1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2021-26-1-7-29538.955:621.377.624.6:004.942Элементы интегральной электроникиSpin Valves in Microelectronics. ReviewСпиновые вентили в микроэлектронике. Обзор729http://ivuz-e.ru/en/issues/1-_2021/spinovye_ventili_v_mikroelektronike_obzor/

The base element of micromagnetic devices are the layered spin-valve structures. Small sizes, compatibility with the CMOS technology, scaling ability and various work conditions make the spin-valve structures a universal component of modern microelectronics. The purpose of present work is the analysis, systematization and generalization of the data of the work theoretical bases, experimental data and the application of spin valves. In the review, the hard disc drives, random-access magnetoresistive memory, the spin-transfer nano-oscillators, the magnetic biosensors, as well as various computing systems, operating on the principles of stochastic and deterministic logic, have been considered. The key theoretical works devoted to giant magnetoresistance and spin transfer have been used. The data on various types of the hard-disc readheads have been systematized, their architecture and parameters have been compared, and it has been shown how modern scientific research of nanomagnetic phenomena accelerates the growth rate of the recording density. The analysis of modern research devoted to magnetoresistive random access memory has been carried out. The problems of energy efficiency and increasing the degree of the integration for these devices have been discussed. The latest achievements in the field of materials, geometry and the properties of the spin-transfer nano-oscillators, as well as the problems and prospects for the development of this technology have been considered. The analysis of theoretical and experimental works, in which the spin-gate structures have been used to perform the logical operations of Boolean and non-Boolean logic, has been carried out. It has been shown how the probabilistic nature of the unstable switching of spin gates is used in the operation of the unconventional computing systems, namely, neuromorphic or Bayesian networks. The principles of operation of the spin valves as magnetic biosensors have been considered and the advantages of their application have been discussed.

Базовым элементом микромагнитных устройств являются слоистые спин-вентильные структуры. Малые размеры, совместимость с КМОП-технологией, хорошая масштабируемость и разнообразные режимы работы делают спин-вентильные структуры универсальным компонентом современной микроэлектроники. Цель настоящей работы - анализ, систематизация и обобщение сведений по теоретическим основам функционирования, экспериментальным данным и применению спиновых вентилей. В работе рассмотрены накопители на жестких магнитных дисках, магниторезистивная память с произвольным доступом, спин-трансферные наноосцилляторы, магнитные биосенсоры, а также различные вычислительные системы, работающие по принципам стохастической и детерминированной логики. Использованы ключевые теоретические работы, посвященные гигантскому магнетосопротивлению и спиновому переносу. Систематизированы данные о различных типах считывающих головок жестких дисков, проведено сравнение их архитектуры и параметров. Показано, как современные научные исследования наномагнитных явлений ускоряют темпы роста плотности записи. Проведен анализ современных исследований, посвященных магниторезистивной памяти с произвольным доступом. Обсуждены проблемы энергоэффективности и увеличения степени интеграции для данных устройств. Рассмотрены последние достижения в области материалов, геометрии и свойств спин-трансферных наноосцилляторов, а также проблемы и перспективы развития данной технологии. Проведен анализ теоретических и экспериментальных работ, в которых спин-вентильные структуры задействованы для выполнения логических операций булевой и небулевой логик. Показано, как вероятностный характер неустойчивого переключения спиновых вентилей используется в работе нетрадиционных вычислительных систем, а именно нейроморфных или байесовских сетей. Рассмотрены принципы работы спиновых вентилей в качестве магнитных биосенсоров и обсуждены преимущества их применения.

