用于高密度低功耗嵌入式应用的电压栅极辅助自旋轨道转矩磁随机存取存储器
介观与纳米尺度物理
2021-06-11 v1
摘要
电压栅极辅助自旋轨道转矩(VGSOT)写入方案结合了电压控制磁各向异性(VCMA)与自旋轨道转矩(SOT)效应的优势，为磁随机存取存储器(MRAM)应用带来多重益处。本工作中，我们完整描述了垂直磁隧道结(pMTJ)器件上的VGSOT写入特性，并提出了其电学表征的详细方法。利用短至400ps的电脉冲研究了栅极辅助对SOT翻转特性的影响。由电流翻转方案提取的VCMA系数(ξ)与由磁场翻转方法所得相同，对于80nm至150nm器件其量级为15fJ/Vm。此外，正如纯电子VCMA效应所预期的那样，ξ被发现与写入速度和栅极长度无关。我们观察到SOT翻转电流特性随栅电压(V_g)线性改变，与磁特性的变化类似。我们将此线性行为解释为VCMA引起的垂直磁各向异性(PMA)与成核能的直接调制。在V_g = 1V时，SOT写入电流降低25%，对应于本研究所用80nm器件在400ps速度下总能量降低45%至30fJ/bit。进一步，我们提出了器件微缩准则，并揭示VGSOT方案极具价值，因其可缓解实现微缩MTJ所需的高SOT与VCMA参数的复杂材料要求。最后，VGSOT-MRAM可实现接近二端几何结构的高密度阵列，具备高速性能与低功耗操作，在先进工艺节点下对嵌入式存储器及存内计算应用展现出巨大潜力。
引用
@article{arxiv.2104.09599,
title = {Voltage-Gate Assisted Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory for High-Density and Low-Power Embedded Application},
author = {Y. C. Wu and K. Garello and W. Kim and M. Gupta and M. Perumkunnil and V. Kateel and S. Couet and R. Carpenter and S. Rao and S. Van Beek and K. K. Vudya Sethu and F. Yasin and D. Crotti and G. S. Kar},
journal= {arXiv preprint arXiv:2104.09599},
year = {2021}
}