基于反鐵磁的無外場輔助自旋軌道矩磁隧道結(jié)模型分析*

王可欣 粟傈 童良樂

(首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院,北京 100048)

1 引言

在過去的二十年中,由于隧穿磁阻效應(yīng)得到了極大改善,磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction,MTJ)在制造發(fā)展方面也取得巨大進(jìn)展.作為制作磁隨機(jī)存儲(chǔ)器[1](magnetic random access memory,MRAM)最具前景的器件之一,MTJ 正在經(jīng)歷不斷迭代開發(fā).MTJ 雙端口器件主要以自旋轉(zhuǎn)移矩效 應(yīng)[2,3](spin transfer torque,STT)為中心,由STT 效應(yīng)設(shè)計(jì)制作的STT-MRAM 能夠在無外場作用下僅靠電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)純電流翻轉(zhuǎn)方式.隨著集成密度不斷升高,STT-MTJ 面臨的最主要的瓶頸之一是其寫入速度受內(nèi)在潛伏期[4,5]的限制.此外,嚴(yán)重的隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致其寫延遲分布廣,為了保證較高的寫成功率需要很大的電流流入MTJ,可能引起嚴(yán)重的熱擾動(dòng),而且高功耗的寫操作也會(huì)增大電擊穿的概率.

近年來,自旋軌道轉(zhuǎn)矩[6](spin-orbit torque,SOT)在非易失性存儲(chǔ)器和計(jì)算應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力,引起了電磁學(xué)和自旋電子學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注.與STT 相比,圍繞SOT 為核心的三端口器件結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)讀寫路徑分離,具有更低的功耗和更快的操作.傳統(tǒng)SOT-MTJ 是在原有MTJ 三層膜的自由層(free layer,FL)下方加一重金屬層(heavy metal,HM),在重金屬層中施加面內(nèi)電流時(shí),電子自旋軌道耦合引起的自旋霍爾效應(yīng)會(huì)引起HM 表面頂部的自旋累積,產(chǎn)生一垂直自旋電流,并對(duì)MTJ 的自由層磁化產(chǎn)生扭矩,使自由層磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn).近年來,反鐵磁材料[7](antiferromagnet,AFM)被發(fā)現(xiàn)具備THz 的共振頻率,自旋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)ps 量級(jí),推動(dòng)其成為自旋電子學(xué)的研究熱點(diǎn)之一.實(shí)驗(yàn)表明,使用AFM 可以取代HM 材料,目前所使用的AFM 材料體系眾多,如FeRh,PtMn,FeMn 等,其中IrMn 體系[8]為近年來研究的熱點(diǎn)材料結(jié)構(gòu).Park 等[9]曾在2011 年利用IrMn 構(gòu)建了MTJ 核心層并實(shí)現(xiàn)其自旋軸的旋轉(zhuǎn).AFM 不僅可以成功構(gòu)建MTJ 并產(chǎn)生SOT效應(yīng),而且可以提供一個(gè)面內(nèi)的交換偏置[6,10,11]以及產(chǎn)生面外自旋極化電流提高SOT 效率,這些性質(zhì)都為實(shí)現(xiàn)基于AFM 的MTJ 無場磁化開關(guān)提供可能[12].目前,在多種影響MTJ 磁化翻轉(zhuǎn)的因素中,AFM-MTJ 以及EB 效應(yīng)仍為當(dāng)前研究熱點(diǎn),例如目前已經(jīng)觀測到的SOT 誘導(dǎo)EB 場開關(guān)[13]、EB 在面內(nèi)磁各項(xiàng)異性場結(jié)構(gòu)的切換[14]等.此外,電壓調(diào)控磁各向異性(voltage-controlled magnetic anisotropy,VCMA)效應(yīng)[15]的發(fā)現(xiàn)建立了新型開關(guān)機(jī)制,由于能控制MTJ 的能量勢(shì)壘[11,16,17]快速切換FL 磁化翻轉(zhuǎn),許多基于STT 和SOT 的MTJ 模型與該物理機(jī)制相互作用,也為MTJ 在MRAM 和邏輯應(yīng)用[18]提供了新思路.這種基于VCMA 效應(yīng)的AFM/FM/Oxide 結(jié)構(gòu)的三端器件稱作VCSOT-MTJ[19,20],該器件結(jié)構(gòu)能有效提高SOT 開關(guān)轉(zhuǎn)換效率,實(shí)現(xiàn)超快和超低能量寫入以及較為高可靠的完全無場SOT翻轉(zhuǎn)[21].

