壓控自旋矩

自旋軌道矩（Spin-OrbitTorque, SOT）與電壓調控磁各向異性（Voltage-ControlledMagnetic Anisotropy, VCMA）相結合，實現高速度、低功耗磁化翻轉，該技術稱為壓控自旋矩（Voltage-ControlledSpin Torque, VST）技術。其中，自旋軌道矩電流施加在磁隧道結下方的重金屬條帶上，用於實現磁隧道結的翻轉；調控電壓施加在磁隧道結兩端，用於降低自旋軌道矩臨界翻轉電流密度，從而降低數據寫入功耗。

基本介紹

• 中文名：壓控自旋矩
• 外文名：Voltage-Controlled Spin Torque
• 所屬學科：自旋電子學

提出背景

基於自旋軌道矩的數據寫入方法具有寫入速度快的優點，但是通常來說臨界寫入電流密度較大，數據寫入功耗較高。同時，對於具有垂直磁各向異性的磁隧道結來說，通常需要面內方向的外磁場來輔助實現基於自旋軌道矩的確定性數據寫入，這使電路設計複雜、功耗提高。在實際套用中，通常可以採用交換偏置場、層間交換耦合、DM相互作用或者增加一層面內磁性層提供雜散場等方法來替代面內方向外磁場，從而實現無需外磁場的自旋軌道矩寫入，但臨界寫入電流密度仍然較大。電壓調控磁各向異性效應可以通過在磁隧道結兩端施加合適方向的電壓，從而降低磁隧道結的垂直磁各向異性和熱穩定性。因此，將自旋軌道矩與電壓調控磁各向異性相結合，通過施加電壓降低鐵磁層的磁各向異性，從而降低自旋軌道矩臨界寫入電流密度，有望實現高速度、低功耗數據寫入。

基本原理

圖1 (a)壓控自旋矩器件示意圖 (b)壓控自旋矩翻轉原理圖

圖1(a)為壓控自旋矩器件示意圖。在數據寫入過程中，在最下面的重金屬層中施加面內方向電流，從而產生自旋軌道矩，該力矩在重金屬層/自由層界面累積並誘導自由層發生磁化翻轉；同時，在磁隧道結頂底兩端施加調控電壓，該電壓降低磁隧道結的磁各向異性和能量勢壘，從而降低自旋軌道矩臨界翻轉電流密度，最終降低數據寫入功耗。同時，如圖1(b)所示，在數據存儲過程中，磁隧道結保持較高的能量勢壘，從而具有較強的數據存儲穩定性，使磁隧道結中的數據能在較長時間（如10年）內保持穩定存儲；在數據寫入過程中，通過施加調控電壓來降低能量勢壘，從而減小自旋軌道矩臨界翻轉電流密度，從而實現較低的數據寫入功耗。因此，基於壓控自旋矩的數據寫入方法能夠在保持較高數據存儲穩定性的同時實現較低的數據寫入功耗。

壓控自旋矩存儲陣列

圖2 壓控自旋矩存儲陣列示意圖

圖2為壓控自旋矩存儲陣列示意圖。為了實現較高的存儲密度，可以將多個磁隧道結集成在同一個重金屬或反鐵磁條帶上。數據寫入過程中，在需要寫入的磁隧道結頂部施加調控電壓，同時在重金屬或反鐵磁條帶上施加自旋軌道矩電流，該電流應小於不施加調控電壓時的臨界翻轉電流並大於施加調控電壓時的臨界翻轉電流，從而對施加了調控電壓的磁隧道結進行數據寫入，並使未施加調控電壓的磁隧道結保持原有狀態不變，從而實現選擇性數據寫入。例如，假設壓控自旋矩存儲陣列中有4個磁隧道結，該陣列的初始值為（0,0,0,0），目標寫入值為（1,0,1,0），則在第1個和第3個磁隧道結上方施加調控電壓，並在重金屬或反鐵磁條帶中通入自旋軌道矩電流，從而誘導第1個和第3個磁隧道結中自由層的磁化方向發生翻轉，同時第1個和第3個磁隧道結不發生翻轉，從而實現（1,0,1,0）的寫入。在該存儲陣列中，多個磁隧道結共用兩個驅動電晶體，從而提高數據存儲密度；同時，多個磁隧道結共用同一個自旋軌道矩電流，從而進一步降低數據寫入功耗。因此，有望實現高密度、低功耗磁存儲器，具有廣闊的套用前景。