[論文レビュー] Antiferromagnetic multi-level memory cell

Vivien Schuler, K. Olejník+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、電気的に誘発されるスピン軌道トーキーを用いて、完全に機能する反強磁性マルチレベルメモリセルを単層CuMnAsを用いて実証した。このデバイスは、パルスの数と持続時間による統合的信号カウントを可能にし、平面ホール効果を用いた読み出しを実現することで、高速・放射線耐性・非ボラタイルメモリ技術への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

Antiferromagnets (AFs) are remarkable magnetically ordered materials that due to the absence of a net magnetic moment do not generate dipolar fields and are insensitive to external magnetic field perturbations. However, it has been notoriously difficult to control antiferromagnetic moments by any practical means suitable for device applications. This has left AFs over their hundred years history virtually unexploited and only poorly explored, in striking contrast to the thousands of years of fascination and utility of ferromagnetism. Very recently it has been predicted and experimentally confirmed that relativistic spin-orbit torques can provide the means for efficient electrical control of an AF. Here we place the emerging field of antiferromagnetic spintronics on the map of non-volatile solid state memory technologies. We demonstrate the complete write/store/read functionality in an antiferromagnetic CuMnAs bit cell embedded in a standard printed circuit board communicating with a computer via a USB interface. We show that the elementary-shape bit cells fabricated from a single-layer AF are electrically written on timescales ranging from milliseconds to nanoseconds and we demonstrate their deterministic multi-level switching. The multi-level cell characteristics, reflecting series of reproducible, electrically controlled domain reconfigurations, allow us to integrate memory and signal counter functionalities within the bit cell.

研究の動機と目的

• 標準的な電子統合を用いた固体状態の反強磁性メモリセルにおいて、完全なライト/ストア/リードサイクルを実証すること。
• 実用的デバイス応用のための反強磁性秩序の電気的制御という長年の課題を克服すること。
• CuMnAsのような補償された反強磁性体における相対論的スピン軌道トーキーを活用し、決定的かつ非ボラタイルなスイッチングを実現すること。
• 1つの反強磁性ビットセル内にメモリ機能と信号処理機能（例：パルスカウンティング）を統合すること。
• USB接続プロトタイプを用いて、反強磁性スピントロニクスの実世界の電子システムへの実現可能性を検証すること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを用いて、ガリウムホスファイト(001)基板上に2 µmサイズのクロス形状のCuMnAsビットセルをプロセスした。
• 300 °Cで分子線エpitaxyを用いて、60 nm 厚さのエpitaxialでテトラゴナルCu2Sb構造のCuMnAs膜を成長させ、格子不整合率は1%未満に抑えた。
• [100]または[010]結晶軸に沿って電流パルスを印加し、ステガレートドリフト場を介した相対論的スピン軌道トーキーを発生させ、反強磁性ドメインをスイッチングした。
• 1本のアームにプローブ電流を流し、垂直なアーム間の電圧を測定することで、平面ホール効果を用いて電気的読み出しを実施した。
• マイコントローラーとUSBインターフェースを内蔵したプリント基板にデバイスを統合し、コンピュータとのリアルタイム通信を可能にした。
• 16ビットADCとアンプを用いて、読み出し信号を処理・デジタル化し、マルチレベル状態の信頼性の高い検出を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道トーキーを用いた実用的デバイス構成で、反強磁性材料をナノ秒スケールの精度で電気的にスイッチング可能か？
• RQ2 決定的かつ繰り返し可能なドメイン再配置によって、反強磁性メモリセルでマルチレベルデータ記憶が可能か？
• RQ3 反強磁性メモリセルが、非ボラタイル性を維持しながら、パルスカウンティングなどの統合的信号処理機能を果たせるか？
• RQ4 熱的飽和がない条件下で、スイッチングダイナミクスと読み出し信号はパルス持続時間および積分電流にどのように依存するか？
• RQ5 反強磁性メモリセルをUSBのような標準電子システムとインターフェース可能か、実用的応用に向けた可能性は示せるか？

主な発見

• 反強磁性CuMnAsメモリセルは、ミリ秒からナノ秒スケールの時間で決定的かつ電気的に誘発されたスイッチングを実証した。
• 再現可能なドメイン再配置によりマルチレベルメモリ動作が達成され、読み出し信号はパルスの数と持続時間に依存した。
• パルス持続時間が約10 µsを超える領域では、読み出し信号が積分パルス時間に普遍的に依存しており、スイッチング中に熱的平衡に達していることが示された。
• 1 µs未満のサブマイクロ秒パルスでは、加熱が不完全であるため読み出し信号が減少し、適用電流密度下で1 µs未塔では信号が消失した。
• デバイスは大気中でも安定して動作し、USBを介したコンピュータとのインターフェースに成功した。標準電子機器との互換性が確認された。
• システムは、パルスカウントとパルス時間の検出を実現し、メモリセル自体に信号カウンタ機能を統合した。