Highly thermally stable sub-20nm magnetic random-access memory based on perpendicular shape anisotropy
提出了一种增加垂直STT-MRAM的缩小尺寸可缩放性的新方法。其在于与常规pMTJ相比显著增加面外磁化隧道结（pMTJ）中的存储层的厚度，以便在该层中引起垂直形状各向异性（PSA）。该PSA通过在基于MgO/FeCoB的磁性隧道结（MTJ）的顶部上沉积厚铁磁（FM）层以使得存储层的厚度变为MTJ柱的直径的量级或大于MTJ柱的直径来获得。与常规自旋转移矩磁性随机存取存储器（STT-MRAM）（其中去磁能量与界面垂直磁各向异性（iPMA）相反）相比，在这些新颖存储器单元中，PSA和iPMA贡献两者都有利于存储层磁化的面外取向。在这些PSA-STT-MRAM中使用较厚的存储层具有若干优点。得益于PSA，可以实现非常高且易于调节的热稳定性因子，甚至可以达到低于10 nm的直径。此外，低阻尼材料可用于厚FM材料，从而导致写入电流的减小。本文描述了这种新的PSA-STT-MRAM概念，这种存储器阵列的实际实现，磁特性表明，对于直径小至8 nm的MTJ，热稳定性因子高于200，并且在直径小至4 nm的情况下，保持热稳定性因子高于60的可能性。
2018-03-07 cond-mat.mtrl-sci
Ultrathin perpendicular free layers for lowering the switching current in STT-MRAM
在自旋转移矩磁性随机存取存储器（STT-MRAM）单元中切换自由层（FL）的磁化所需的临界电流密度$J_{c0}$与阻尼参数、饱和磁化和自由层的厚度$αM_S t_F$的乘积成比例。传统的FL具有CoFeB/半导体间隔物/CoFeB的结构。通过减小间隔物厚度，在我们的情况下为W，并且还将单个W层分成两层亚单层厚度，我们已经减小了$t_F$，同时使$α$最小化并且使$M_S$最大化，最终导致较低的$J_{c0}$，同时保持高热稳定性。制造了器件直径在55-130 nm范围内的底部钉扎MRAM单元，对于最薄（1.2 nm）的FL，$J_{c0}$最低，对于65 nm器件，$^2$低至4 MA/cm，$\sim$比1.7 nm FL低$\sim$ 30%。的热稳定性因子$Δ_{\mathrm{dw}}$，高达150的最小的设备尺寸，确定使用畴壁反转模型从场切换概率测量。具有高$Δ_{\mathrm{dw}}$和最低$J_{c0}$时，最薄的FL具有最高的自旋转移扭矩效率。
2020-08-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Origin of interfacial perpendicular magnetic anisotropy in MgO/CoFe/metallic capping layer structures
自旋转移矩磁性随机存储器（STT-MRAM）以其非易失性、高密度、低功耗等优点受到广泛关注。STT-MRAM的核心器件是CoFeB/MgO基磁性隧道结（MTJ），它具有很高的隧道磁阻比和很大的垂直磁各向异性（PMA）。实验证明，在CoFeB层上涂覆覆盖层对于获得强PMA是必不可少的。然而，这种效应的物理机制尚不清楚。在本文中，我们调查的起源PMA在MgO/CoFe/金属盖层结构使用第一性原理计算方案。不同封端材料的PMA变化趋势与实验结果吻合较好。我们发现，界面PMA在三层结构中来自MgO/CoFe和CoFe/覆盖层界面，这可以单独分析。此外，通过对层和轨道的磁各向异性能的分解，分析了CoFe/覆盖层界面中的永磁体。不同封端材料的PMA的变化归因于d和p轨道通过自旋轨道耦合的不同杂化。该工作对纳米STT-MRAM的研究和开发具有重要意义。
2017-02-28 cond-mat.mtrl-sci
Material developments and domain wall based nanosecond-scale switching process in perpendicularly magnetized STT-MRAM cells
我们调查吉尔伯特阻尼和垂直磁化的FeCoB基自由层嵌入隧道结足够的自旋力矩操作的存储器的磁化开关。研究了MgO / FeCoB /Ta系合金中硼含量对晶化退火后Gilbert阻尼的影响。将硼含量从20%增加到30%提高了结晶温度，从而推迟了自由层内元素扩散的开始。Ta原子的相互扩散的这种减少有助于将吉尔伯特阻尼保持在0.009的低水平，而对各向异性和磁输运性质没有任何损失，直到CMOS后端工艺中所需的400 $^\circ$ C退火。此外，我们表明，组成MgO/FeCoB/Ta/FeCoB/MgO的双MgO自由层具有比它们的MgO/FeCoB/Ta对应物低得多的阻尼，对于3 μ m厚的钽间隔物，达到低至0.0039的阻尼参数。这证实了阻尼的主要通道是FeCoB合金内Ta杂质的存在。在优化的隧道结上，我们研究了自旋转移矩引起的开关事件的持续时间。我们专注于在最佳的应用领域条件下的亚阈值热激活开关。从开关的电气签名，我们推断，一旦成核已经发生，反转进行的畴壁扫过的设备在几个10米/秒。设备越小，切换速度越快。我们提出了一个分析模型来解释我们的研究结果。对于比壁宽大得多的器件，畴壁速度与电流成线性比例。壁速度取决于布洛赫畴壁宽度，使得具有最低交换刚度的器件将是具有最慢迁移率的畴壁的器件。
