Magnetisation Dynamic in Magnetic Tunnel Junctions (MTJs) Structure

Abstract

The spin-transfer torque magnetorestive access memory (STT-MRAM) is a novel random access memory (RAM) with high operating speed, low power consumption and high scalability. In this work, we theoretically investigate the magnetic properties of CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions (MTJs) which are the main component of STT-MRAM by atomistic model. We focus on a calculation of effective damping constant in CoFeB/MgO system using stomistic spin dynamic model as it is main factor relating to operating speed of STT-MRAM. Firstly, we investigate the temperature and thickness dependence of the effective damping constant considering a high damping constant at the interface layer and a low damping constant for the bulklike layers due to large interfacial spin-orbit coupling of the film and then the magnetisation dynamics is obtained by integrating the Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. We find a strong dependence of the effective damping with the film thickness, in quantitative agreement with experimental data. Interestingly, the temperature produces a different effect: a statistical fluctuation of the Gilbert damping parameter and the temperature dependence of the effective damping arising from thermal-spin fluctuations up to temperatures of 400 K is weak. This statistical variation of the Gilbert damping is an intrinsic effect and is important for spintronic devices operating at gigahertz frequencies, where the dynamic response must be carefully controlled.

The calculated damping constant is subsequently used to study the diameter and temperature dependence of magnetisation switching in CoFeB/MgO/CoFeB structures via the atomistic model including the effect of spin transfer torque. From the results, the incoherent switching process is observed for MTJ with large diameters. In adiition, it is found that the finite size and temperature reduces the total switching time of magnetization. For the investigation of MTJ structures with diameter of 30 nm, the switching time of magnetisation driven by spin tranfer torque is approximately 1 ns at 300 K which is consistent with the experimental study of Diasuke et. al. The results show that the atomistic model coupled with spin transport model is applicable to describe the dynamic of magnetisation leading to a better understanding of the magnetisation reversal process of MTJ structure. With this approach, the appropriate design of high performance STT-MRAM can be achieved.

หน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มเชิงแม่เหล็กด้วยการส่งผ่านแรงบิดของสปิน (STT-MRAM) เป็นหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่ม (RAM) ชนิดใหม่ที่มีความเร็วในการส่งผ่านข้อมูลสูง ใช้พลังงานต่ำและมีความจุในการบันทึกข้อมูลที่สูง งานวิจัยนี้ได้ศึกษาคุณสมบัติเชิงแม่เหล็กในเชิงทฤษฎีของโครงสร้างรอยต่อการทะลุผ่าน (CoFeB/MgO/CoFeB) ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของ STT-MRAM ด้วยแบบจำลองในระดับอะตอม โดยมุ่งเน้นการคำนวณค่าคงที่ความหน่วงประสิทธิผลของโครงสร้าง CoFeB/MgO ด้วยแบบจำลองพลวัตของสปินในระดับอะตอม ซึ่งความเร็วในการทำงานของหน่วยความจำ STT-MRAM สัมพันธ์กับค่าความหน่วงประสิทธิผลของวัสดุที่นำมาเลือกใช้ในโครงสร้างรอยต่อการทะลุผ่าน ในลำดับแรก ได้ทำการศึกษาผลของอุณหภูมิและความหนาของฟิล์มที่ส่งผลต่อค่าคงที่ความหน่วงประสิทธิผล โดยในแบบจำลองได้กำหนดให้บริเวณรอยต่อมีค่าความหน่วงที่สูง เนื่องจากการเกี่ยวโยงของสปินกับวงโคจรบริเวณรอยต่อที่มีค่าสูง และกำหนดให้ค่าคงที่ความหน่วงมีค่าต่ำในชั้นเบ้าค์ของฟิล์ม จากนั้นทำการคำนวณค่าคงที่ความหน่วงประสิทธิผลจากพลวัตของแมกนีไทเซชันของชั้นฟิล์มที่พิจารณาด้วยสมการแลนดาว ลิฟชิตซ์ กิลเปิร์ต (LLG) จากการคำนวณพบว่า ค่าคงที่ความหน่วงประสิทธิผลมีค่าขึ้นอยู่กับความหนาของฟิล์มซึ่งผลดังกล่าวสอดคล้องเป็นอย่างดีกับข้อมูลในเชิงการทดลอง และพบว่าอุณหภูมิทำให้เกิดการกวัดแกว่งทางความร้อนส่งผลต่อค่าคงที่ความหน่วงประสิทธิผลในเชิงสถิติที่แตกแต่งกัน และที่อุณหภูมิ 400 K การกวัดแกว่งทางความร้อนของสปินส่งผลต่อค่าคงที่ความหน่วงประสิทธิผลน้อยมาก การเปลี่ยนแปลงเชิงสถิติของค่าคงที่ความหน่วงของกิลเบิร์ตเป็นผลของคุณสมบัติภายในและเป็นสิ่งสำคัญในการทำงานของอุปกรณ์สปินทรอนิกส์ที่ทำงานในย่านความถี่ในระดับกิกะเฮิร์ตซ์ ซึ่งทำให้การตอบสนองเชิงพลวัตจะต้องทำการควบคุมอย่างระมัดระวัง

ค่าคงที่ความหน่วงที่คำนวณได้จะถูกนำมาใช้ในการศึกษาผลของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง และอุณหภูมิที่มีต่อการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันในโครงสร้าง CoFeB/MgO/CoFeB ด้วยแบบจำลองระดับอะตอมที่พิจารณาการส่งผ่านแรงบิดของสปิน จากการศึกษาพบว่าเมื่อเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของโครงสร้าง MTJ จะทำให้เกิดการกลับทิศทางแบบไม่พร้อมเพรียงกันของแมกนีไทเซชันและช่วยลดเวลาในการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันด้วย นอกจากนี้ยังพบว่าอุณหภูมิมีผลต่อการลดลงของเวลาที่ใช้ในการกลับทิศทาง โดยพบว่าโครงสร้าง MTJ ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 30 nm ใช้เวลาในการกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันด้วยการส่งผ่านแรงบิดของสปินประมาณ 1 ns ที่อุณหภูมิ 300 K ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดลองของไดซุเกะและคณะ จากการศึกษาในงานวิจัยนี้พบว่า การใช้แบบจำลองสปินในระดับอะตอมร่วมกับแบบจำลองการส่งผ่านสปินสามารถใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติและกลไกทางพลวัตของแมกนีไทเซชันในโครงสร้าง MTJ ได้มากขึ้น ซึ่งสามารถนำไปออกแบบ STT-MRAM ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้