[論文レビュー] Spin transfer torque oscillator based on asymmetric magnetic tunnel junctions

Witold Skowroński, T. Stobiecki+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Magnetic properties of thin films参考文献 18被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、外部磁場を必要とせず1.5 GHzで10 nV/√Hzを超える電圧振幅を発生する、非対称CoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合を用いたスピン転送力トルク発振器（STO）を提示する。このデバイスは、薄い自由層における強磁性体間接合結合および垂直界面磁気異方性を活用し、低抵抗状態を安定化させ、低直流バイアス下での磁場フリーなプリセッションを可能にし、ナノスケールのマイクロ波応用に向けたコンactで高周波の発振を実現する。

ABSTRACT

We present a study of the spin transfer torque oscillator based on CoFeB/MgO/CoFeB asymmetric magnetic tunnel junctions. We observe microwave precession in junctions with different thickness of the free magnetization layer. Taking advantage of the ferromagnetic interlayer exchange coupling between the free and reference layer in the MTJ and perpendicular interface anisotropy in thin CoFeB electrode we demonstrate the nanometer scale device that can generate high frequency signal without external magnetic field applied. The amplitude of the oscillation exceeds 10 nV/Hz^0.5 at 1.5 GHz.

研究の動機と目的

• 外部磁場を必要としないナノスケールのスピン転送力トルク発振器（STO）の開発により、コンactなマイクロ波回路への統合を可能とすること。
• 強磁性体間接合結合および垂直界面磁気異方性が、外部磁場ゼロの状態で低抵抗状態を安定化させる役割を果たすかを調査すること。
• 非対称MTJピラミッドにおいて、高周波マイクロ波放射（最大1.5 GHz）と顕著な信号振幅（10 nV/√Hzを超える）を実証すること。
• 直流バイアス電流および自由層厚さに伴う発振周波数、振幅、および線幅の依存関係を同定すること。

提案手法

• コア・フェロ磁性体の自由層が楔形をした非対称CoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合を、制御された厚さ変動を実現するためのSingulus Timarisクラスターツールを用いて作製した。
• 3段階の電子ビームリソグラフィ、イオンビームマシニング、リフトオフ工程を経て、MTJを250 × 150 nmの楕円形ナノピラーにパターニングした。
• 室温下、外部磁場ゼロの条件下で高周波マイクロ波放射を測定するために、バイアスティ配置を用い、スペクトラムアナライザおよびプリアンプを組み合わせた測定手法を採用した。
• 接合部の非対称性およびスピン極化度を評価するため、微分コンダクタンス（dI/dV）およびトンネル磁気抵抗（TMR）を測定した。
• ロックイン技術を用いてdI/dV曲線を抽出し、フェロ磁性体電極における異なるバンド構造に起因する非対称性を分析した。
• 線形フィットを線幅対直流電流データに適用し、スピン転送力トルク不安定化の閾値電流を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層間結合および界面異方性を設計することで、外部磁場を必要としないスピン転送力トルク発振器を実現できるか？
• RQ2 自由層の厚さが、磁場フリーSTOにおける発振周波数および信号振幅にどのように影響を与えるか？
• RQ3 直流バイアス電流と非対称MTJにおけるマイクロ波放射の線幅および周波数の関係は何か？
• RQ4 CoFeB電極における非対称性が、スピン極化輸送および発振特性に及ぼす影響の程度はどの程度か？

主な発見

• DCバイアス電流-1.7 mAの条件下で、1.5 GHzで10 nV/√Hzを超える発振振幅を達成し、外部磁場なしで顕著な信号強度を示した。
• 自由層厚さが増加するにつれてピーク周波数が上昇し、より高い値に達した。これは、強化された異方性および減少したプリセッション軌道サイズに起因する。
• 発振信号の線幅は直流電流に対して線形的依存を示し、線幅データの外挿から閾値電流は約-1.8 mAと推定された。
• 自由層とリファレンス層間の強磁性体間接合結合のおかげで、外部磁場ゼロの状態でも低抵抗状態が安定に維持された。
• 発振は自由層厚さ1.57 nm（A2）および1.35 nm（A1）のサンプルでのみ観測されたが、1.22 nmのサンプルは強磁場を印加しても明確な発振は観測されなかった。
• この系は、薄いCoFeB層における垂直界面磁気異方性が、低直流バイアス下で自発的な磁化プリセッションを可能にし、磁場フリー動作を実現できることを示した。