Effets des radiations de l’environnement spatial sur les mémoires spintroniques - LIRMM - Laboratoire d’Informatique, de Robotique et de Microélectronique de Montpellier Access content directly
Theses Year : 2021

Effets des radiations de l’environnement spatial sur les mémoires spintroniques

Effects of space environment radiation on spintronic memories

Abstract

Since the time of the most ancient civilisations, space has always been an endless source of wonder and curiosity. Today, we know that space environment represents a huge challenge for human kind. Indeed, the presence of different radiation sources render it a rough and dangerous place for human and electronics devices. Nevertheless, Space could not be considered as an independent ecosystem since Satellite are key factor of our daily life on Earth. In practice, they allow not only communications, but also the monitoring of ice melt, crop field, natural resource exploitation, climate change, tsunami prediction and so on. Moreover, important next decade scientific results, heavily rely on International Space Station projects where micro-gravity experiments are restlessly carried out. In the last couple of years, the renovate interest for deeper space missions such as Lunar and Mars exploration have driven agencies into a huge investment in the R&D sector looking for new, robust, technology. This attention for the space sector made somebody dreaming the human kind to become an interplanetary species one day in the future, hundreds of years from now. Or in a more prosaic way, it has sparked the interest of private sector and commercialization to mark a transition from exploration to exploitation of other planets natural resources; or simply to make money with space tourism. Although an ethical reflection on this topic represents a fascinating challenge, in this scientific work we aim to push the boundaries of technological means which could made some of these scenarios a reality. In particular, as traditional electronics is based on charge storage it is prone to experiment many harmful effects in Space. For this motivation non-charge based devices have been intensively investigated in the last decade, to the point that the first generation of Magnetic Memories (FIMS-Toggle) have been embedded on the Perseverance Rover, successfully landed on Mars on February 18th 2021 to carry back on Earth sample of Martian rock and regolith in ten years from now. Oriented towards the future, this work aims to contribute to the study of space irradiation effects on the last generation of spintronic devices. The work is organized as follows: first chapter gives an overview on the different families of Emerging Non Volatile Memories highlighting the advantages and drawbacks in the use of each. In the second chapter we depict in detail the space environment, its radiation sources and the effects that they have on electronics. In chapter three we explore how spintronic devices could be used at design/circuit level to enhance the tolerance against irradiation. In the fourth chapter we conduct a detailed study on heavy ion effect on Spin-Transfer Torque devices both from a theoretical and experimental point of view. In particular the role of thermal spike in the failure mechanism is for the first time taken into account. This chapter represents an important contribution to the state of the art, since basic mechanisms in such a device were not yet studied. In the last chapter we irradiated the same family of devices with proton and also, we exposed to this radiation the latest spintronic technology, not yet commercialized, the Spin-Orbit Torque Magnetic Tunnel Junction. The latter represents the first result on these devices.
Depuis l’époque des plus anciennes civilisations, l’espace a toujours été une source inépuisable de d’émerveillement et de curiosité. Aujourd’hui, nous savons que l’environnement spatial représente un énorme défi pour l’espèce humaine. En effet, la présence de différentes sources de rayonnement en fait un endroit rude et dangereux pour l’homme et les appareils électroniques. Néanmoins, l’espace ne peut pas être considéré comme un écosystème indépendant puisque les satellites sont un facteur clé de notre vie quotidienne sur Terre. En pratique, ils permettent non seulement les communications, mais aussi la surveillance de la fonte des glaces, des champs de culture, des ressources naturelles, du changement climatique, de la prévision des tsunamis, etc. En outre, les résultats scientifiques importants des prochaines décennies dépendent fortement des projets de la Station Spatiale Internationale, où des expériences de microgravité sont menées régulièrement. Au cours des deux dernières années, le regain d’intérêt pour les missions spatiales plus profondes, telles que l’exploration de la Lune et de Mars, a poussé les agences à se pencher sur la question de l’utilisation de l’espace et à investir massivement dans le secteur de la R&D à la recherche de technologies nouvelles et robustes. Cette attention pour le secteur spatial amène certains à rêver que l’espèce humaine devienne une espèce interplanétaire un jour dans le futur, dans des centaines d’années. Ou d’une manière plus prosaïque, elle a suscité l’intérêt du secteur privé et de la commercialisation pour marquer une transition de l’exploration à l’exploitation des ressources naturelles d’autres planètes, ou simplement pour faire du tourisme spatial. Bien qu’une réflexion éthique sur ce sujet représente un défi fascinant, dans ce travail scientifique nous cherchons à repousser les limites des moyens technologiques qui pourraient faire de certains de ces scénarios une réalité. En particulier, l’électronique traditionnelle étant basée sur le stockage de charges, elle est susceptible d’expérimenter de nombreux effets néfastes dans l’espace. C’est pour cette raison que des dispositifs non basés sur la charge ont fait l’objet de recherches intensives au cours de la dernière décennie, au point que la première génération de mémoires magnétiques ("FIMSToggle") a été embarquée sur le Rover Persévérance, qui a atterri avec succès sur Mars le 18 février 2021 afin de ramener sur Terre des échantillons de roche martienne. Orienté vers l’avenir, ce travail vise à contribuer à l’étude des effets de l’irradiation spatiale sur les dispositifs spintroniques de dernière génération. Le travail est organisé comme suit : le premier chapitre donne un aperçu des différentes familles de mémoires non volatiles émergentes, en soulignant les avantages et les inconvénients de chacune d’entre elles. Dans le deuxième chapitre, nous décrivons en détail l’environnement spatial, ses sources de radiation et les effets qu’elles ont sur les systèmes de communication et l’électronique associée. Dans le troisième chapitre, nous explorons comment les dispositives spintroniques peuvent être utilisés au niveau de la conception du circuit pour améliorer la tolérance aux rayonnements. Dans le quatrième chapitre, nous réalisons une étude détaillée de l’effet des ions lourds sur les dispositifs à couplage de transfert de spin, tant d’un point de vue théorique qu’expérimental. En particulier, le rôle du pic thermique dans le mécanisme de défaillance est pris en compte pour la première fois. Ce chapitre représente une contribution importante à l’état de l’art, puisque les mécanismes de base dans de tels dispositifs n’ont pas encore été étudiés. Dans le dernier chapitre, nous avons irradié la même famille de dispositifs avec des protons et nous avons également exposé à ce rayonnement la dernière technologie spintronique, pas encore commercialisée, le Spin-Orbit. Ces derniers représentent les premiers résultats sur ces dispositifs.
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Dates and versions

tel-03772013 , version 1 (07-09-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03772013 , version 1

Cite

Odilia Coi. Effets des radiations de l’environnement spatial sur les mémoires spintroniques. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université de Montpellier, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03772013⟩
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