Improve the understanding of the mechanism of spin-orbit torque induced magnetization reversal and construct the material and device technologies based on it

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K13796
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 張 超亮 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (80807678)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: スピン軌道トルク

Outline of Annual Research Achievements

スピン軌道トルク(SOT)とスピン移行トルク(STT)の結合による磁化反転の実証と反転機構の理解:
近年、磁気トンネル接合(MTJ)の面直電流で誘起されたスピン移行トルク(STT)を用いてSOT磁化反転をアシストする新しい方法 (SOT&STT 磁化反転) が提案され、計算からこの新しい磁化反転方法を用いた三端子SOT&STT-MTJは通常のMTJ素子より、消費電力を大幅に低減できることが指摘されている。しかし、今まで実験では実証されていない。加えて「SOTとSTTを併用する場合、磁化反転はどのように誘起されるか」という学術的「問い」の答えも不明確である。本研究は、SOT&STT-MTJ素子を試作し、SOTとSTTの大きさと相対角度をMTJや重金属チャンネルの膜構成で変調し、磁化反転動作と反転電流の依存性を系統的に調べた。そして、世界初で200 psまでの高速領域で、STTとSOTの結合による無磁場磁化反転を実証できた。その結果をシミュレーションと比較し、STTとSOTの効果の理解を深め、デバイス構造設計の指針を明らかにした。
以上の成果は一流論文誌(Applied Physics Letters)に発表し、それの重要性によってEditor’s pick に選ばれた。

Research Products

• [Journal Article] Field-free and sub-ns magnetization switching of magnetic tunnel junctions by combining spin-transfer torque and spin?orbit torque (2021)
  • Author(s): Zhang Chaoliang、Takeuchi Yutaro、Fukami Shunsuke、Ohno Hideo
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 118 Pages: 092406～092406
  • DOI: 10.1063/5.0039061
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dual-Port SOT-MRAM Achieving 90-MHz Read and 60-MHz Write Operations Under Field-Assistance-Free Condition (2020)
  • Author(s): Natsui Masanori、Tamakoshi Akira、Honjo Hiroaki、Watanabe Toshinari、Nasuno Takashi、Zhang Chaoliang、Tanigawa Takaho、Inoue Hirofumi、Niwa Masaaki、Yoshiduka Toru、Noguchi Yasuo、Yasuhira Mitsuo、Ma Yitao、Shen Hui、Fukami Shunsuke、Sato Hideo、Ikeda Shoji、Ohno Hideo、Endoh Tetsuo、Hanyu Takahiro
  • Journal Title: IEEE Journal of Solid-State Circuits Volume: 56 Pages: 1116～1128
  • DOI: 10.1109/JSSC.2020.3039800
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dual-Port Field-Free SOT-MRAM Achieving 90-MHz Read and 60-MHz Write Operations under 55-nm CMOS Technology and 1.2-V Supply Voltage (2020)
  • Author(s): Natsui M.、Tamakoshi A.、Honjo H.、Watanabe T.、Nasuno T.、Zhang C.、Tanigawa T.、Inoue H.、Niwa M.、Yoshiduka T.、Noguchi Y.、Yasuhira M.、Ma Y.、Shen H.、Fukami S.、Sato H.、Ikeda S.、Ohno H.、Endoh T.、Hanyu T.
  • Journal Title: 2020 IEEE Symposium on VLSI Circuits Volume: 1 Pages: 1～2
  • DOI: 10.1109/VLSICircuits18222.2020.9162774
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Dual-Port Field-Free SOT-MRAM Achieving 90-MHz Read and 60-MHz Write Operations under 55-nm CMOS Technology and 1.2-V Supply Voltage (2020)
  • Author(s): M. Natsui,A. Tamakoshi,H. Honjo,T. Watanabe,T. Nasuno,C. Zhang,T. Tanigawa,H. Inoue,M. Niwa,T. Yoshiduka,Y. Noguchi,M. Yasuhira,Y. Ma,H. Shen,S. Fukami,H. Sato,S. Ikeda,H. Ohno,T. Endoh,T. Hanyu
  • Organizer: Symposia on VLSI Technology and Circuits
  • Int'l Joint Research