 Mott N.F. The resistance and thermoelectric properties of the transition metals // Proceed-ings of the Royal Society. 1936. Vol. 156. P. 368–382.Mott N.F. Electrons in transition metals // Advances in Physics. 1964. Vol. 13. P. 325–422.Fert A., Campbell I.A. Two-current conduction in nickel // Physical Review Letters. 1968. Vol. 21. P. 1190–1197.Chappert C., Fert A., Nguyen Van Dau F. The emergence of spin electronics in data sto-rage // Nature materials. 2007. Vol. 6. P. 813–823.Tsymbal E.Y., Žutić I. Handbook of spin transport and magnetism. Boca Raton: CRC Press Taylor & Francis Group, 2012. 777 p.You Ch.Y. Spin torque nano-oscillator with an exchange-biased free rotating layer // Journal of Magnetics. 2009. Vol. 14. No. 4. P. 168–171.Maekawa S., Shinjo T. Spin dependent transport in magnetic nanostructures. Boca Rаton: CRC Press Taylor & Francis Group, 2002. 292 p.Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers // Journal of Magnet-ism and Magnetic Materials. 1996. Vol. 159. P. L1–L7.Skidanov V.A., Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. Hysteresis loop design by geometry of garnet film element with single domain wall // Journal of Physics: Conference Series. 2011. Vol. 266. P. 012125-1–012125-5.Spin-polarized current induced switching in Co/Cu/Co pillars / J. Grollier, V. Cros, A. Hamzic et al. // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 78. No. 23. P. 3666–3665.Field dependence of magnetization reversal by spin transfer / J. Grollier, V. Cros, H. Jaffres et al. // Physical Review B. 2003. Vol. 67. P. 174402–174410.Magnetization switching and microwave oscillations in nanomagnets driven by spin–polarized currents / G. Bertotti, C. Serpico, I.D. Mayergoyz et al. // Physical Review B. 2005. Vol. 94. P. 127206-1–127206-4.Ostrovskaya N.V., Skidanov V.A., Iusipova Iu.A. Bifurcations in the dynamical system for three-layered magnetic valve // Solid State Phenomena. 2015. Vol. 233–234. P. 431–434.Iusipova Iu.A. Analysis of the switching characteristics of MRAM cells based on mate-rials with uniaxial Anisotropy // Semiconductors. 2018. Vol. 52. No. 15. P. 1982–1988.Iusipova Iu.A. Precession of the spin-valve free layer magnetization and its switching under the influence of a magnetic field perpendicular to the axis of anisotropy // Semiconductors. 2019. Vol. 53. No. 15. P. 2029–2036.Юсипова Ю.А. Динамика вектора намагниченности свободного слоя спин-вентильной структуры в магнитном поле, перпендикулярном плоскости слоев // Изв. вузов. Электроника. 2019. Т. 24. № 5. C. 489–502.Ostrovskaya N.V., Iusipova Iu.A. Qualitative theory of dynamical systems for control of magnetic memory elements // Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120. No. 13. P. 1291–1298.Юсипова Ю.А. Частота и быстродействие спинового вентиля с планарной анизотропией слоев // Физика твердого тела. 2020. Т. 62. № 9. С. 1361–1369.Hoagland A.S. Storage technology: capabilities and limitations // Computer. 1979. Vol. 12. No. 5. P. 12–18.Daniel E.D., Mee C.D., Clark M.H. Magnetic recording: The first 100 years. N. Y. : IEEE Press, 1999. 370 p.Thompson D.A., Best J.S. The future of magnetic data storage technology // IBM Journal of Research and Development. 2000. Vol. 44(3). P. 311–322.Slaughter J.M. Materials for magnetoresistive random access memory // Annual Review of Materials Research. 2009. Vol. 39. P. 277–296.Zhao W., Prenat G. Spintronics-based computing. Cham: Springer, 2015. 259 р.Chung A., Deen J., Lee J.S., Meyyappan M. Nanoscale memory devices // Nanotech-nology. 2010. Vol. 21. P. 412001-1–412001-22.Meng H., Wang J.P. Spin transfer in nanomagnetic devices with perpendicular aniso-tropy // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88. P. 172506-1–172506-8.Dependence of voltage and size on write error rates in spin-transfer torque magnetic random-access memory / J.J. Nowak, R.P. Robertazzi, J.Z. Sun et al. // IEEE Magnetics Letters. 2016. Vol. 7. P. 3102604-1–3102604-4.Guo Y.M. Spin transfer MRAM device with magnetic biasing. United States Patent № US0151614А1. 2008. 10 p.Юсипова Ю.