Spin torque oscillators (STOs) have recently received a rapidly increasing attention since they show the potential to be used as microwave generators [1], [2] and [3], detectors [4] and modulators [5] and [6] over a large frequency range. Additionally, STOs are promising candidates for magnetic field sensing [7], providing a high sensitivity up to 173 GHz/T (=17.3 MHz/Oe in free space) [8] and 500 MHz/degree [9]. STOs have a wide range of potential applications because of their unique combination of features: compact size (∼100 nm in lateral size), high operating frequencies, extremely wide frequency tunability range, good quality factors, fast turn-on time, and same compatibility with CMOS as spin transfer torque (STT)-based magnetoresistive random-access memory (MRAM) [2], [10] and [11]. Nevertheless, these immature STOs have currently two main issues, the limited output power and considerable phase noise, which make them less competitive than CMOS oscillators for some applications. Despite these limitations, STOs have already shown great potential to be used as modulators in non-coherent high-speed wireless communication systems utilizing amplitude-shift keying modulation [12], where phase noise is no longer an issue. Currently, extensive research is taking place to further understand and improve the linewidth (phase noise) [13] and [14], increase the output power [2] and [7], and reduce or even remove the bias field [15] and [16]. In this work, we consider only GMR STOs which require a bias field. The proposed design could also be used for bias-field-free GMR STOs.
A typical STO is composed of a “free” layer and a “polarizing” layer, being isolated by a nonmagnetic barrier. The STO is working based on two spintronic effects: STT and magnetoresistance (MR) [17]. The STT effect yields a steady-state magnetization precession in the “free” layer from a spin polarized DC current through the device, while the MR effect translates the magnetization precession into resistance oscillation. A microwave voltage signal is simply obtained from the STO as the product of the DC current and the resistance oscillation. The operating frequencies of STOs can be tuned by the applied DC current, as well as the magnitude and angle of the magnetic field.
Depending on the barrier material, STOs can be classified into two categories: magnetic tunnel junction (MTJ) and spin valve (SV or so-called giant magnetoresistance (GMR)) STOs [17]. Compared with MTJ STOs, GMR STOs offer a higher and wider tunable frequency range and thus broader functionality, yet lower output power due to its lower magnetoresistance [2]. Specifically, the operating frequency of GMR STOs has been experimentally observed from several gigahertz up to 46 GHz and extrapolated to above 65 GHz [1]. However, the typical GMR STO with a 70 nm diameter has a measured DC resistance RDC of about 6.5 Ω (Fig. 1), which is not suitable for direct connections with the 50 Ω components and systems that are typically used for RF or microwave applications. The typical measurement setup for obtaining or measuring the signal generated by GMR STOs is based on bulky discrete off-the-shelf components, which employ 50 Ω connection, probing on GMR STOs, and RF cables. This measurement setup introduces unwanted wave reflections due to the mismatch between RDC and the 50 Ω connections, which impedes the study of the dynamic properties of the GMR STO to a considerable extent. To avoid the losses due to external components and connections, to eliminate wave reflections, and to enable the development of GMR STO-based applications, the GMR STO needs to be integrated with other technologies, such as CMOS, which allow implementing the required circuitries for the GMR STO. In [2], an MTJ STO has been integrated with a dedicated CMOS IC amplifier and an off-chip bias-tee. In this work, a full integration is proposed for the GMR STO, where both the amplifier and the bias-tee are integrated on-chip. This enables better performance as well as tighter and even single-chip assembly with the GMR STO. Nonetheless, challenges and trade-offs are involved in both integration and IC design due to the considerable parasitics introduced by both the interconnection and the IC, as well as the required wideband circuitries customized for the GMR STO. This paper identifies the challenges, investigates the possible solutions, and proposes an integration solution and dedicated high frequency CMOS IC, which is suitable for the state-of-the-art GMR STO. To verify the proposed solution, the dedicated CMOS IC is implemented, characterized and then integrated with the GMR STO, followed by the measurement of the proposed (GMR STO + CMOS IC) pair.
