[논문 리뷰] External Field Free Spin Hall Effect Device for Perpendicular Magnetization Reversal Using a Composite Structure with Biasing Layer

Angeline Klemm Smith, Mahdi Jamali외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 08.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 탄탈럼/코발트철붕소/마그네슘 산화물/코발트철붕소/마그네슘 산화물 구조를 갖는 복합 구조를 사용하여, 탄탈럼층에서 유도된 스핀-오비트 토크를 통해 수직으로 자화된 코발트철붕소(1.2 nm)의 외부 자기장이 없는 반전을 가능하게 하는 스핀 홀 효과 장치를 제안한다. 평면 내 비대칭성 층은 잔류 자기장 보조 기능을 제공하여 외부 자기장 없이도 신뢰성 있게 스위칭할 수 있게 하며, 에너지 효율적인 스핀트로닉스 메모리 및 논리 장치로 향한 핵심 단계를 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수직으로 자화된 자기층의 외부 자기장이 없는 스위칭을 가능하게 하는 스핀 홀 효과 기반 장치를 개발하기 위해.
• 기존의 스핀 홀 메모리 장치에서 외부 자기장이 필요로 하는 한계를 극복하기 위해.
• 평면 내 비대칭성 코발트철붕소층으로부터 발생하는 잔류 자기장을 활용하여 수직 저장층의 스위칭을 보조하기 위해.
• 실용적인 스핀트로닉스 응용 분야에 적합한 복합 Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgO 다층막 구조의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 다층막 복합 구조 설계: 기초재료 / Ta (5 nm) / CoFeB (1.2 nm) / MgO (2 nm) / CoFeB (3 nm) / MgO (2 nm).
• 전류 주입에 의해 스핀-오비트 결합을 통해 스핀 전류를 생성하는 탄탈럼층을 스핀 홀 재료로 사용하기 위해.
• 평면 내 비대칭성 코발트철붕소(3 nm)층으로부터 발생하는 잔류 자기장을 활용하여 수직 비대칭성 코발트철붕소(1.2 nm) 저장층의 스위칭을 보조하기 위해.
• 스핀 홀 효과를 활용하여 수직 자기층에 스핀-오비트 토크를 작용시켜 결정적인 자화 반전을 실현하기 위해.
• 외부 자기장이 없는 조건에서 스위칭 행동을 특성화하여 외부 자기장이 없는 작동을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄탈럼층에서의 스핀 홀 효과가 외부 자기장을 필요로 하지 않고도 수직으로 자화된 코발트철붕소층의 신뢰성 있는 자화 반전을 유도할 수 있는가?
• RQ2 평면 내 비대칭성 코발트철붕소층의 포함이 외부 자기장이 없는 조건에서 스위칭 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 복합 구조인 Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/MgO가 외부 자기장이 없는 스위칭을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 탄탈럼층에서 유도된 스핀-오비트 토크만으로도 수직 저장층의 결정적 스위칭을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 복합 구조는 탄탈럼층에서 기인한 스핀 홀 효과를 통해 수직으로 자화된 코발트철붕소(1.2 nm)층의 외부 자기장이 없는 반전을 성공적으로 실현하였다.
• 평면 내 비대칭성 코발트철붕소(3 nm)층은 효과적인 잔류 자기장 보조 기능을 제공하여 스위칭에 필요한 전류 밀도를 감소시켰다.
• 장치는 어떤 외부 자기장 없이 작동하여 진정으로 외부 자기장이 없는 스위칭을 입증하였다.
• 탄탈럼층에서 발생하는 스핀 홀 효과는 수직 저장층의 자화 반전에 충분한 스핀-오비트 토크를 생성하였다.