[論文レビュー] Gate voltage modulation of spin-Hall-torque-driven magnetic switching

Luqiao Liu, Chi‐Feng Pai+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2012

Magnetic properties of thin films参考文献 34被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、スピンホール効果と電圧制御磁気異方性（VCMA）を統合した3端子磁気トンネル接合（MTJ）デバイスを提案し、ゲート電圧で制御可能な磁気スイッチングを実現する。ゲート電圧を印加することで、スイッチングの臨界電流閾値が低下し、エネルギー効率が高く、トランジスタを必要としないクロスポイントメモリアーキテクチャを実現する。このアーキテクチャにより、スピントロニクスデバイスにおける磁化反転の制御性が向上する。

ABSTRACT

Two promising strategies for achieving efficient control of magnetization in future magnetic memory and non-volatile spin logic devices are spin transfer torque from spin polarized currents and voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA). Spin transfer torque is in widespread development as the write mechanism for next-generation magnetic memory, while VCMA offers the potential of even better energy performance due to smaller Ohmic losses. Here we introduce a 3-terminal magnetic tunnel junction (MTJ) device that combines both of these mechanisms to achieve new functionality: gate-voltage-modulated spin torque switching. This gating makes possible both more energy-efficient switching and also improved architectures for memory and logic applications, including a simple approach for making magnetic memories with a maximum-density cross-point geometry that does not require a control transistor for every MTJ.

研究の動機と目的

• 磁気メモリおよびスピンロジックデバイスにおける磁化制御のよりエネルギー効率の良い方法の開発。
• 従来のスピン転送トルクおよび電圧制御磁気異方性（VCMA）の限界を克服するため、両者のメカニズムを統合すること。
• 各MTJごとに個別のアクセストランジスタを必要としないことで、トランジスタフリーで最大密度のクロスポイントメモリアレイの実現。
• ゲート電圧によるスピンホールトルク駆動スイッチングの制御を実証し、エネルギー効率の向上とデバイスのスケーラビリティを向上させること。

提案手法

• スピンホール効果の生成に適した重金属層と、静電的制御を可能にするゲート酸化膜を統合した3端子磁気トンネル接合（MTJ）構造をフォトリソグラフィーで作製した。
• スピン軌道カップリングを介して重金属（例：Pt）でスピンホールトルクを生成し、電荷電流をスピン電流に変換することでMTJのフリーレイヤーをスイッチングした。
• MTJにゲート電圧を印けることで、電圧制御磁気異方性（VCMA）を介して磁気異方性エネルギーを制御し、スイッチング閾値を変化させた。
• スピンホールトルクとゲートで制御された異方性エネルギーの併用により、低電流で決定的かつ効率的な磁気スイッチングが実現され、エネルギー消費が低減した。
• 電気的測定を用いて、ゲート電圧および電流の関数としてのスイッチング特性をマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート電圧の制御が、MTJにおけるスピンホールトルク駆動スイッチングに必要な臨界電流を低減できるか？
• RQ2 スピンホールトルクとVCMAの併用が、磁気メモリデバイスにおけるエネルギー効率の向上にどのように寄与するか？
• RQ3 3端子MTJアーキテクチャが、トランジスタフリーで高密度のクロスポイントメモリ構成を実現できるか？
• RQ4 静電的ゲーティングが、スイッチング中の磁化状態の安定化または不安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 ゲート電圧と電流の独立した調整により、スイッチングダイナミクスを正確に制御できるか？

主な発見

• ゲート電圧の印加により、スピンホールトルク駆動スイッチングに必要な臨界電流が顕著に低減した。
• ゲート電圧による制御により、スイッチング閾値が最大30%まで変化し、磁気異方性の静電的制御が有効であることが示された。
• 低電流密度で決定的磁気スイッチングが達成されたため、低エネルギー動作の可能性が示された。
• 3端子構成により、各MTJに個別のアクセストランジスタを必要とせず、高密度のクロスポイントメモリアレイの実現が可能になった。
• スピンホールトルクとVCMAの併用により、相乗効果が得られ、スイッチング効率が向上し、エネルギー損失が低減した。