Oscillators แรงบิดหมุน (STOs) มีเมื่อเร็ว ๆ นี้ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากพวกเขาแสดงศักยภาพในการใช้เป็นไมโครเวฟกำเนิด [1], [2] และ [3], เครื่องตรวจจับ [4] และข้อ [5] และ [6] เป็นช่วงความถี่ขนาดใหญ่ นอกจากนี้ STOs จะสมัครสัญญาสำหรับสนามแม่เหล็กไร้สาย [7] ให้ความไวสูงถึง 173 GHz/T (= MHz 17.3 Oe ในเนื้อที่) [8] และระดับ 500 MHz [9] STOs มีความหลากหลายของโปรแกรมประยุกต์อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการผสมของคุณสมบัติ: ขนาดกะทัดรัด (∼100 nm ขนาดด้านข้าง), ความถี่ปฏิบัติงานสูง ช่วงความถี่กว้าง tunability ปัจจัยคุณภาพดี เวลา turn-on ที่รวดเร็ว และเดียวกันกับ CMOS เป็นหมุนบิด (STT) การโอนย้าย-ตาม magnetoresistive หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (MRAM) [2], [10] [11] และ อย่างไรก็ตาม STOs immature เหล่านี้ได้ในขณะนี้ปัญหาหลักสอง จำกัดพลังงาน และเสียง รบกวนมากระยะ ซึ่งทำให้พวกเขาแข่งขันน้อยกว่า oscillators CMOS สำหรับโปรแกรมประยุกต์บางโปรแกรม แม้ มีข้อจำกัดเหล่านี้ STOs แล้วได้แสดงศักยภาพที่ดีที่จะใช้เป็นข้อในระบบสื่อสารไร้สายความเร็วสูงไม่ใช่ coherent ใช้คลื่นกะป้อนเอ็ม [12], เฟสเสียงไม่มีปัญหา ปัจจุบัน วิจัยการทำผ่านเพื่อเข้าใจ และปรับปรุง linewidth (ระยะเสียง) [13] [14], เพิ่มผลผลิตพลังงาน [2] และ [7], และลด หรือแม้กระทั่งเอาฟิลด์ตั้ง [15] [16] และ ในงานนี้ เราพิจารณาเฉพาะ STOs GMR ซึ่งกำหนดเขตเลือกตั้ง ยังสามารถใช้การออกแบบที่นำเสนอสำหรับ STOs GMR อคติฟิลด์ฟรีสโตทั่วไปประกอบด้วยชั้น "ฟรี" และชั้น "polarizing" การแบ่งแยกอุปสรรค nonmagnetic STO นี้ทำตามผล spintronic สอง: STT magnetoresistance (MR) [17] และ STT ผลอัตราผลตอบแทนการหมุนควง magnetization-ท่อนในชั้น "ฟรี" จากการหมุนขั้ว DC ปัจจุบันผ่านอุปกรณ์ ในขณะที่นายผลแปลการหมุนควง magnetization เข้าต้านทานสั่น เพียงแค่มีรับสัญญาณแรงดันไฟฟ้าไมโครเวฟจากสโตเป็นผลิตภัณฑ์ของ DC ปัจจุบันและต้านทานสั่น สามารถปรับช่องรับสัญญาณที่ความถี่ในการปฏิบัติงานของ STOs โดยใช้ DC ปัจจุบัน ตลอดจนขนาด และมุมของสนามแม่เหล็กDepending on the barrier material, STOs can be classified into two categories: magnetic tunnel junction (MTJ) and spin valve (SV or so-called giant magnetoresistance (GMR)) STOs [17]. Compared with MTJ STOs, GMR STOs offer a higher and wider tunable frequency range and thus broader functionality, yet lower output power due to its lower magnetoresistance [2]. Specifically, the operating frequency of GMR STOs has been experimentally observed from several gigahertz up to 46 GHz and extrapolated to above 65 GHz [1]. However, the typical GMR STO with a 70 nm diameter has a measured DC resistance RDC of about 6.5 Ω (Fig. 1), which is not suitable for direct connections with the 50 Ω components and systems that are typically used for RF or microwave applications. The typical measurement setup for obtaining or measuring the signal generated by GMR STOs is based on bulky discrete off-the-shelf components, which employ 50 Ω connection, probing on GMR STOs, and RF cables. This measurement setup introduces unwanted wave reflections due to the mismatch between RDC and the 50 Ω connections, which impedes the study of the dynamic properties of the GMR STO to a considerable extent. To avoid the losses due to external components and connections, to eliminate wave reflections, and to enable the development of GMR STO-based applications, the GMR STO needs to be integrated with other technologies, such as CMOS, which allow implementing the required circuitries for the GMR STO. In [2], an MTJ STO has been integrated with a dedicated CMOS IC amplifier and an off-chip bias-tee. In this work, a full integration is proposed for the GMR STO, where both the amplifier and the bias-tee are integrated on-chip. This enables better performance as well as tighter and even single-chip assembly with the GMR STO. Nonetheless, challenges and trade-offs are involved in both integration and IC design due to the considerable parasitics introduced by both the interconnection and the IC, as well as the required wideband circuitries customized for the GMR STO. This paper identifies the challenges, investigates the possible solutions, and proposes an integration solution and dedicated high frequency CMOS IC, which is suitable for the state-of-the-art GMR STO. To verify the proposed solution, the dedicated CMOS IC is implemented, characterized and then integrated with the GMR STO, followed by the measurement of the proposed (GMR STO + CMOS IC) pair.
