Fortgeschrittene Geräte nutzen spintronische Oszillatoren
Drahtlose Kommunikationssysteme nutzen üblicherweise Oszillatoren, die aus Induktionsspulen und Kondensatoren bestehen (LC-Oszillatoren). Da die Industrie stetig steigende Funktion in immer kleineren Gehäusen benötigt, ist die Induktionsspule zum Flaschenhals für bestimmte Fortschritte bei drahtlosen Kommunikationsgeräten geworden. Die Spintronik, ein Feld, das den Spin von Elektronen sowie ihre Ladung ausnutzt, kann neuartige Geräte liefern, welche die Grenzen der herkömmlichen Elektronik überschreiten. Von besonderem Interesse für die drahtlose Kommunikation sind Spin-Torque-Oszillatoren (STO), die auch Spin-Transfer-Nano-Oszillatoren genannt werden. Wissenschaftler haben das EU-finanzierte Projekt "Spin torque oscillators for wireless and radar applications" (SPINAPPS) ins Leben gerufen, um sich mit den bestehenden Herausforderungen zu befassen, die mit Ausgangsleistung, Frequenzstabilität und Frequenzregelung in Verbindung stehen. Einige STO können den vollen Frequenzbereich aller Kommunikationsstandards abdecken. Dies liegt an Eigenschaften wie anhaltenden magnetischen Oszillationen auf Mikrowellenfrequenzen und hoher Abstimmbarkeit durch elektrische und magnetische Felder. Außerdem sind STO äußerst kompakt, einfach zu fabrizieren und kompatibel mit der herkömmlichen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Technologie. Ihr minimaler Energieverbrauch und die bedeutenden Kosteneinsparungen im Vergleich zu konventionellen Systemen machen sie besonders interessant für drahtlose Geräte. Des Weiteren können sie auch für höherfrequente Anwendungen eingesetzt werden, etwa für neue Kommunikationsprotokolle und Radarsysteme. Die Forscher entwickelten eine Simulationssoftware auf Basis von kommerziell erhältlichen Produkten des Anbieters "Cadence", um die Funktion von STO-Schaltungen mit beliebigen von Cadence unterstützten Halbleitertechnologien zu testen. So ermöglichte die Simulationsumgebung eine Bewertung von Halbleiterrauschen und -temperatur in Abhängigkeit der STO-Leistung sowie eine Untersuchung neuartiger Schaltungsarchitekturen. Die experimentelle Arbeit führte zur Optimierung eines hochwirksamen Verfahrens zum Integrieren von Nanokontakt-STO (NC-STO) auf Vier-Zoll-Siliziumwafern. Als Ergebnis konnte das Team zwei verschiedene Demonstrationssysteme herstellen: Das eine basierte auf STO mit magnetischem Tunnelkontakt (MTJ-STO, magnetic tunnel junction STO) auf einer Leiterplatte, das andere auf STO mit Riesenmagnetowiderstand (GMR-STO, giant magnetoresistance STO) in einem Elektromagneten. Das SPINAPPS-Konsortium demonstrierte die Anwendung von Spin-Torque-Oszillatoren in neuartigen Geräten. Über den Rahmen des Projekts hinaus wird die Simulationssoftware sicher zu weiteren Innovationen durch Partner und Wissenschaftler außerhalb des Konsortiums anregen.