本文以AFM/FM/Oxide 構(gòu)成的三端器件SOT-MTJ 為理論模型,首先通過求解修正的LLG方程對(duì)VCSOT-MTJ 工作原理和磁化動(dòng)力學(xué)理論模型進(jìn)行研究說明,分析決定MTJ 翻轉(zhuǎn)的有效磁場構(gòu)成;在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮在應(yīng)用過程中影響磁化翻轉(zhuǎn)模型狀態(tài)和磁性能的因素,包括VCMA效應(yīng)對(duì)能量勢(shì)壘和磁化翻轉(zhuǎn)的影響,VCMA 效應(yīng)、SOT 效應(yīng)以及EB 同時(shí)存在時(shí)對(duì)MTJ 臨界翻轉(zhuǎn)電流的影響,自旋軌道矩類場項(xiàng)對(duì)模型磁動(dòng)力學(xué)的影響,以及器件的生長工藝偏差[22,23]和刻蝕偏差[24]隨MTJ 尺寸不斷縮小對(duì)垂直磁各向異性場的影響.最后對(duì)VCSOT-MTJ 模型及其磁化翻轉(zhuǎn)影響因素進(jìn)行分析,這對(duì)器件優(yōu)化設(shè)計(jì)和MTJ 的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用及發(fā)展具有一定意義,也為新一代基于AFM的器件設(shè)計(jì)提供了理論支撐和應(yīng)用分析.

2 基于AFM 的VCSOT-MTJ 磁化動(dòng)力學(xué)理論模型

圖1(a)為AFM/FM/Oxide 構(gòu)成的典型三端器件結(jié)構(gòu),主要由兩個(gè)鐵磁層CoFeB 和一個(gè)起到分隔作用的氧化層MgO 構(gòu)成,堆疊在反鐵磁層IrMn 上.不同于雙端器件構(gòu)成的VCMA-MTJ(MTJ),VCSOT-MTJ 包括垂直方向T1與水平方向T2和T3三個(gè)接線端,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換需要在T1和T2或T3端施加電壓V1和V2或V3.其中,V1用于調(diào)控VCMA 效應(yīng),V2和V3用于實(shí)現(xiàn)SOT效應(yīng),如T2端施加V2時(shí),T3端接地,即取V3=0 V.初始時(shí)刻未施加電壓時(shí),自由層和參考層(pinned layer,PL)方向相同,稱為平行態(tài)(P 態(tài)),MTJ 整體呈低電阻特性,阻值為RP;當(dāng)在T1和T3端施加電壓V1和V3時(shí),自由層與參考層磁化方向相反,稱為反平行態(tài)(AP 態(tài)),MTJ 整體呈高電阻特性,阻值為RAP;當(dāng)繼續(xù)在T2端施加相反方向電壓脈沖V2時(shí),MTJ 再次返回P 態(tài).VCMA勢(shì)壘高度與外加電壓關(guān)系如圖1(b)所示,勢(shì)壘高度Eb隨電壓V1增大而降低,該過程能夠降低MTJ 的垂直各向異性場,有助于自由層的磁化反轉(zhuǎn),當(dāng)勢(shì)壘被完全消除時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為臨界翻轉(zhuǎn)電壓VC.