2017-09-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Reduction of current for magnetization switching in a nanomagnet with perpendicular anisotropy by spin-splitter torque
该研究通过宏自旋模型分析SST驱动的垂直各向异性纳米磁体翻转，表明优化极角和电流脉冲可大幅降低阈值电流与错误率，为低功耗SST-MRAM提供依据。
2025-03-16 cond-mat.mtrl-sci
Cooperative STT and SOT switching in perpendicular magnetic tunnel junctions: Role of the pulse-end magnetization state
Nanjing University（南京大学）；Nanjing University of Posts and Telecommunications（南京邮电大学）
本文针对SOT-MRAM传统开关易反向的问题，提出协同STT与SOT的无外场开关方案，通过模拟与解析模型揭示脉冲末端磁化状态是开关速度与可靠性的决定性因素。
2026-10-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultra-fast perpendicular Spin Orbit Torque MRAM
我们展示了一个三端垂直Ta/FeCoB/MgO/FeCoB磁性隧道结的超快（低至400 ps）双极磁化开关。临界电流密度随着电流脉冲缩短到10 ns以下而显著上升，这转化为ns范围内的写入能量的最小值。我们的研究结果表明，SOT-MRAM允许快速和低功耗的写操作，这使得它有前途的非易失性高速缓存存储器应用。
2018-03-05 cond-mat.mtrl-sci
Micromagnetic study of electrical-field-assisted magnetization switching in MTJ devices
MgO基磁性隧道结是自旋转移矩（STT）磁阻存储器的最佳候选材料。然而，到目前为止，仅有的STT不足以实现低于106 A/cm 2的开关电流密度。最近的一项工作[王等人，自然之母，vol.11，pp 64-68，Jan.2012]已经实验性地证明了在超低电流密度下执行由电场辅助的磁化切换的可能性。从理论上讲，这种开关已被研究，只使用一个macrospin的方法。在这里，我们展示了一个完整的微磁学研究。我们发现，开关发生通过一个复杂的成核过程，包括磁涡旋的成核。
2015-03-12 cond-mat.mtrl-sci
Spin-orbit-torque MRAM: from uniaxial to unidirectional switching
自旋-轨道力矩具有超快写入能力和高可靠性，被认为是制备下一代磁性随机存取存储器的一种很有前途的选择。然而，当缩小小区大小时，三终端设置可能具有挑战性。特别地，热稳定性是重要的问题。在这里，我们证明了电流脉冲引起的垂直交换偏置可以显着减轻热稳定性的关注。交换偏置方向的切换是由自旋-轨道力矩引起的，当电流脉冲通过插入IrMn反铁磁层的Pt/Co系统时。通过控制电流脉冲诱导的交换偏置，实现了单向各向异性态之间的零场自旋-轨道-矩切换，并有效抑制了磁矩的热扰动.自旋-轨道矩机制提供了一种创新的方法来产生和控制的交换偏置的电气手段，这使我们能够实现新的开关机制的高度稳定的垂直存储单元。
2017-06-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Unveiling temperature dependence mechanisms of perpendicular magnetic anisotropy at Fe/MgO interfaces
磁性过渡金属/氧化物界面处的垂直磁各向异性（PMA）是构建用于自旋转移矩磁性随机存取存储器（STT-MRAM）的面外磁化磁性隧道结的关键要素。尺寸缩小使得磁性对热效应更敏感。因此，理解磁各向异性的温度依赖性是至关重要的。在这项工作中，我们从理论上解决了PMA的温度依赖性和典型的Fe/MgO基结构的磁化强度之间的相关性。特别是，背后的实验报告偏离Callen和Callen缩放幂律的可能机制进行了分析。在理想界面处，第一性原理计算揭示了（i）与一阶相比小的高阶各向异性常数和（ii）增强的交换常数。考虑到这两个内在的原子模拟的影响，总的和层分辨各向异性的温度依赖性被发现遵循Callen和Callen标度幂律，从而排除了内在的微观机制偏离这一法律。此外，两种可能的外在宏观机制，即死层的影响，往往存在于存储层的STT-MRAM单元，和界面磁各向异性的空间不均匀性。关于第一种机制，我们表明，死层的存在往往会降低标度指数。在第二种机制中，增加界面PMA中的不均匀性的百分比被揭示为降低标度指数。这些结果使我们能够解释的标度指数的差异有关的各向异性和磁化热变化在早期的实验报告。这对于理解STT-MRAM应用中存储层磁化的热稳定性是至关重要的。
2022-05-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Exploring the Role of Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction in Write Error Rate Anomalies of Spin-Transfer Torque Magnetic Tunnel Junctions
