die Wechselwirkung zwischen benachbarten Magneten durch magnetische Feldkopplung wird für Logikoperationen genutzt. Dieses Prinzip wurde bisher für Nanomagnete innerhalb einer magnetischen Schicht genutzt. In dem laufenden DFG-Projekt Feldgekoppelte Schaltungen in magnetischen Mehrlagenschichten (2009-2012) haben wir die Technologie und alle grundlegenden Komponenten für Systeme mit vertikaler Magnetisierung entwickelt. Dazu haben wir eine neue Technik entwickelt, um mit lokaler FIB-Bestrahlung die magnetischen Eigenschaften der Magnete einzustellen und die Richtung des Signalflusses zwischen benachbarten Magneten zu kontrollieren. So konnten wir eine Kette mit gerichtetem Signalfluss und ein Mehrheitsgatter realisieren. Dies ist ein universelles Gatter, das als NAND- oder NOR-Gatter programmiert werden kann, und es ist der Grundbaustein der nanomagnetischen Logik.In dem beantragten Folgeprojekt wollen wir diese Methoden anwenden, um Feldkopplung zwischen Magneten in dreidimensionaler Anordnung zu realisieren. Damit kann Feldkopplung in allen Richtungen sowohl für dreidimensionale Logikgatter wie auch für Signalführung genutzt werden. Dies führt zu einer echten und hochdichten 3D-Integration. Mit unserer Technik der lokalen Bestrahlung zusammen mit den dreidimensionalen Geometrien, die wir in diesem Projekt entwickeln wollen, kann gerichteter Signalfluss in drei Dimensionen erzielt werden. Dies ermöglicht Signalkreuzungen, was bisher ein Haupthindernis für die Verwirklichung komplexer NML Systeme ist. Erste Experimente zeigen bereits, dass die Herstellung von 3D magnetischen Mehrlagenschichten möglich und die vertikale Kopplung ausreichend ist. Eingangs- und Ausgangsschnittstellen, die wir entwickelt haben, um NML in eine elektronische Umgebung einbetten zu können, wollen wir in die 3D-Architektur übernehmen. Für die Takt- und Energieversorgung nutzen wir ein externes magnetisches Feld. Hier wollen wir die Zusammenhänge zwischen Amplitude, Frequenz, lokaler Feldverteilung und dem Schaltverhalten der NML-Gatter mit Simulationen und Experimenten untersuchen. Ein sinusförmiges Signal für die Takt- und zugleich Energieversorgung ermöglicht adiabatische Energierückgewinnung mit einem resonanten Oszillator. Das letztendliche Ziel des Vorhabens ist die Herstellung eines komplexen Logikblocks aus mehreren Mehrheitsgattern, der sich über drei Lagen erstreckt.Anders als CMOS-Logik benötigt nanomagnetische Logik keine Verdrahtung für Signale und Versorgungsleitungen. Es gibt keine Leckströme, die Zustände sind nichtflüchtig gespeichert, und es gibt eine globale Taktversorgung, wodurch Störungen zufolge Schwankungen der Taktflanken vermieden werden. Somit werden wir eine neuartige Digitaltechnik erarbeiten, die besonders für robuste Systeme mit niedriger Verlustleistung geeignet ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Umbau Sputter-Maschine
• Gerätegruppe: 8330 Vakuumbedampfungsanlagen und -präparieranlagen für Elektronenmikroskopie
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Markus Becherer