[論文レビュー] External Field Free Spin Hall Effect Device for Perpendicular Magnetization Reversal Using a Composite Structure with Biasing Layer

Angeline Klemm Smith, Mahdi Jamali+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgOの複合構造を用いたスピンホール効果デバイスを提案し、Ta層からのスピン軌道トルクによって垂直磁気異方性を示すCoFeB（1.2 nm）の外部磁場を要しない反転を実現する。平面内異方性層が外部磁場なしで信頼性の高いスイッチングを可能にするための補助磁場を提供する。これは、エネルギー効率の高いスピントロニクスメモリおよび論理デバイスへの重要な一歩を示している。

ABSTRACT

In this paper, a new material structure is proposed that utilizes the spin Hall effect to switch perpendicularly magnetized materials in the absence of any externally applied field. The structure consists of a multilayered material stack including a magnetic layer with perpendicular magnetic anisotropy that serves as the storage layer and a magnetic layer with in-plane magnetic anisotropy that assists switching of the magnetization of the storage layer through stray fields. We develop a composite structure of substrate / Ta (5 nm) / CoFeB (1.2 nm) / MgO (2 nm) / CoFeB (3 nm) / MgO (2 nm) and demonstrate the spin Hall effect arising from the Ta spin orbit channel can switch the magnetization of CoFeB (1.2 nm) with perpendicular magnetic anisotropy. This new composite structure could enable more widespread use of the spin Hall effect for memory and logic applications.

研究の動機と目的

• 垂直磁化を示す磁性層の外部磁場を要しないスイッチングを実現するスピンホール効果に基づくデバイスの開発。
• 従来のスピンホールメモリデバイスで必要とされる外部磁場の制限を克服すること。
• 平面内異方性を示すCoFeB層からの外部磁場を用いたスイッチング支援。
• 実用的なスピントロニクス応用に適した複合構造Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgOマルチレイヤー構造の実現可能性の検証。

提案手法

• 複合マルチレイヤー構造の設計：基板 / Ta（5 nm） / CoFeB（1.2 nm） / MgO（2 nm） / CoFeB（3 nm） / MgO（2 nm）。
• 電流注入によるスピン軌道結合を介してスピン電流を生成するため、Ta層をスピンホール材料として使用。
• 平面内異方性を示すCoFeB（3 nm）層からの外部磁場を用いたスイッチング支援を活用。
• スピンホール効果を用いて垂直磁性層にスピン軌道トルクを作用させ、決定論的な磁化反転を実現。
• 外部磁場をゼロにした状態でのスイッチング特性を測定し、外部磁場を要しない動作の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ta層におけるスピンホール効果が、外部磁場を要せず垂直磁化を示すCoFeB層の信頼性の高い磁化反転を誘発できるか？
• RQ2 平面内異方性を示すCoFeB層の導入が、外部磁場なしにおけるスイッチング効率をどのように向上させるか？
• RQ3 複合構造Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgOが外部磁場を要しないスイッチングを可能にする役割は何か？
• RQ4 Ta層からのスピン軌道トルクのみで、垂直保存層の決定論的スイッチングが達成可能か？

主な発見

• 複合構造により、Ta層からのスピンホール効果を用いて、垂直磁化を示すCoFeB（1.2 nm）層の外部磁場を要しない反転が成功裏に実現された。
• 平面内異方性を示すCoFeB（3 nm）層が効果的な外部磁場を提供し、スイッチングに要する電流密度を低減した。
• 外部磁場を一切適用しない状態でデバイスが動作し、真の外部磁場を要しないスイッチングを実証した。
• Ta層におけるスピンホール効果が、垂直保存層の磁化反転に十分なスピン軌道トルクを生成した。