自旋轉移矩

當電流從參考層流向自由層時, 首先獲得與參考層磁化方向相同的自旋角動量, 該自旋極化電流進入自由層時, 與自由層的磁化相互作用, 導致自旋極 化電流的橫向分量被轉移, 由於角動量守恆, 被轉移的橫向分量將以力矩的形式作用於自由層, 迫使它的磁化方向與參考層接近, 該力矩被稱為自旋轉移矩。

基本介紹

• 中文名：自旋轉移矩
• 外文名：spin transfer torque
• 相關學科：電子科學，物理
• 相關概念：自旋電子
• 套用領域：新型儲存器

概述

1996年, Slonczewski和Berge從理論上預測了一種被稱為自旋轉移矩(Spin Transfer Torque, STT) 的純電學的磁隧道結寫入方式，當電流從參考層流向自由層時, 首先獲得與參考層磁化方向相同的自旋角動量，該自旋極化電流進入自由層時, 與自由層的磁化相互作用, 導致自旋極化電流的橫向分量被轉移，由於角動量守恆，被轉移的橫向分量將以力矩的形式作用於自由層，迫使它的磁化方向與參考層接近, 該力矩被稱為自旋轉移矩。同理，對於相反方向的電流，參考層對自旋的反射作用使自由層磁化獲得相反的力矩, 因此，被寫入的磁化狀態由電流方向決定。

提出背景

MRAM的寫入操作通過磁隧道結中自由層的磁化翻轉來實現。早期的MRAM直接採用磁場寫入方式，磁隧道結置於字線(DigitLine)和位線(Bit Line)的交叉處，字線和位線分別沿著自由層的難磁化軸(Hard-Axis)和易磁化軸(Easy-Axis)方向。寫入時，被選中的磁隧道結的字線和位線分別通入電流以產生互相垂直的兩個磁場，它們的大小均不足以使自由層完成磁化翻轉，但二者能夠將彼此方向上的矯頑場(Coercive Field)大小降低至所產生的磁場以下，因此，只有交叉處的磁隧道結能夠完成狀態的寫入。這種寫入方式要求位線(或字線)產生的磁場足夠大以至於能夠有效地減小字線方向上(或位線方向上)的矯頑場, 但同時也要足夠小以避免同一條位線(或字線)上的其餘磁隧道結被誤寫入(半選干擾問題, Half-Selectivity Disturbance)，由於工藝偏差的存在，所允許寫入的磁場範圍非常有限。為解決此問題，Freescale的工程師[23]提出一種被稱為Toggle的改進型磁場寫入方式，基於這種寫入方式的磁隧道結採用合成反鐵磁結構(Synthetic Antiferromagnet, SAF)的自由層，若將自由層的難(易)磁化軸與寫入磁場呈45°放置，則單獨的一個寫入磁場無法使自由層完成磁化翻轉，從而避免了“半選干擾”問題，也擴展了寫入磁場的可操作範圍。基於這種Toggle寫入方式，Freescale成功推出第一款4 Mb的MRAM商用產品.

圖1 自旋轉移矩原理示意圖

原理詮釋

MS是自由層的飽和磁化強度。其中, 方程右邊三項依 次是有效磁場引起的力矩、Gilbert阻尼矩和自旋轉移矩, 它們的作用如圖1所示, 由圖可見, 第一項力矩使磁化向量圍繞有效磁場產生進動, 而Gilbert阻尼矩 與自旋轉移矩共線, 本圖只展示出二者反向的情形, 此時它們互相競爭, 當電流大於一個臨界值時, 自旋轉移矩能夠克服Gilbert阻尼矩從而實現磁化翻轉, 該 電流被稱為臨界翻轉電流。

套用發展

2000年前後, 自旋轉移矩在實驗 上被用於實現金屬多層膜的磁化翻轉。

2004年, 自旋轉移矩被成功用於磁隧道結的狀態寫入。此後, STT-MRAM的研發吸引了越來越多的關注。2005 年, 日本索尼公司首次製備了4 Kbit的STT-MRAM測試片。隨後, 東芝公司、Everspin、NEC、海力士、 日立和日本東北大學也分別製備出STT-MRAM樣片。

經過十幾年的發展, 目前絕大部分的MRAM產品均采 用自旋轉移矩方式寫入數據, Everspin已向市場推出 了64 Mbit的STT-MRAM商用產品。

套用優點

自旋轉移矩依靠電流實現磁化翻轉, 寫入電流密度大概在106–107 A/cm2之間, 而且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小, 克服了傳統磁場寫入方式 的缺點, 因而被廣泛認為是實現磁隧道結的純電學寫入方式的最佳候選.

發展前景

VCMA聯合自旋轉移矩可以實現磁隧道結的狀態寫入, 而且降低了寫入電流密度和寫入功耗。若將外磁場方向改為面內, 則磁隧道結中的電場可以使自由層的磁化方向在垂直於外磁場的平面內振盪, 通過控制外加電場的時間可以實現無需自旋轉移矩的磁化翻轉, 從而進一步降低寫入功耗。因此, VCMA效應有望被用於設計高速低功耗MRAM。然而, 目前發現的VCMA效應還較 弱, 基於Ta/CoFeB/MgO結構的VCMA係數的典型值與理論預測值100 fJ/Vm還有一定差距。通過改變材料和器件結構來增強VCMA效應仍然是目前的熱點研究問題。