磁耦合双自由层MTJ中磁开关机制与热稳定性协同优化研究

《Advanced Electronic Materials》：Analysis of Magnetic Switching in Magnetically Coupled Dual Free Layers Within Magnetic Tunnel Junctions (MTJ) for STT MRAM

本文综述了磁隧道结(MTJ)中磁耦合双自由层(FL1和FL2)的自旋转移矩(STT)磁开关动力学。研究通过调控层间磁耦合能(Jcpl)，系统分析了四种磁开关相态（Phase 1-4），发现适度Jcpl可实现写入电流(Iw)降低50%且热稳定性因子(Δ)超过128的关键突破。该工作为同时实现低功耗和高数据保留的STT-MRAM设计提供了理论路径。

　　

引言

传统计算架构中静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(DRAM)的待机能耗已成为关键挑战。基于自旋电子学的磁随机存取存储器(MRAM)利用电子自旋的检测与操控，以其零待机能耗特性被视为未来高性能、高能效计算系统的理想存储方案。磁隧道结(MTJ)作为MRAM的核心器件，采用铁磁层/绝缘层(隧道势垒层，通常为~1 nm厚MgO)/铁磁层的三明治结构。基于量子力学隧道效应，当两层铁磁体磁化方向平行与反平行时，MTJ分别呈现低电阻与高电阻状态，对应二进制信息“0”和“1”。信息写入可通过多种机制实现，包括磁场诱导(翻转MRAM)、自旋转移矩(STT)、自旋轨道矩(SOT)、电压控制磁各向异性(VCMA)及其混合方法。其中，具有垂直磁各向异性(PMA)的STT-MTJ已实现亚20 nm尺寸的微缩，是目前最具大规模应用潜力的下一代存储技术。

实现低写入电流(I_w)和高热稳定性(Δ)是STT-MRAM大规模集成的关键。长数据保留需高Δ，要求自由层(FL)具有大的PMA，但PMA增大会降低自旋流振幅(h_s)，削弱自旋转移矩，导致写入电流升高，增加超薄MgO隧道势垒介电击穿风险。因此，降低I_w同时保持高Δ是STT-MRAM规模应用的主要瓶颈。

方法

研究针对由两个铁磁层(FL1和FL2)组成的双自由层MTJ，其中FL1的有效垂直磁各向异性(PMA1)小于FL2(PMA2)。两层间存在磁耦合，包括静磁耦合(J_stat)和层间交换耦合(J_ex)，总耦合能J_cpl= J_stat+ J_ex。对应耦合场H_cpl= J_cpl/(M t₀)。通过求解包含各向异性扭矩(Γ_k)、自旋扭矩(Γ_spin)和阻尼扭矩的Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程，分析磁化反转动力学。有效PMA场定义为H_keff1= 2K_eff1/M, H_keff2= 2K_eff2/M。计算基于 blanket 薄膜的PMA值(PMA* = PMA1 + PMA2)为0.6, 0.8, 1.0 mJ/m2，PMA1/PMA*比率设为20%，饱和磁化强度M=1.2 T，厚度t₀=2.0 nm，器件直径D=30 nm。

磁开关相图与临界电流

研究揭示了随J_cpl和I_w变化的四种磁开关相态：

Phase 1：仅FL1发生反转，FL2保持不动，出现在弱耦合条件下(J_cpl较小)。

Phase 2：FL1先反转，随后FL2反转，出现在弱至中等耦合条件下。

Phase 3：FL1和FL2同时但非相干地反转。

Phase 4：FL1和FL2相干地作为一个整体反转，出现在强耦合条件下(J_cpl较大)。

临界写入电流I_crt随J_cpl变化显著。当J_cpl较强时，Phase 4占主导，I_crt达到最大值(I_{crt_max})。当J_cpl适度时，Phase 2出现，I_crt达到最小值(I_{crt_min})。关键的是，比值I_{crt_min}/I_{crt_max}持续接近50%，表明优化J_cpl可将写入电流要求减半。能量分布分析表明，Phase 4涉及单一高能垒，而Phase 2在主能垒前存在一个较小的预势垒，这种双峰结构使得开关势垒减小，从而导致写入电流降低50%。

热稳定性与能量势垒

热稳定性因子Δ随J_cpl增加而增加。在直径30 nm器件中，在对应于I_{crt_min}的J_cpl下，Δ值超过128，满足实际STT-MRAM应用可靠数据保留的要求。磁能面分析表明，对于弱耦合情况(J_cpl= 0.3 mJ/m2)，开关路径上出现两个明显的能量峰，分别对应FL1和FL2的反转过程，开关势垒较低。而对于强耦合情况(J_cpl= 1.0 mJ/m2)，能谱呈现单一高能垒，对应相干反转模式，开关势垒较高。

开关时间与电流关系

计算了写入电流I_w与开关时间t_sw的依赖关系。比较J_cpl= 0.3 mJ/m2(弱耦合)和J_cpl= 1.0 mJ/m2(强耦合)两种情况，发现在t_sw为100-1000 ns范围内，弱耦合下的I_w比强耦合下小近50%。即使在5-10 ns的快速开关条件下，弱耦合的I_w仍比强耦合低约40%。这表明适度降低磁耦合强度可有效降低写入功耗。

结论

本研究通过理论分析磁耦合双自由层MTJ的磁开关动力学，证明通过优化层间磁耦合能J_cpl，可以在保持高热稳定性(Δ > 128)的同时，将临界写入电流降低高达50%。这种优化策略成功解决了STT-MRAM低功耗与高数据保留之间的固有矛盾，为下一代存储器件的大规模集成应用提供了重要理论依据。