А. Энергоэффективность и быстродействие спин-вентильных структур в составе MRAM и HMDD // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2020. Вып. 2. С. 110–117.Cowburn magnetic ratchet for three-dimensional spintronic memory and logic / R. La-vrijsen, J.H. Lee, A. Fernández-Pacheco et al. // Nature. 2013. Vol. 493. P. 647–650.Zeng Z., Finocchio G., Jiang H. Spin transfer nano-oscillators // Nanoscale. 2013. Vol. 5. No. 6. P. 2219–2231.Locatelli N., Cros V., Grollier J. Spin-torque building blocks // Nature Materials. 2014. Vol. 13. No. 1. P. 11–20.Iacocca E., Kerman J.A. Analytical investigation of modulated spintorque oscillators in the framework of coupled differential equations with variable coefficients // Physical Review B. 2012. Vol. 85. No. 18. P. 184420-1–184420-8.Real-time measurement of temporal response of a Spin-Torque oscillator to magnetic pulses / H. Suto, T. Nagasawa, K. Kudo et al. // Applied Physics Express. 2011. Vol. 4. No. 1. P. 013003-1–013003-5.Ultra-fast wide band spectrum analyzer based on a rapidly tuned spin-torque nano-oscillator / S. Louis, O. Sulymenko, V. Tiberkevich et al. // Applied Physics Letters. 2018. Vol. 113. P. 112401-1–112401-8.Reservoir computing with the frequency, phase, and amplitude of spin-torque nano-oscillators / D. Markovic, N. Leroux, M. Riou et al. // Applied Physics Letters. 2019. Vol. 114. P. 012409-1–012409-5.Large microwave generation from current-driven magnetic vortex oscillators in magnetic tunnel junctions / A. Dussaux, B. Georges, J. Grollier et al. // Nature Communications. 2010. Vol. 1. No. 8. P. 1–6.Митрофанов А.А., Сафин А.Р., Удалов Н.Н. Система фазовой синхронизации спин-трансферного наноосциллятора // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. Вып. 13. С. 66–72.Юсипова Ю.А. Частотные и амплитудные характеристики STNO на основе спинового вентиля с планарной и перпендикулярной анизотропией слоев // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2020. Вып. 1. С. 140–147.Microwave excitations associated with a wavy angular dependence of the spin transfer torque: Model and experiments / O. Boulle, V. Cros, J. Grollier et al. // Physical Review B. 2008. Vol. 77. P. 174403-1–174403-26.Lee K. J., Redon O., Dieny B. Analytical investigation of spin-transfer dynamics using a perpendicular-to-plane polarizer // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 86. P. 022505-1–022505-3.Wang S.X., Li G. Advances in giant magnetoresistance biosensors with magnetic nano-particles tags: Review and outlook // IEEE Transactions on Magnetics. 2008. Vol. 44. P. 1687–1702.Datta S., Salahuddin S., Behin-Aein B. Non-volatile spin switch for Boolean and non-Boolean logic // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101. P. 252411-1–252411-4.Spin-torque devices with hard axis initialization as stochastic binary neurons / V. Ostwal, P. Debashis, R. Faria et al. // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. P. 16689-1–16689-9.Haykin S. Neural networks and learning machines. Third ed. New Jersey: Prentice Hall, 2008. 977 p.Pervaiz A.Z., Ghantasala L.A., Camsari K.Y., Datta S. Hardware emulation of stochas-tic p-bits for invertible logic // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 10994-1–10994-13.Faria R., Camsari K.Y., Datta S. Low barrier nanomagnets as p-bits for spin logic [Электронный ресурс] // arXiv.org. 2016. URL: https://arxiv.org/abs/1611.05477v3 (дата об-ращения: 01.07.2020).Pervaiz A.Z., Sutton B.M., Ghantasala L.A., Camsari K.Y. Weighted p-bits for FPGA implementation of probabilistic circuits // IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems. 2019. Vol. 30. Iss. 6. P. 1920–1926.Low-energy deep belief networks using intrinsic sigmoidal spintronic-based probabilistic neurons / R. Zand, K.Y. Camsari, S.D. Pyle et al. // Great Lakes Symposium on VLSI - 2018. Chicago, United States (May 23–25). 2018. P. 15–20.Behin-Aein B., Diep V., Datta S. A building block for hardware belief networks // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. P. 29893-1–29893-10.Sutton B., Camsari K.Y., Behin-Aein B., Datta S. Intrinsic optimization using stochastic nanomagnets // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 44370-1–44370-9.