[论文解读] Spin-orbit torque switching without external field with a ferromagnetic exchange-biased coupling layer

Yong‐Chang Lau, Davide Betto+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2015

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用 10

一句话总结

本论文通过在Ru隧道层上使用铁磁交换偏置耦合层，实现了在垂直取向CoFe自由层中确定性、无偏置场的自旋轨道矩（SOT）开关。通过层间交换耦合（IEC）实现对称性破缺，实现了无需外磁场的电流极性依赖开关，这是迈向可扩展SOT-MRAM和自旋电子器件的关键一步。

ABSTRACT

Magnetization reversal of a perpendicular ferromagnetic free layer by spin-orbit torque (SOT) is an attractive alternative to spin-transfer torque (STT) switching in magnetic random-access memory (MRAM) where the write process involves passing a high current across an ultrathin tunnel barrier. A small symmetry-breaking bias field is usually needed for deterministic SOT switching but it is impractical to generate the field externally for spintronic applications. Here, we demonstrate robust zero-field SOT switching of a perpendicular Co90Fe10 (CoFe) free layer where the symmetry is broken by magnetic coupling to a second in-plane exchange-biased CoFe layer via a nonmagnetic Ru spacer. The preferred magnetic state of the free layer is determined by the current polarity and the nature of the interlayer exchange coupling (IEC). Our strategy offers a scalable solution to realize bias-field-free SOT switching that can lead to a generation of SOT-based devices, that combine high storage density and endurance with potentially low power consumption.

研究动机与目标

• 在不需外加磁场的条件下，实现垂直磁各向异性（PMA）自由层中的确定性自旋轨道矩（SOT）开关。
• 克服SOT开关中通常需要外加偏置场才能实现确定性反转的对称性限制。
• 通过利用成熟的磁耦合机制，开发一种可扩展、可集成于器件中的SOT基存储器和逻辑器件解决方案。
• 证明通过非磁性Ru隧道层实现的层间交换耦合（IEC）可打破对称性，并通过电流极性控制磁化状态。
• 通过反常霍尔效应测量、谐波霍尔响应及自旋混合电导分析验证该机制。

提出的方法

• 制备多层磁性异质结构：Ta(1)/Pt(5)/CoFe(0.8)/Ru(t_Ru)/CoFe(1.5)/IrMn(10)/Pt(2)，其中底层CoFe层具有垂直磁各向异性（PMA）。
• 顶层CoFe层通过IrMn实现交换偏置，磁矩沿x轴固定，通过Ru隧道层产生层间交换耦合（IEC）。
• 通过Pt层中的自旋霍尔效应（SHE）产生自旋轨道矩（SOT），在平面电流作用下生成纯自旋流，对自由层施加类似Slonczewski的力矩。
• 层间交换耦合的方向（铁磁或反铁磁）由退火磁场方向控制，从而设定交换偏置并决定自由层的优选磁化状态。
• 利用反常霍尔效应（AHE）测量探测自由层的磁化状态，测量霍尔电压随垂直磁场的变化。
• 在1234.57 Hz频率下进行谐波霍尔测量，提取有效自旋轨道场，确认自旋混合电导的虚部可忽略不计，自旋霍尔角为11.2%。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不施加外磁场的条件下，实现垂直磁各向异性（PMA）自由层中的确定性SOT开关？
• RQ2 通过非磁性Ru隧道层实现的层间交换耦合（IEC）能否打破实现确定性SOT开关所必需的对称性？
• RQ3 交换偏置方向和IEC符号如何影响自由层的磁化状态？
• RQ4 在无外磁场条件下，自旋霍尔效应在产生有效自旋轨道力矩中起什么作用？
• RQ5 该机制是否可扩展至尺寸低于100 nm的纳米尺度器件？

主要发现

• 通过非磁性Ru隧道层连接铁磁交换偏置耦合层，在垂直取向CoFe自由层中实现了稳健的零场SOT开关。
• 通过反转电流极性、交换偏置方向或层间交换耦合符号，可确定性地反转自由层的磁化状态。
• Pt层中的自旋霍尔角测量值为11.2%，与自旋混合电导和反常霍尔效应分析结果一致。
• 有效自旋轨道场主要由自旋混合电导的实部主导，虚部贡献可忽略，证实自旋霍尔效应主导于Rashba效应。
• 该机制具有可扩展性，不依赖器件面积，且在30 nm特征尺寸下仍能可靠工作。
• 交换偏置场在整体薄膜上确认约为50 mT，系统未表现出由表面粗糙度或平坦顶层引起的漏磁场耦合迹象。