從磁化動(dòng)力學(xué)角度分析,上述模型中不僅需要考慮VCMA 效應(yīng)和STT 效應(yīng),還需要考慮SOT效應(yīng)的影響,其自由層磁化動(dòng)力學(xué)可以用修正LLG 的方程描述[25,26]:

式中,JSTT和JSOT分別為STT 和SOT 的電流密度,γ為磁旋比,α為Gilbert 阻尼系數(shù),? 為約化普朗克常數(shù),μ0為真空磁導(dǎo)率,Ms為飽和磁化強(qiáng)度,tf為自由層厚度,e為電子電荷量,和和分別為STT 和SOT 的類阻尼轉(zhuǎn)矩和類場轉(zhuǎn)矩的電流相關(guān)比例常數(shù),ξ1和ξ2分別為STT 和SOT 的類場項(xiàng)和類阻尼項(xiàng)的比值.(1)式右側(cè)各項(xiàng)依次為進(jìn)動(dòng)項(xiàng)、阻尼項(xiàng)、STT 項(xiàng)和SOT 項(xiàng).m=mxex+myey+mzez,mx,my,mz分別為m在x,y,z軸的分量,ex,ey,ez分別為x,y,z軸的單位向量.

由于MTJ 的翻轉(zhuǎn)主要由磁場方向決定,對(duì)于具有AFM/FM/Oxide 結(jié)構(gòu)且考慮VCMA 效應(yīng)的SOT-MTJ 模型,有效磁場HEFF(VMTJ) 可以表示為

其中,HD為退磁場,HTH為熱噪聲場[27],HPMA為垂直磁各向異性場[27],HVCMA為壓控磁各向異性場[28],HEB為交換偏置場.

具體地,退磁場HD采用對(duì)應(yīng)圓形MTJ 的公式如下:

式中NX,NY,NZ為退磁張量在x,y,z軸的分量,D為MTJ 的直徑.

熱噪聲場HTH可研究溫度T對(duì)該模型的影響,可以表示為

其中,kB為玻爾茲曼常數(shù),V為自由層的體積,σ為單位系數(shù)矢量,Δt為磁化時(shí)間步長.

由上述可知,HEFF(VMTJ) 沿各坐標(biāo)軸分量為HEFF-X,HEFF-Y,HEFF-Z,其中HEFF-X,HEFF-Y分別由HD,HTH和HEB在x,y軸分量相加構(gòu)成.垂直方向分量HEFF-Z除各有效場在z軸分量之和外,還需計(jì)算PMA 與VCMA 效應(yīng)產(chǎn)生的垂直各向異性場有效場,該場由HPMA與HVCMA組成,具體表示為

其中,Ki為垂直磁各向異性系數(shù),tox為氧化層厚度標(biāo)準(zhǔn)值,β為VCMA 系數(shù),θSH為自旋霍爾角.m在球面坐標(biāo)下的x,y,z軸分量為

由于θ為m與z軸正半軸的夾角,φ為m為在x-y平面上投影向量與x軸正半軸的夾角,通過mz=cosθ即可確定MTJ 的磁化狀態(tài).將(2)式—(11)式代入(1)式求解得到:

