Voltage control of the magnetic anisotropy (VCMA) effect enables a voltage-mediated magnetization switching mechanism for lower-power applications. In this work, we experimentally investigate the characteristics of VCMA-induced switching and we observe a clear decrease in the critical switching voltage (Vc) at elevated temperatures. A 50% reduction in Vc is quantified when increasing the ambient temperature (T) from 300 K to 360 K. Such a T-dependence of Vc is well explained with the variations of saturation magnetization (MS), interfacial anisotropy (Ki), and VCMA coefficient (ξ). In addition, the dependences of these properties on temperature are well fitted and explained with the power law of MS(T). Our findings on the T-dependent magnetic and switching characteristics of VCMA are of technological importance for implementing VCMA in magnetic random access memory (MRAM) applications.

1.
T.
Kawahara
,
K.
Ito
,
R.
Takemura
, and
H.
Ohno
,
Microelectron. Reliab.
52
(
4
),
613
627
(
2012
).
2.
T.
Endoh
,
H.
Koike
,
S.
Ikeda
,
T.
Hanyu
, and
H.
Ohno
,
IEEE J. Emerg. Sel. Top. Circuits Syst.
6
(
2
),
109
119
(
2016
).
3.
B.
Dieny
,
I. L.
Prejbeanu
,
K.
Garello
,
P.
Gambardella
,
P.
Freitas
,
R.
Lehndorff
,
W.
Raberg
,
U.
Ebels
,
S. O.
Demokritov
,
J.
Akerman
,
A.
Deac
,
P.
Pirro
,
C.
Adelmann
,
A.
Anane
,
A. V.
Chumak
,
A.
Hiroata
,
S.
Mangin
,
S. O.
Valenzuela
,
M. C.
Onbasli
,
M.
d Aquino
,
G.
Prenat
,
G.
Finocchio
,
L. L.
Diaz
,
R.
Chantrell
,
O. C.
Fesenko
, and
P.
Bortolotti
,
Nat. Electron.
3
,
446
459
(
2020
).
4.
K.
Lee
,
J. H.
Bak
,
Y. J.
Kim
,
C. K.
Kim
,
A.
Antonyan
,
D. H.
Chang
,
S. H.
Hwang
,
G. W.
Lee
,
N. Y.
Ji
,
W. J.
Kim
,
J. H.
Lee
,
B. J.
Bae
,
J. H.
Park
,
I. H.
Kim
,
B. Y.
Seo
,
S. H.
Han
,
Y.
Ji
,
H. T.
Jung
,
S. O.
Park
,
O. I.
Kwon
,
J. W.
Kye
,
Y. D.
Kim
,
S. W.
Pae
,
Y. J.
Song
,
G. T.
Jeong
,
K. H.
Hwang
,
G. H.
Koh
,
H. K.
Kang
, and
E. S.
Jung
, in
IEEE International Electron Devices Meeting 2019
, San Francisco, CA, 7–11 December
2019
, pp.
2.2.1
2.2.4
.
5.
V. B.
Naik
,
K.
Lee
,
K.
Yamane
,
R.
Chao
,
J.
Kwon
,
N.
Thiyagarajah
,
N. L.
Chung
,
S. H.
Jang
,
B.
Behin-Aein
,
J. H.
Lim
,
T. Y.
Lee
,
W. P.
Neo
,
H.
Dixit
,
S.
K
,
L. C.
Goh
,
T.
Ling
,
J.
Hwang
,
D.
Zeng
,
J. W.
Ting
,
E. H.
Toh
,
L.
Zhang
,
R.
Low
,
N.
Balasankaran
,
L. Y.
Zhang
,
K. W.
Gan
,
L. Y.
Hau
,
J.
Mueller
,
B.
Pfefferling
,
O.
Kallensee
,
S. L.
Tan
,
C. S.
Seet
,
Y. S.
You
,
S. T.
Woo
,
E.
Quek
,
S. Y.
Siah
, and
J.
Pellerin
, in
IEEE International Electron Devices Meeting 2019
, San Francisco, CA, 7–11 December
2019
, pp.
2.3.1
2.3.4
.
6.
J. G.
Alzate
,
U.
Arslan
,
P.
Bai
,
J.
Brockman
,
Y. J.
Chen
,
N.
Das
,
K.
Fischer
,
T.
Ghani
,
P.
Heil
,
P.
Hentges
,
R.
Jahan
,
A.
