基本介紹
- 中文名：自旋協同矩
- 外文名：Toggle Spin Torque
- 所屬學科：自旋電子學
提出背景,基本原理,特點,
提出背景
自旋轉移矩和自旋軌道矩是磁隨機存儲器（Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM）採用的主流寫入方式，但是自旋轉移矩和自旋軌道矩都存在著難以克服的缺點。自旋轉移矩的大小與自由層和參考層的磁化向量積呈正相關。寫入之前，兩個鐵磁層的磁化方向幾乎共線（平行或反平行），主要靠熱波動引發二者之間出現很小的夾角，所以在寫入的初始階段，自旋轉移矩相對微弱，隨著磁化翻轉過程的進行，兩個磁化向量夾角才逐漸增大，自旋轉移矩得以增強。初始時，微弱的自旋轉移矩導致了一個初始延遲，限制了寫入速度。通過增大寫入電流可以減小初始延遲，但同時也增加了勢壘擊穿的機率。單獨的自旋軌道矩無法實現確定性的垂直磁化翻轉，原因是在自旋軌道矩產生的類阻尼場和類等效場的作用下，磁化在垂直向上和垂直向下兩種狀態下是等效的,必須沿電流方向外加一個水平磁場破壞這種對稱性才能實現確定性的磁化翻轉，外加磁場的使用增加了電路複雜度,也降低了鐵磁層的熱穩定性,成為限制自旋軌道矩套用的最大障礙。自旋協同矩結合了自旋軌道矩和自旋轉移矩的優點，克服了兩者的缺點，實現高速、低功耗、無需外磁場輔助的磁化翻轉。
基本原理
圖1 三連線埠器件示意圖及自旋協同矩原理示意圖
圖1左圖為一個三連線埠器件示意圖，最下層為重金屬層，上面為磁隧道結。數據寫入過程中，自旋軌道矩電流從T1電極流向T3電流；自旋轉移矩電流流經磁隧道結。圖1右圖為自旋協同矩原理示意圖，兩個電流共同作用誘導垂直磁隧道結的磁化翻轉，其中一個面內電流流經重金屬層，產生自旋軌道矩；另一個垂直電流流經磁隧道結，產生自旋轉移矩。自旋軌道矩產生的有效場沿著面內方向，累積在重金屬/鐵磁界面的力矩作用到自由層磁矩後，自由層磁矩偏離原來位置（即與參考層磁化方向夾角變大），自旋轉移矩逐漸增大，在該過程中自旋軌道矩負責消除弛豫延遲，提高磁矩翻轉速度，並且與自旋轉移矩形成協同效應，降低自旋轉移矩電流，提高磁隧道結的數據寫入可靠性。由於自旋轉移矩的存在，磁矩在垂直向上和垂直向下兩種狀態下不對稱，自旋轉移矩打破了器件體系的對稱性，避免了外磁場的引入，使磁隧道結器件完成無需外磁場的確定性翻轉。
特點
基於自旋協同矩的三連線埠器件具有以下優點：該三連線埠器件中多個磁隧道結可集成到同一重金屬條帶上，提高了存儲密度；流經磁隧道結的電流遠小於磁隧道結的擊穿電流，延長了磁隧道結的使用壽命；自旋軌道矩消除弛豫延遲，實現高功耗的數據寫入；自旋轉移矩打破了上下對稱性，實現確定性的磁化翻轉。因此，利用該方法有望實現高速度、低功耗、無磁場、高可靠性的磁存儲器。
