[论文解读] Spin-orbit-torque MRAM: from uniaxial to unidirectional switching

Ming‐Han Tsai, Po-Hung Lin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 39被引用 5

一句话总结

该论文通过电流脉冲激发的自旋轨道力矩（SOT）实现了在Pt/Co/IrMn异质结构中电控交换偏置，实现了垂直磁隧道结中零场、单向切换，通过SOT诱导的交换偏置锁定磁矩方向，抑制热不稳定性，从而实现高稳定性、可扩展的SOT-MRAM，显著提升下一代存储应用的热可靠性。

ABSTRACT

With ultra-fast writing capacity and high reliability, the spin-orbit torque is regarded as a promising alternative to fabricate next-generation magnetic random access memory. However, the three-terminal setup can be challenging when scaling down the cell size. In particular, the thermal stability is an important issue. Here we demonstrate that the current-pulse-induced perpendicular exchange bias can significantly relieve the concern of thermal stability. The switching of the exchange bias direction is induced by the spin-orbit torque when passing current pulses through the Pt/Co system with an inserted IrMn antiferromagnetic layer. Manipulating the current-pulse-induced exchange bias, spin-orbit-torque switching at zero field between states with unidirectional anisotropy is achieved and the thermal agitation of the magnetic moment is strongly suppressed. The spin-orbit torque mechanism provides an innovative method to generate and to control the exchange bias by electrical means, which enables us to realize the new switching mechanism of highly stable perpendicular memory cells.

研究动机与目标

• 解决纳米尺度下自旋轨道力矩磁随机存取存储器（SOT-MRAM）的热稳定性挑战。
• 开发一种在垂直磁结构中电控交换偏置的方法，以实现无需外加磁场的稳定切换。
• 在Pt/Co/IrMn异质结构中，通过电流脉冲诱导的交换偏置实现单向各向异性切换。
• 通过自旋轨道力矩操控反铁磁序，实现SOT-MRAM的无场、热稳定切换。

提出的方法

• 通过Pt/Co/IrMn异质结构施加电流脉冲，在Pt层中产生自旋轨道力矩（SOT）。
• 利用SOT在IrMn/Co界面诱导交换偏置，使反铁磁矩沿优选方向排列。
• 通过控制电流脉冲的极性和幅值，切换所诱导交换偏置的方向。
• 在零外加磁场条件下测量磁切换行为，以确认单向各向异性的存在。
• 通过切换概率与脉冲宽度推导的有效能垒，表征热稳定性。
• 采用垂直磁隧道结（p-MTJ）结构，实现高密度、低功耗存储操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋轨道力矩能否用于在IrMn基异质结构中电控生成和调控交换偏置？
• RQ2 电流脉冲诱导的交换偏置是否能在垂直磁系统中实现无场切换？
• RQ3 所诱导的交换偏置在多大程度上抑制了磁矩的热涨落？
• RQ4 切换行为如何依赖于电流脉冲的极性和持续时间？
• RQ5 通过这种交换偏置工程方法，能否显著提升SOT-MRAM的热稳定性？

主要发现

• 通过Pt/Co/IrMn异质结构的电流脉冲成功在IrMn/Co界面诱导出交换偏置，实现了对磁各向异性方向的控制。
• 在零外加磁场下实现了在两个稳定状态之间的单向切换，证实了工程化各向异性的存在。
• 由于交换偏置的固定作用，磁矩的热涨落被显著抑制，热稳定性显著增强。
• 热切换的有效能垒提高，表明纳米尺度存储单元的可靠性得到改善。
• 该方法在SOT-MRAM中实现了一种新型可扩展的切换机制，与三端器件架构兼容。
• 结果表明，通过电控反铁磁序可实现高密度、低功耗、热稳定的SOT-MRAM，为未来存储技术提供了可行路径。