表1 列出了VCSOT-MTJ 模型所使用的部分參數(shù).將翻轉(zhuǎn)過程細(xì)化至磁化動(dòng)力學(xué)示意圖中說明,以AP 態(tài)切換到P 態(tài)為例,在分析過程中不討論影響磁化翻轉(zhuǎn)因素情況下,設(shè)ξ1與ξ2比值為0,器件外加電壓脈沖V1和V3隨時(shí)間變化在ns 量級(jí),如圖2(a)所示,自由層磁化矢量m隨時(shí)間變化狀態(tài)如圖2(b)—(d)所示,設(shè)MTJ 初始狀態(tài)為AP 態(tài),HEFF為z軸負(fù)方向.當(dāng)t0＜t ＜t1時(shí),V1=0 V,磁矩圍繞有效場進(jìn)動(dòng)并逐漸靠近HEFF.當(dāng)t=t1時(shí),垂直方向開始施加電壓,此時(shí)V1＞VC,VCMA 效應(yīng)使降 低,HEFF迅速偏轉(zhuǎn)至xy平面,z軸正方向?yàn)閠1時(shí)刻方向,A點(diǎn)處為t1時(shí)刻m的位置,如圖2(b)所示.當(dāng)t1＜t ＜t2時(shí),T1方向施加電壓V1,T3橫向施加電壓V3,此時(shí)HVCMA為z軸正方向,由于V1＞VC,VCMA 效應(yīng)使得Eb降低,HEFF處于x-y面位置,磁矩圍繞有效場做進(jìn)動(dòng)并逐漸靠近HEFF.當(dāng)t=t2時(shí),撤去水平方向電壓,垂直方向電壓V1＜0,此時(shí)負(fù)z軸為t2時(shí)刻方向,B點(diǎn)處為t2時(shí)刻m的位置,如圖2(c)所示.當(dāng)t2＜t ＜t3時(shí),T3端電壓V3=0,且T1端施加反方向電壓V1＜ 0,此時(shí)HVCMA為z軸負(fù)方向,該操作通過升高Eb將磁化矢量穩(wěn)定在翻轉(zhuǎn)后的方向,防止其由于抖動(dòng)再次返回P 態(tài),磁矩圍繞HEFF進(jìn)動(dòng)并偏移至x-y平面上方.當(dāng)t=t3時(shí),C點(diǎn)處為t3時(shí)刻m的位置,如圖2(d)所示.當(dāng)t ＞t3時(shí),V1=0 V,m在z軸分量為正并穩(wěn)定在新方向,MTJ 實(shí)現(xiàn)了P 態(tài)到AP 態(tài)的切換.MTJ 從P 態(tài)切換至AP 態(tài)與上述過程完全相反.

表1 VCSOT-MTJ 模型部分參數(shù)Table 1.Partial parameters of the VCSOT-MTJ model.

圖2 (a) AP 態(tài)切換到P 態(tài)器件外加電壓隨時(shí)間的變化;(b) t0＜t ≤t1 磁化翻轉(zhuǎn)示意圖;(c) t1＜t ≤t2 磁化翻轉(zhuǎn)示意圖;(d)t2 ＜t ≤t3磁化翻轉(zhuǎn)示意圖Fig.2.(a) Change of the applied voltage of a device from AP state to P state with time;(b) schematic diagram of magnetization reversal during t0＜t ≤t1 ;(c) schematic diagram of magnetization reversal during t1＜t ≤t2 ;(c) schematic diagram of magnetization reversal during t2＜t ≤t3.

3 基于AFM 的VCSOT-MTJ 磁化翻轉(zhuǎn)模型分析

在磁化翻轉(zhuǎn)過程中,許多因素會(huì)對(duì)MTJ 狀態(tài)切換和磁性能產(chǎn)生影響,導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)情況發(fā)生改變,由于MTJ 翻轉(zhuǎn)由磁場方向決定,將對(duì)上文所提影響模型有效磁場的因素進(jìn)行分析說明.此外,考慮到實(shí)際應(yīng)用,對(duì)器件制備過程中工藝參數(shù)偏差對(duì)其性能的影響進(jìn)行討論.由于模型能實(shí)現(xiàn)較為高可靠的完全無場SOT 翻轉(zhuǎn),故無需施加外磁場.

3.1 交換偏置場對(duì)臨界翻轉(zhuǎn)電流的影響

由于AFM 能夠取代SOT 底部的重金屬形成AFM/FM/Oxide 結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)不僅能產(chǎn)生SOT效應(yīng),而且能提供面內(nèi)交換偏置,該交換偏場的存在使HEFF(VMTJ) 中增加了HEB項(xiàng),由于下文中討論了模型能夠?qū)崿F(xiàn)SOT 效應(yīng)無場切換,因VCSOTMTJ 器件中產(chǎn)生的通過自由層的STT 電流很微弱,以SOT 效應(yīng)影響磁化翻轉(zhuǎn)為主導(dǎo),對(duì)(1)式進(jìn)行推導(dǎo),得到