Littlejohn
,
M.
Mainuddin
,
D.
Ouellette
,
J.
Pellegren
,
T.
Pramanik
,
C.
Puls
,
P.
Quintero
,
T.
Rahman
,
M.
Sekhar
,
B.
Sell
,
M.
Seth
,
A. J.
Smith
,
A. K.
Smith
,
L.
Wei
,
C.
Wiegand
,
O.
Golonzka
, and
F.
Hamzaoglu
, in
IEEE International Electron Devices Meeting 2019
, San Francisco, CA, 7 December–11 December
2019
, pp.
2.4.1
2.4.4
.
7.
G.
Hu
,
J. J.
Nowak
,
M. G.
Gottwald
,
S. L.
Brown
,
B.
Doris
,
C. P.
D'Emic
,
P.
Hashemi
,
D.
Houssameddine
,
Q.
He
,
D.
Kim
,
J.
Kim
,
C.
Kothandaraman
,
G.
Lauer
,
H. K.
Lee
,
N.
Marchack
,
M.
Reuter
,
R. P.
Robertazzi
,
J. Z.
Sun
,
T.
Suwannasiri
,
P. L.
Trouilloud
,
S.
Woo
, and
D. C.
Worledge
, in
IEEE International Electron Devices Meeting 2019
, San Francisco, CA, 7 December–11 December
2019
, pp.
2.6.1
2.6.4
.
8.
A.
Sengupta
and
K.
Roy
, in
International Joint Conference on Neural Networks 2015
, Killarney, Ireland, 12–17 July
2015
, pp.
1
7
.
9.
A. F.
Vincent
,
J.
Larroque
,
N.
Locatelli
,
N. B.
Romdhane
,
O.
Bichler
,
C.
Gamrat
,
W. S.
Zhao
,
J.-O.
Klein
,
S.
Galdin-Retailleau
, and
D.
Querlioz
,
IEEE Trans. Biomed. Circ. Syst.
9
(
2
),
166
174
(
2015
).
10.
R.
Zand
,
K. Y.
Camsari
,
S.
Datta
, and
R. F.
Demara
,
ACM J. Emerg. Tech. Comput. Syst.
15
(
2
),
1
(
2019
).
11.
W. S.
Zhao
,
Y.
Zhang
,
T.
Devolder
,
J. O.
Klein
,
D.
Ravelosona
,
C.
Chappert
, and
P.
Mazoyer
,
Microelectron. Reliab.
52
,
1848
(
2012
).
12.
C.
Grezes
,
F.
Ebrahimi
,
J. G.
Alzate
,
X.
Cai
,
J. A.
Katine
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
012403
(
2016
).
13.
Y. C.
Wu
,
K.
Garello
,
W.
Kim
,
M.
Gupta
,
M.
Perumkunnil
,
V.
Kateel
,
S.
Couet
,
R.
Carpenter
,
S.
Rao
,
S.
Van Beek
,
K. K.
Vudya Sethu
,
F.
Yasin
,
D.
Crotti
, and
G. S.
Kar
, “Voltage-gate assisted spin-orbit torque magnetic random access memory for high-density and low-power embedded application,” Phys. Rev. Appl. (to be published).
14.
Y.
Suzuki
and
S.
Miwa
,
Phys. Lett. A
383
,
1203
120610
(
2019
).
15.
T.
Nozaki
,
T.
Yamamoto
,
S.
Tamaru
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
Y.
Suzuki
, and
S.
Yuasa
,
APL Mater.
6
,
026101
(
2018
).
16.
X.
Li
,
K.
Fitzell
,
D.
Wu
,
C. T.
Karaba
,
A.
Buditama
,
G.
Yu
,
K. L.
Wong
,
N.
Altieri
,
C.
Grezes
,
N.
Kioussis
,
S.
Tolbert
,
Z.
Zhang
,
J. P.
Chang
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
052401
(
2017
).
17.
S.
Kanai
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Ikeda1
,
Y.
Nakatani
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122403
(
2012
).
18.
S. Z.
Peng
,
J. Q.
Lu
,
W. X.
Li
,
L. Z.
Wang
,
H.
Zhang1
,
X.
Li
,
K. L.
Wang
, and
W. S.
Zhao
, in
IEEE International Electron Devices Meeting 2019
, San Francisco, CA, 7–11 December
2019
, pp.
28.6.1
28.6.4
.
19.
