On March 11th, at 14:00, Subham Senapati (SPINTEC) will defend his PhD thesis entitled : Spin-orbit torque based magnetic memories evaluation for cryogenic applications
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 March 2nd to admin.spintec@cea.fr)
video conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/98769867024?pwd=dXNnT3RMeThjYStybGVQSUN0TVdJdz09
Meeting ID: 987 6986 7024
Passcode: 025918
Abstract : The rapid development of cryogenic computing platforms, including superconducting electronics, quantum information processors, high-performance computing systems, and space applications, has created a demand for memory technologies that operate efficiently, reliably, and scalable at low temperatures. While magnetic random-access memory (MRAM) is a mature and commercially deployed non-volatile memory at room temperature, its behaviour and limitations at cryogenic temperatures remain insufficiently explored, particularly for three-terminal spin-orbit torque magnetic tunnel junctions (SOT-MTJs). This thesis presents a comprehensive experimental and modelling study of SOT-based magnetic memories operated from room temperature (300 K) down to liquid-helium (4 K) temperatures. A dedicated cryogenic characterisation framework is developed to extract magnetic parameters, quantify switching statistics, and evaluate write performance under both quasi-static and sub-nanosecond pulsed conditions. Temperature-dependent measurements reveal enhanced magnetic anisotropy and thermal stability at low temperatures, accompanied by non-trivial trends in critical switching current. By combining experiments with micromagnetic simulations incorporating temperature-dependent material properties and transient Joule heating, this work demonstrates that self-heating remains a dominant factor during write operations, especially at cryogenic bath temperatures. Beyond conventional SOT-MRAM, complementary approaches including optimised spin-transfer torque devices and voltage-gate-assisted SOT switching are investigated. They show that controlling retention via storage layer thickness is a relevant strategy to decrease write current while electric-field control of anisotropy enables efficient modulation of switching across a large temperature range. Overall, this thesis establishes both the physical limitations and technological potential of SOT- and voltage-gated SOT-based MRAM as viable candidates for future cryogenic memory systems.
titre : Évaluation des mémoires magnétiques à couple spin-orbite pour des applications cryogéniques
Résumé : Le développement rapide des plateformes de calcul cryogénique, incluant l’électronique supraconductrice, les processeurs d’information quantique, les systèmes de calcul haute performance et les applications spatiales, a créé une demande pour des technologies de mémoire fonctionnant de manière efficace, fiable et scalable à basses températures. Bien que la mémoire magnétique à accès aléatoire (MRAM) soit une technologie mature et commercialisée comme mémoire non volatile à température ambiante, son comportement et ses limitations à des températures cryogéniques restent insuffisamment explorés, en particulier pour les jonctions à effet tunnel magnétiques à couple de spin-orbit (SOT-MTJ) à trois terminaux. Cette thèse présente une étude expérimentale et de modélisation complète des mémoires magnétiques basées sur le couple de spin-orbit, opérant depuis la température ambiante (300 K) jusqu’à celle de l’hélium liquide (4 K). Un cadre de caractérisation cryogénique dédié est développé pour extraire les paramètres magnétiques, quantifier les statistiques de commutation et évaluer les performances d’écriture, tant en régime quasi-statique qu’en impulsions sub-nanosecondes. Les mesures en fonction de la température révèlent une anisotropie magnétique et une stabilité thermique accrues à basses températures, accompagnées de tendances non triviales dans le courant de commutation critique. En combinant expériences et simulations micromagnétiques intégrant les propriétés des matériaux dépendantes de la température et l’échauffement par effet Joule transitoire, ce travail démontre que l’auto-échauffement reste un facteur dominant lors des opérations d’écriture, en particulier aux températures cryogéniques. Au-delà des MRAM SOT conventionnelles, des approches complémentaires, telles que les dispositifs à couple de transfert de spin optimisés et la commutation SOT assistée par grille de tension, sont étudiées. Elles montrent que le contrôle de la rétention via l’épaisseur de la couche de stockage est une stratégie pertinente pour réduire le courant d’écriture, tandis que le contrôle par champ électrique de l’anisotropie permet une modulation efficace de la commutation sur une large plage de températures. Globalement, cette thèse établit à la fois les limites physiques et le potentiel technologique des MRAM basées sur le SOT et le SOT assisté par tension, en tant que candidates viables pour les futurs systèmes de mémoire cryogénique.
Jury :
Jon GORCHON, IJL (rapporteur)
Dafiné RAVELOSONA, C2N (rapporteur)
Liliana BUDA-PREJBEANU, Spintec (examinatrice)
Siddharth RAO, IMEC (examinateur)
Thesis supervisors :
Gilles Gaudin, directeur de thèse
Kevin Garello, co-encadrant
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