以MTJ 從AP 態(tài)切換到P 態(tài)為例,不考慮HD在x和y方向分量情況下,3 個(gè)分量的等效磁場在初始狀態(tài)mz=-1 時(shí)如圖3(a)所示.進(jìn)一步地,圖3(b)為不同HEB下MTJ 的臨界翻轉(zhuǎn)電流ISOT,由于ISOT與JSOT成正比關(guān)系,(3)式中SOT電流密度JSOT可以表示為

圖3 (a) AP 狀態(tài)下 在坐標(biāo)軸的分量;(b)不 同HEB 下的臨界ISOTFig.3.(a) Component of on the coordinate axis in AP state;(b) critical ISOT under different HEB.

由于AFM 結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的HEB能使模型實(shí)現(xiàn)無場翻轉(zhuǎn),可以替代(15)中Hext項(xiàng).進(jìn)一步,通過1 和0 作為開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)中各效應(yīng)有無,由圖4 對(duì)比可知,在STT=1,VCMA=0 下給V1端施加一個(gè)電壓,無論該端口設(shè)置為小電壓或大電壓,MTJ 無法始終無法完成狀態(tài)切換;打開VCMA 效應(yīng)開關(guān)后,小電壓下MTJ 即可實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn).此外,當(dāng)STT=0,VCMA=0 時(shí),僅施加V2端電壓MTJ 依然能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)的切換,此時(shí)說明模型僅靠STT 效應(yīng)無法輔助器件完成翻轉(zhuǎn),該效應(yīng)在過程中比較微弱,模型自身能夠?qū)崿F(xiàn)純SOT 效應(yīng)翻轉(zhuǎn).討論JSOT對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響.由(15)式可知,JSOT隨HEB的增大而減小,即HEB的存在能幫助降低臨界ISOT,影響MTJ 狀態(tài)切換.然而,由于實(shí)驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)的HEB數(shù)值非常小,無法實(shí)現(xiàn)ISOT的無限降低,為了成功完成切換,降低后仍需一個(gè)較大的臨界ISOT對(duì)應(yīng)一個(gè)大的克服垂直方向的有效磁場.

圖4 VCSOT-MTJ 磁化狀態(tài)隨時(shí)間的變化曲線Fig.4.Magnetization state over time of VCSOT-MTJ.

3.2 VCMA 效應(yīng)對(duì)垂直各向異性場的影響

由上述內(nèi)容可知,該SOT-MTJ 模型在足夠大電壓下能實(shí)現(xiàn)純SOT 翻轉(zhuǎn).然而,此翻轉(zhuǎn)方式會(huì)導(dǎo)致較長切換時(shí)間以及較高能量耗散.如圖4 所示,只有STT 效應(yīng)時(shí),MTJ 在V1=0.08 V 電壓不能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換,加入VCMA 效應(yīng)后則能夠完成磁化翻轉(zhuǎn),且翻轉(zhuǎn)時(shí)間隨V1端電壓增大而降低,說明VCMA 效應(yīng)能夠輔助MTJ 磁化翻轉(zhuǎn)過程,并降低翻轉(zhuǎn)時(shí)間.

VCMA 效應(yīng)能有效解決上述不完全無場開關(guān)問題.由于HEB受到可實(shí)現(xiàn)性的限制,MTJ 完成無場SOT 切換時(shí)仍需較大的ISOT,導(dǎo)致高開關(guān)能量耗散.圖5(a)為VCMA 效應(yīng)、EB 效應(yīng)與SOT效應(yīng)同時(shí)存在時(shí)磁化翻轉(zhuǎn)情況.結(jié)果表明,在無外場條件下,HEB能輔助MTJ 進(jìn)行磁化翻轉(zhuǎn),VCMA效應(yīng)能有效降低器件的垂直磁各項(xiàng)異性場.圖5(b)展示了部分HEB隨V1變化的臨界翻轉(zhuǎn)電流ISOT,發(fā)現(xiàn)在VCMA 效應(yīng)幫助下臨界ISOT發(fā)生下降,且該數(shù)值隨電壓增大顯著降低,與60 Oe 無VCMA 效應(yīng)下ISOT=91 μA 相比,在V1=0.8 V時(shí)達(dá)到ISOT=40 μA,能夠?qū)崿F(xiàn)完全無場開關(guān)切換.

