[論文レビュー] Spin-orbit torque switching without external field with a ferromagnetic exchange-biased coupling layer

Yong‐Chang Lau, Davide Betto+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2015

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、Ruスパーサーを介した強磁性体の交換バイアス結合層を用いて、垂直磁気異方性（PMA）を示すCoFe自由層における決定的でバイアス場のないスピンオービットトルク（SOT）スイッチングを実証した。対称性の破れは、中間層間交換結合（IEC）によって達成され、外部磁場を必要とせず電流極性に依存したスイッチングが可能となり、スケーラブルなSOT-MRAMおよびスピントロニクス素子への一歩となる。

ABSTRACT

Magnetization reversal of a perpendicular ferromagnetic free layer by spin-orbit torque (SOT) is an attractive alternative to spin-transfer torque (STT) switching in magnetic random-access memory (MRAM) where the write process involves passing a high current across an ultrathin tunnel barrier. A small symmetry-breaking bias field is usually needed for deterministic SOT switching but it is impractical to generate the field externally for spintronic applications. Here, we demonstrate robust zero-field SOT switching of a perpendicular Co90Fe10 (CoFe) free layer where the symmetry is broken by magnetic coupling to a second in-plane exchange-biased CoFe layer via a nonmagnetic Ru spacer. The preferred magnetic state of the free layer is determined by the current polarity and the nature of the interlayer exchange coupling (IEC). Our strategy offers a scalable solution to realize bias-field-free SOT switching that can lead to a generation of SOT-based devices, that combine high storage density and endurance with potentially low power consumption.

研究の動機と目的

• 外部磁場を要しない垂直磁気異方性（PMA）自由層における決定的スピンオービットトルク（SOT）スイッチングを達成すること。
• 通常は決定的反転を実現するための外部バイアス磁場を必要とするSOTスイッチングにおける対称性の制限を克服すること。
• 既存の磁性結合メカニズムを活用して、SOTベースのメモリおよび論理素子にスケーラブルかつデバイス統合可能であるソリューションを開発すること。
• 中間層間交換結合（IEC）が非磁性体のRuスパーサーを介して対称性を破り、電流極性によって磁化状態を制御できることを実証すること。
• 異常ホール効果測定、高調波ホール応答、スピンミキシングコンダクタンス解析を通じて、メカニズムを検証すること。

提案手法

• Ta(1)/Pt(5)/CoFe(0.8)/Ru(t_Ru)/CoFe(1.5)/IrMn(10)/Pt(2) の多層膜磁性異種構造を形成した。下部CoFe層は垂直磁気異方性（PMA）を示す。
• 上部CoFe層はIrMnにより交換バイアスを受けており、x軸方向にピン止めされており、この固定された面内磁化がRuスパーサーを介して中間層間交換結合（IEC）を誘発する。
• 面内電流を印加することでPt層におけるスピンホール効果（SHE）によりスピンオービットトルク（SOT）が生成され、純粋なスピン電流が自由層にスロンツェフスキー型のトルクを及ぼす。
• 中間層間交換結合の方向（強磁性または反強磁性）はアニール磁場の方向によって制御され、これにより交換バイアスが設定され、自由層の好ましい磁化状態が決定される。
• 自由層の磁化状態をプローブするために異常ホール効果（AHE）測定が用いられ、ホール電圧が垂直方向磁場の関数として測定された。
• 1234.57 Hzでの高調波ホール測定により、有効スピンオービット場が抽出され、スピンミキシングコンダクタンスの虚部が無視できるほど小さく、スピンホール角度が11.2%であることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場を要しない垂直磁気異方性（PMA）自由層において、決定的SOTスイッチングを達成できるか？
• RQ2 非磁性体のRuスパーサーを介した中間層間交換結合（IEC）が、決定的SOTスイッチングに必要な対称性を破ることができるか？
• RQ3 交換バイアスの方向およびIECの符号が、自由層の磁化状態にどのように影響を与えるか？
• RQ4 外部磁場が存在しない状況で、スピンホール効果が有効スピンオービットトルクを生成する役割は何か？
• RQ5 提案されたメカニズムは、100 nm未満の寸法を有するナノスケールデバイスにスケーラブルか？

主な発見

• 非磁性体のRuスパーサーを介した強磁性体の交換バイアス結合層を用いて、垂直CoFe自由層で頑健なゼロ磁場SOTスイッチングが達成された。
• 電流極性、交換バイアスの方向、または中間層間交換結合の符号を反転させることで、自由層の磁化状態が決定的に反転した。
• Pt層におけるスピンホール角度は11.2%と測定され、スピンミキシングコンダクタンスおよび異常ホール効果解析と整合的であった。
• 有効スピンオービット場は、スピンミキシングコンダクタンスの実部に支配されており、虚部の寄与は無視できるほど小さく、スピンホール効果がラシュバ効果を上回ることが確認された。
• このメカニズムはスケーラブルであり、デバイス面積に依存せず、30 nmの特徴寸法まで安定して動作することが示された。
• ブランケット膜上での交換バイアス磁場は約50 mTと確認され、表面粗さや平坦な上層による外部磁場結合の痕跡は観測されなかった。