Virginia Commonwealth University（弗吉尼亚联邦大学）
本研究通过微磁模拟探究界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）在STT-MRAM写错误率（WER）异常中的作用，发现DMI会促进非相干反转、延长开关时间并产生中间多畴态，导致类气球效应，指出界面工程可提升器件可靠性。
2025-11-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Single-shot dynamics of spin-orbit torque and spin transfer torque switching in three-terminal magnetic tunnel junctions
电流感生自旋转移力矩（STT）和自旋轨道力矩（SOT）使得非易失性磁性随机存取存储器中的磁性隧道结（MTJ）能够电切换。为了开发更快的存储器器件，需要改进电流驱动磁化动态下的时间尺度。在这里，我们报告的全电时间分辨测量由SOT驱动的三端MTJ器件的磁化反转。电流注入过程中的MTJ电阻的单次测量显示，SOT开关涉及一个随机的两步过程，包括域成核时间和传播时间，这具有不同的成因，时间尺度，和统计分布相比，STT开关。我们进一步表明，SOT，STT，和电压控制的磁各向异性（VCMA）的组合导致可再现的子ns开关的累积开关时间小于0.2 ns的扩展。我们的测量揭示了SOT，STT和VCMA在确定MTJ器件的开关速度和效率方面的综合影响。
2020-11-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Resonant Acoustic Wave Assisted Spin-Transfer-Torque Switching of Nanomagnets
我们报告的可能性，实现一个数量级的减少能量耗散需要写位在垂直磁隧道结（p-MTJ）通过模拟的磁化动力学下的组合的共振表面声波（r-SAW）和自旋转移矩（STT）。在考虑热噪声的情况下，采用Landau-Lifshitz-Gilbert方程，在宏观自旋假设下，模拟了系统的磁化动力学.磁致伸缩纳米磁体中的共振磁化动力学建立在SAW应用的几十个循环上，其驱动磁化以从垂直方向偏转约45度的锥形旋进。这降低了切换磁化方向所需的STT电流密度，而不会增加STT应用时间或降低在存在室温热噪声的情况下的切换概率。这可以导致实现自旋转移矩随机存取存储器（STTRAM）的能量有效切换的途径，其横向尺寸可以通过采用共振激发而被积极地缩放，尽管使用具有低磁致伸缩的材料。
2019-07-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Acoustic Wave Induced FMR Assisted Spin-Torque Switching of Perpendicular MTJs with Anisotropy Variation
我们已经研究了表面声波（SAW）诱导的铁磁共振（FMR）辅助自旋转移力矩（STT）开关的垂直MTJ（p-MTJ）的非均匀性使用微磁模拟，包括热噪声的影响。在适当的频率激励下，声表面波能在磁致伸缩材料中诱发铁磁共振，使磁化强度沿垂直于磁致伸缩材料方向的大偏转圆锥进动。随着通过横向各向异性变化以及室温热噪声的不均匀性的并入，在不同增益下的磁化旋进可以是显著不相干的。有趣的是，不同晶粒中的进动被发现是同相的，即使进动幅度（从垂直方向的偏转角）在不同各向异性的晶粒之间变化。然而，高平均偏转角可以通过显著降低STT电流来补充STT切换;即使施加的应力引起的各向异性变化远低于总各向异性势垒。这项工作表明，SAW辅助开关可以提高能量效率，同时可扩展到非常小的尺寸，这对STT-RAM具有重要的技术意义，并阐明了这种范例在具有热噪声和材料不均匀性的现实场景中的潜在鲁棒性的物理机制
2020-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Harnessing Orbital Hall Effect in Spin-Orbit Torque MRAM
该研究在Ru、Nb、Cr等OHE层上构建PMA [Co/Ni]₃叠层，实验证明Ru可显著提升阻尼类扭矩效率并降低翻转电流与功率。
2024-04-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
MFM and FORC+ study of switching mechanism in Co$_{25}$Pd$_{75}$ films
最近对具有垂直磁各向异性（PMA）的CoPd合金的研究表明，它们可以用作CoFeB/MgO基垂直磁性隧道结（pMTJ）中的钉扎层，用于各种自旋电子学应用，例如自旋扭矩转移随机存取存储器（STT-RAM）。我们先前已经研究了种子层和成分对这些CoPd薄膜的结构（通过XRD，SEM，AFM和TEM）和性能（结晶度）的影响。这些薄膜不相干切换，因此双折射率是由切换机制的细节决定的，这在我们以前的论文中没有研究。在本论文中，我们表明，信息可以从磁力显微镜（MFM）与一阶反转曲线（FORC）的开关机制，尽管事实上，MFM只能在零场使用。我们发现这些薄膜通过畴形核和枝晶生长的机制转变成一种网状结构，之后未反转的畴逐渐收缩成小点，然后消失。
2019-03-11 cond-mat.mtrl-sci