圖5 (a) VCSOT-MTJ 在不同 HEB 下改變V1的臨界ISOT ;(b)截取部分臨界 ISOT 下降趨勢(shì)Fig.5.(a) Critical ISOT of VCSOT-MTJ under different HEB and V1;(b) intercepted part of the criticalISOT downward trend.

3.3 SOT 的類場項(xiàng)對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)的影響

圖6 (a) SOT 類場轉(zhuǎn)矩與類阻尼轉(zhuǎn)矩不同比值下mz 隨時(shí)間變化;(b)考慮SOT 類場轉(zhuǎn)矩的ps 級(jí)磁化翻轉(zhuǎn)Fig.6.(a) Time evolutions of magnetization mz with different damping-like torque and field-like toque;(b) consideration of SOT field-like torque for ps-level magnetization switching.

進(jìn)一步建立新參數(shù)下的仿真環(huán)境,第一階段仿真時(shí)長修改為0.1 ns,仿真總時(shí)長1.5 ns,第一階段V1=0.5V,V3=0.26V,剩余時(shí)間內(nèi)V1=-1V,V3保持不變,T2端始終接地.若不考慮模型的實(shí)際實(shí)現(xiàn),將參數(shù)中θSH或ξ2進(jìn) 行理論性增大,如圖6(b)所示,可得SOT 類場項(xiàng)能實(shí)現(xiàn)MTJ 實(shí)現(xiàn)ps 量級(jí)無場翻轉(zhuǎn),且翻轉(zhuǎn)速度隨θSH或ξ2的提高而加快.

3.4 工藝參數(shù)偏差對(duì)垂直各向異性場的影響

上述內(nèi)容分析了磁動(dòng)力學(xué)理論中影響MTJ 狀態(tài)切換的因素,考慮工藝偏差[31,32]對(duì)MTJ 性能影響以及應(yīng)用的重要性,如MTJ 氧化層與自由層制備過程中采用的磁控濺射技術(shù)[33],該方式能使薄膜快速沉積,且能多種材料混合濺射實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn).然而在薄膜制備過程中,二者厚度會(huì)不可避免地出現(xiàn)微小偏差,最終影響器件磁化翻轉(zhuǎn).垂直各向異性主要來源于自由層和氧化勢(shì)壘層間相互作用,所以該偏差會(huì)對(duì)HEFF(VMTJ) 產(chǎn)生影響,該課題組對(duì)MTJ 制備過程中薄膜生長工藝偏差對(duì)HVCMA與HPMA的影響[27]進(jìn)行相關(guān)研究,采用γtf和γtox表示自由層和氧化層厚度偏差,差值越大表示薄膜厚度與標(biāo)準(zhǔn)值差距越大.可分別表示為

其中toxm和tfm分別為考慮薄膜厚度偏差時(shí)氧化勢(shì)壘厚度以及自由層厚度的等效均值.修正后的可以表示為

基于上述問題,進(jìn)一步研究γtf和γtox對(duì) 于VCSOT-MTJ 狀態(tài)切換的影響,以AP 態(tài)切換至P 態(tài)為例.如圖7(a)所示,保持t1＜t ＜t2脈沖作用時(shí)間為1.8 ns,t2＜t ＜t3為0.4 ns 不變,研究輸入電壓與γtf對(duì)MTJ 翻轉(zhuǎn)影響.結(jié)果表明,VCMA效應(yīng)在一定閾值下輔助MTJ 狀態(tài)切換,且具有方向性;進(jìn)一步地,在保持V1=0.08 V,V3=0.1 V不變的條件下,當(dāng)γtf≤10% 時(shí),MTJ 能夠?qū)崿F(xiàn)從AP 態(tài)到P 態(tài)的切換;當(dāng)γtf≥11% 時(shí),MTJ 無法完成切換.由(18)式可知,這是由于隨著γtf的增大,垂直方向的有效磁場減小,導(dǎo)致偏向于x-y平面從而不利于磁化方向的有效翻轉(zhuǎn).圖7(b)給出了不同γtox對(duì)MTJ 磁化翻轉(zhuǎn)的影響,保持V1=0.08 V,V3=0.1 V 不變,當(dāng)γtox≤13% 時(shí),自由層磁化矢量能發(fā)生狀態(tài)切換;而當(dāng)γtox≥14%時(shí),MTJ 將無法實(shí)現(xiàn)磁化狀態(tài)的切換.