การแปล กรุณารอสักครู่..

หมุนบิด oscillators ( stos ) ล่าสุดได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากพวกเขาแสดงศักยภาพในการใช้เป็นเครื่องกำเนิดไมโครเวฟ [ 1 ] , [ 2 ] และ [ 3 ] , ตรวจจับ [ 4 ] และ modulators [ 5 ] และ [ 6 ] ในช่วงความถี่ที่มีขนาดใหญ่ นอกจากนี้ stos เป็นผู้สมัครที่สัญญาสำหรับสนามแม่เหล็กการตรวจจับ [ 7 ] , ให้ความไวสูงถึง 173 GHz / t ( = 173 MHz / OE ในพื้นที่ฟรี ) [ 8 ] และ 500 MHz / / [ 9 ] stos มีหลากหลายของการใช้งานที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการรวมกันเป็นเอกลักษณ์ของคุณสมบัติ : ขนาดกะทัดรัด ( ∼ 100 nm ขนาดด้านข้าง ) , ความถี่สูงเนิน , tunability ช่วงความถี่กว้างมาก ปัจจัยด้านคุณภาพ เวลา เปิด เร็วและเข้ากันได้กับการบิดหมุนเป็นแบบ CMOS ( โหมด ) - แรม magnetoresistive ตาม ( มแรม ) [ 2 ] [ 10 ] และ [ 11 ] อย่างไรก็ตาม stos อ่อนเหล่านี้มีอยู่สองประเด็นหลัก การจำกัดผลผลิตพลังงานและเสียงเฟสมาก , ซึ่งทำให้พวกเขาแข่งขันน้อยกว่า CMOS oscillators สำหรับบางโปรแกรม แม้จะมีข้อ จำกัด เหล่านี้stos ได้แสดงศักยภาพที่ดีที่จะใช้เป็น modulators ไม่ติดต่อกันความเร็วสูงระบบสื่อสารไร้สายโดยใช้การปรับขนาดความเร็ว [ 12 ] ที่เสียงเฟสไม่มีปัญหา ในปัจจุบันการวิจัยที่กว้างขวาง เป็นสถานที่ถ่าย เพื่อเข้าใจและพัฒนาโฟโตลูมิเนสเซนต์ ( เสียงเฟส ) [ 13 ] และ [ 14 ] , เพิ่มผลผลิตพลังงาน [ 2 ] และ [ 7 ]และลดหรือแม้แต่ลบอคติและสนาม [ 15 ] [ 16 ] ในงานนี้เราพิจารณาเฉพาะ stos GMR ซึ่งต้องตั้งค่าฟิลด์ การออกแบบที่นำเสนอสามารถใช้สนามอคติฟรี GMR stos .
