電圧制御交換カップリングを介した垂直磁気トンネル接合部の双極電界スイッチング

双極電界を使用して使用された垂直磁気トンネルジャンクション（P-MTJ）は、エネルギー効率の高いメモリおよびロジックデバイスに広範なアプリケーションを持っています。電圧制御された磁気異方性は、電界効果を介して強磁性層のエネルギー障壁を直線的に低下させ、ユニポーラ挙動でのみP-MTJを効率的に切り替えます。ここでは、電圧制御交換カップリング（VCEC）を介した合成反強磁性遊離層を備えた100 nm P-MTJの双極電界効果スイッチングを示します。スイッチング電流密度、〜1.1×105 A/cm2は、最も報告されたスピン転移トルクデバイスのそれよりも1桁低いです。理論的結果は、電界が合成反強磁性遊離層の強磁性アンチフェロ磁性交換カップリング遷移を誘導し、P-MTJの双方向磁化の切り替えを引き起こすフィールドのような層間交換カップリングトルクを生成することを示唆しています。これらの結果は、埋め込まれたアプリケーションを超えてスピンメモリデバイスの開発における主要な障害を排除する可能性があります。

Perpendicular magnetic tunnel junctions (p-MTJs) switched utilizing bipolar electric fields have extensive applications in energy-efficient memory and logic devices. Voltage-controlled magnetic anisotropy linearly lowers the energy barrier of the ferromagnetic layer via the electric field effect and efficiently switches p-MTJs only with a unipolar behavior. Here, we demonstrate a bipolar electric field effect switching of 100 nm p-MTJs with a synthetic antiferromagnetic free layer through voltage-controlled exchange coupling (VCEC). The switching current density, ∼1.1 × 105 A/cm2, is 1 order of magnitude lower than that of the best-reported spin-transfer torque devices. Theoretical results suggest that the electric field induces a ferromagnetic-antiferromagnetic exchange coupling transition of the synthetic antiferromagnetic free layer and generates a fieldlike interlayer exchange coupling torque, which causes the bidirectional magnetization switching of p-MTJs. These results could eliminate the major obstacle in the development of spin memory devices beyond their embedded applications.