圖7 VCSOT-MTJ 狀態(tài)切換的影響因素 (a) V1,V3 和 γtf ;(b) V1,V3 和γtoxFig.7.Factors affecting on the state switching of VCSOTMTJ: (a) V1,V3 and γtf ;(b) V1,V3 and γtox.

在MTJ 的制備過程中通常還會(huì)運(yùn)用到精度高、參數(shù)可控性好離子刻蝕技術(shù)(IBE)[34],然而在刻蝕過程中也會(huì)不可避免地產(chǎn)生具有磁性的非揮發(fā)性刻蝕產(chǎn)物,導(dǎo)致其附著在側(cè)壁上形成再沉積層,由于該沉積層會(huì)干擾HVCMA,故需要考慮其對(duì)有效的垂直磁各向異性場產(chǎn)生的影響,此時(shí)表示為

式中,α為刻蝕工藝因子 (0 ≤α≤1),由刻蝕時(shí)間、溫度等因素決定;c為常數(shù)項(xiàng).

不同α下的MTJ 翻轉(zhuǎn)狀態(tài)如圖8 所示,當(dāng)0.8 ≤α≤1時(shí),MTJ 能實(shí)現(xiàn)磁化狀態(tài)切換;當(dāng)α≤0.7時(shí),器件無法成功完成磁化翻轉(zhuǎn).這是由于垂直磁各項(xiàng)異性場隨α減小而急速降低,導(dǎo)致器件的穩(wěn)定性也相應(yīng)降低,更傾向于受到外界因素的干擾.

圖8 刻蝕偏差對(duì)VCSOT-MTJ 磁化翻轉(zhuǎn)的影響Fig.8.Effect of etching deviation on the magnetization direction switching of VCSOT-MTJ.

4 結(jié)論

本文對(duì)基于AFM/FM/Oxide 結(jié)構(gòu)的SOTMTJ 器件工作原理及磁化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究,通過求解包含VCMA 效應(yīng)、SOT 效應(yīng)以及交換偏置的修正LLG 方程,對(duì)決定器件磁化翻轉(zhuǎn)的有效磁場構(gòu)成進(jìn)行分析.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮在應(yīng)用過程中影響VCSOT-MTJ 磁化翻轉(zhuǎn)和磁性能的因素,包括VCMA 效應(yīng)通過調(diào)節(jié)能量勢(shì)壘影響MTJ狀態(tài)切換,交換偏置場對(duì)ISOT的影響以及在VCMA效應(yīng)、SOT 效應(yīng)和EB 同時(shí)作用下能實(shí)現(xiàn)MTJ 完全無場開關(guān)切換,SOT 類場項(xiàng)能夠輔助器件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換,且在一定情況下可實(shí)現(xiàn)器件在ps 量級(jí)的無場磁化翻轉(zhuǎn),以及在考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)器件的工藝參數(shù)偏差和 刻蝕偏差對(duì)HVCMA和HPMA的影 響.本文對(duì)VCSOT-MTJ 模型及其磁化翻轉(zhuǎn)影響因素的分析對(duì)器件優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用及發(fā)展具有一定意義,也為新一代基于AFM 的存儲(chǔ)器(如EBMRAM)提供理論支撐和應(yīng)用分析,推動(dòng)其在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和超高速信息計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用.