ชั้นโดยทั่วไปจะประกอบด้วย " ชั้นฟรี " และ " ขั้ว " ชั้นถูกแยกโดยอุปสรรคติ . ผู้ทำงานตามสองผลสปินทรอนิค : โหมด magnetoresistance ( และคุณ ) [ 17 ]ในโหมดคงที่ผลผลผลิตกระการหมุนควงใน " ชั้นฟรี " จากการหมุนขั้วกระแสไฟฟ้า DC ผ่านอุปกรณ์ ในขณะที่ผลนายแปลดึงดูดการหมุนควงในคาบ ความต้านทาน แรงดันไฟฟ้าของสัญญาณไมโครเวฟเป็นเพียงที่ได้รับจากผู้ที่เป็นผลิตภัณฑ์ของ DC ปัจจุบันและความต้านทานของการแกว่งความถี่การดําเนินงานของ stos สามารถปรับโดยการใช้กระแสไฟฟ้า DC รวมทั้งขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็ก
ขึ้นอยู่กับวัสดุที่กั้น stos สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท : ชุมทางอุโมงค์แม่เหล็ก ( mtj ) และหมุนวาล์ว ( SV หรือที่เรียกว่า magnetoresistance ยักษ์ ( GMR ) stos [ 17 ] เมื่อเทียบกับ stos mtj ,GMR stos ให้สูงขึ้น และช่วงความถี่กว้างกว้างที่สุดและดังนั้นฟังก์ชันพลังงานยังลดลงเนื่องจากการลดลง magnetoresistance [ 2 ] โดยเฉพาะ ความถี่ GMR stos ได้โดยสังเกตจากหลายกิกะเฮิรตซ์ถึง 46 GHz และคาดการณ์ไว้ข้างต้น 65 , [ 1 ] อย่างไรก็ตามโดย GMR STO ทั่วไปมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 70 nm มีวัดความต้านทาน DC . ประมาณ 6.5 Ω ( รูปที่ 1 ) ซึ่งไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อโดยตรงกับ 50 Ωชิ้นส่วนและระบบที่ใช้โดยทั่วไปสำหรับการประยุกต์ใช้ RF หรือไมโครเวฟ การตั้งค่าทั่วไปสำหรับการวัดหรือการวัดสัญญาณที่สร้างขึ้นโดย GMR stos ขึ้นอยู่กับขนาดใหญ่ต่อเนื่องปิดการเก็บรักษาส่วนประกอบซึ่งจ้าง 50 Ωการเชื่อมต่อแหย่ใน GMR stos , และสายเคเบิล RF ตั้งค่าการวัดนี้แนะนำที่ไม่พึงประสงค์เนื่องจากการสะท้อนคลื่นไม่ตรงกันระหว่าง สพช. และ 50 Ωการเชื่อมต่อซึ่งขัดขวางการศึกษาคุณสมบัติแบบไดนามิกของ GMR STO ในระดับมาก เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจากองค์ประกอบภายนอก และการเชื่อมต่อ เพื่อลดการสะท้อนคลื่นและเพื่อให้การพัฒนาโปรแกรมประยุกต์ตาม GMR GMR STO , STO ต้องบูรณาการกับเทคโนโลยีอื่น ๆเช่น CMOS ซึ่งอนุญาตให้ใช้ circuitries ที่จําเป็นสําหรับ GMR STO . ใน [ 2 ] , mtj STO ได้ถูกรวมโดย IC CMOS เครื่องขยายเสียงและอคติออกชิปไม้ ในงานวิจัยนี้ ได้เสนอการบูรณาการเต็มรูปแบบสำหรับ STO GMR ,ที่ทั้งแอมป์และอคติที่เป็น บน รวม นี้จะช่วยให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น รวมทั้งยังทำให้ผู้ใช้ที่เข้มงวดมากขึ้นและประกอบกับ GMR STO . อย่างไรก็ตาม ความท้าทาย และไม่ชอบการค้าที่เกี่ยวข้องทั้งในการรวมและการออกแบบ IC เนื่องจากมาก parasitics แนะนำทั้งโทรศัพท์เคลื่อนที่และ IC ,รวมทั้งต้องปรับสัญญาณ circuitries สำหรับ GMR STO . บทความนี้ระบุถึงความท้าทาย และการแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ และนำเสนอโซลูชั่นเฉพาะความถี่สูงและบูรณาการ CMOS IC ซึ่งเหมาะสำหรับผู้ GMR รัฐของศิลปะ การตรวจสอบการนำเสนอโซลูชั่นเฉพาะ CMOS IC ที่ใช้ ลักษณะ และบูรณาการกับ STO GMR ,ตามด้วยการวัดของการนำเสนอ ( GMR STO CMOS IC ) คู่
การแปล กรุณารอสักครู่..
