基于垂直非局域开关的 Ta/W 结构磁性隧道结中的轨道与自旋轨道扭力相互作用

自旋轨道扭力 (SOT) 使磁性隧道结实现超快速、低能耗的磁化切换，使其成为引入用于缓存存储器的 MRAM 的有前景的机制。然而，当前的 SOT-MRAM 器件面临写入效率限制，电荷到自旋转换率 ($\xi_{DL}$) 仅达到约 45%，远低于预期约 80% 的需求，以适应先进晶体管节点的交付。近期的轨道电流物理学进展，所见于广泛材料类，为提高 $\xi_{DL}$ 提供了路径。本文研究 Ta(3-30 nm)\/\/ W(1-4 nm) 系统，发现 Ta 带来额外的大型自旋轨道扭力贡献，约为 Ta 本身由自旋轨道效应产生的四倍，归因于轨道轭 contribution。该系统比 W 基 SOT 系统具有更大的 $\xi_{DL}$，后者具有更稳健的垂直磁各向异性并兼容 400$^\circ$C 烘结。凭借这些优势，我们将 Ta/W 系统集成到 3 端 SOT-MTJ 器件中，显示出类似于 W 基系统的性能水平。我们的结果表明，轨道物理学可以轻松集成到 SOT-MTJ 系统中，为提高 SOT-MRAM 效率提供了可行策略。此外，我们提出并演示了一个针对垂直非局域 SOT-MTJ 开关的轨道扭力的概念验证，简化了基于底部固定的 SOT-MRAM 制造工艺。