Modeling spin-orbit torques in advanced magnetoresistive devices

Abstract

The continued scaling of conventional semiconductor devices increases standby power consumption, necessitating the development of more energy-efficient technologies. Non-volatile spin-orbit torque magnetoresistive random access memory (SOT-MRAM) addresses this by eliminating standby power while promising improved switching speeds, power consumption, and endurance. Its operation depends on utilizing current-induced spin-orbit torques (SOTs) to switch the magnetization of ferromagnetic (FM) layers. Switching simulations can provide valuable insight, which is essential for optimizing device performance and reducing research and development costs. This work focuses on developing advanced methods for modeling SOTs and the resulting magnetization dynamics.A spin and charge transport solver was extended to include the spin Hall effect and boundary conditions (BCs) for nonmagnetic (NM)/FM interfaces. AccurateSOT modeling requires the inclusion of interfacial spin-orbit coupling (SOC) effects. Hence, BCs based on a perturbative treatment of the Rashba SOC were developed, verified against experimental data, and applied to analyze the thickness dependence of SOTs in NM/FM bilayers and FM/NM/FM trilayers. The results show that thin NM layers offer practical advantages over conventionally thick layers due to enhanced interfacial effects. A non-perturbative treatment of interfacial SOC was also developed to capture the complex angular dependence of SOTs. The resulting BCs were validated against published results, showing good agreement and that the Rashba-Edelstein effect is primarily responsible for the pronounced angular dependence and Field-like SOT. A Landau-Lifschitz-Gilbert equation solver was extended to include the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and SOTs. The simulation framework was demonstrated for several SOT-induced switching mechanisms, including in-plane switching of an FM with shape anisotropy, and switching of an FM with perpendicular magnetic anisotropy assisted by either an external magnetic field or spin-transfer torque. The simulations reveal complex domain wall dynamics consistent with experimental observations. Finally, two advanced field-free switching concepts employing either built-in stray fields or trilayer SOTs were investigated, showing promising applications in SOT-MRAM.

Die fortlaufende Verkleinerung herkömmlicher Halbleiterbauelemente erhöht den Stromverbrauch im Standby-Modus, sodass die Entwicklung energieeffizienterer Technologien erforderlich ist. Der nichtflüchtige Spin-Orbit-Torque Magnetoresistive Random-Access Memory (SOT-MRAM) Speicher löst dieses Problem, indem er den Stromverbrauch im Standby-Modus eliminiert und gleichzeitig verbesserte Schaltgeschwindigkeiten, einen geringeren Stromverbrauch und eine höhere Lebensdauer verspricht. Seine Funktionsweise basiert auf der Nutzung von strominduzierten Spin-Bahn-Drehmomenten (SBDs) zum Schalten der Magnetisierung von ferromagnetischen (FM) Schichten. Schalt-Simulationen können wertvolle Erkenntnisse liefern, die für die Optimierung der Geräteleistung und die Senkung der Forschungs- und Entwicklungskosten unerlässlich sind. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Methoden zur Modellierung von SBDs und der daraus resultierenden Magnetisierungsdynamik. Ein Spin- und Ladungstransport-Löscher wurde erweitert, um den Spin-Hall-Effekt und Randbedingungen (RBs) für nichtmagnetische (NM)/FM-Grenzflächen einzubeziehen. Eine genaue SBD-Modellierung erfordert die Einbeziehung von Spin-Bahn-Kopplungseffekten (SBKs) an Grenzflächen. Daher wurden RBs auf der Grundlage einer perturbativen Behandlung des Rashba-SBK entwickelt, anhand von experimentellen Daten verifiziert und zur Analyse der Dickenabhängigkeit von SBDs in NM/FM-Doppelschichten und FM/NM/FM-Dreifachschichten angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass dünne NM-Schichten aufgrund verbesserter Grenzflächen-Effekte praktische Vorteile gegenüber herkömmlichen dicken Schichten bieten. Es wurde auch eine nichtperturbative Behandlung der Grenzflächen-SB entwickelt, um die komplexe Winkelabhängigkeit von SBDs zu erfassen. Die resultierenden RBs wurden anhand veröffentlichter Ergebnisse validiert und zeigen eine gute Übereinstimmung. Sie zeigten auch, dass der Rashba-Edelstein-Effekt in erster Linie für die ausgeprägte Winkelabhängigkeit und das feldähnliche SBD verantwortlich ist. Ein Landau-Lifschitz-Gilbert-Gleichungslöser wurde um die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung und SBDs erweitert. Der Simulationsrahmen wurde für mehrere SBD-induzierte Schaltmechanismen demonstriert, darunter das In-Plan-Schalten eines FM mit Form-Anisotropie und das Schalten eines FM mit senkrechter magnetischer Anisotropie, unterstützt entweder durch ein externes Magnetfeld oder durch Spin-Transfer-Drehmoment. Die Simulationen zeigen eine komplexe Domänenwanddynamik, die mit experimentellen Beobachtungen überein-stimmt. Schließlich wurden zwei fortschrittliche feldfreie Schaltkonzepte untersucht, die entweder integrierte Streufelder oder dreischichtige SBDs verwenden und vielversprechende Anwendungen in SOT-MRAM zeigen.