P. K.
Amiri
,
J. G.
Alzate
,
X. Q.
Cai
,
F.
Ebrahimi
,
Q.
Hu
,
K.
Wong
,
C.
Grezes
,
H.
Lee
,
G.
Yu
,
X.
Li
,
M.
Akyol
,
Q.
Shao
,
J. A.
Katine
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
, and
K. L.
Wang
,
IEEE Trans. Magn.
51
(
11
),
3401507
(
2015
).
20.
W.
Kang
,
L.
Chang
,
Y.
Zhang
, and
W.
Zhao
, in
Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition 2017
, Lausanne, Switzerland, 27–31 March
2017
, pp.
542
547
.
21.
J. G.
Alzate
,
P. K.
Amiri
,
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
J. A.
Katine
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
I. N.
Krivorotov
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
112410
(
2014
).
22.
Z.
Wen
,
H.
Sukegawa
,
T.
Seki
,
T.
Kubota
,
K.
Takanashi
, and
S.
Mitani
,
Sci. Rep.
7
,
45026
(
2017
).
23.
S.
Van Beek
,
B. J.
O'Sullivan
,
P. J.
Roussel
,
R.
Degraeve
,
E.
Bury
,
J.
Swerts
,
S.
Couet
,
L.
Souriau
,
S.
Kundu
,
S.
Rao
,
W.
Kim
,
F.
Yasin
,
D.
Crotti
,
D.
Linten
, and
G.
Kar
, in
IEEE International Electron Devices Meeting 2018
, San Francisco, CA, 1–5 December
2018
, pp.
25.2.1
25.2.4
.
24.
Y. C.
Wu
,
W.
Kim
,
S.
Couet
,
K.
Garello
,
S.
Rao
,
S.
Van Beek
,
S.
Kundu
,
S.
Houshmand Sharifi
,
D.
Crotti
,
J.
Van Houdt
,
G.
Groeseneken
, and
G. S.
Kar
,
AIP Adv.
10
,
035123
(
2020
).
25.
N. W.
Ashcroft
and
N. D.
Mermin
,
Solid State Physics
(
Saunders College
,
New York
,
1976
), p.
708
.
26.
P.
Mohn
and
E. P.
Wohlfarth
,
J. Phys. F: Met. Phys.
17
,
2421
2430
(
1987
).
27.
P.
Pauthenet
,
J. Appl. Phys.
53
,
8187
(
1982
).
28.
Y. C.
Wu
,
W.
Kim
,
S.
Rao
,
K.
Garello
,
S.
Van Beek
,
S.
Couet
,
E.
Liu
,
J.
Swerts
,
S.
Kundu
,
L.
Souriau
,
F.
Yasin
,
D.
Crotti
,
J. K.
Jochum
,
M. J.
Van Bael
,
J.
Van Houdt
,
G.
Groeseneken
, and
G. S.
Kar
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
142405
(
2018
).
29.
X.
Feng
and
P. B.
Visscher
,
J. Appl. Phys.
95
,
7043
(
2004
).
30.
L.
Thomas
,
G.
Jan
,
J.
Zhu
,
H.
Liu
,
Y.-J.
Lee
,
S.
Le
,
R.-Y.
Tong
,
K.
Pi
,
Y.-J.
Wang
,
D.
Shen
,
R.
He
,
J.
Haq
,
J.
Teng
,
V.
Lam
,
K.
Huang
,
T.
Zhong
,
T.
Torng
, and
P.-K.
Wang
,
J. Appl. Phys.
115
,
172615
(
2014
).
31.
H. B.
Callen
and
E.
Callen
,
J. Phys. Chem. Solids
27
,
1271
1285
(
1966
).
32.
Y.
Fu
,
I.
Barsukov
,
J.
Li
,
A. M.
Goncalves
,
C. C.
Kuo
,
M.
Farle
, and
I. N.
Krivorotov
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
142403
(
2016
).
33.
R.
Skomski
,
A.
Kashyap
, and
D. J.
Sellmyer
,
IEEE. Trans. Magn.
39
,
2917
(
2003
).
34.
J. B.
Staunton
,
S.
Ostanin
,
S. S. A.
Razee
,
B. L.
Gyorffy
,
L.
Szunyogh
,
B.
Ginatempo
, and
E.
Bruno
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
257204
(
2004
).
35.
J.
Swerts
,
S.
Mertens
,
T.
Lin
,
S.
Couet
,
Y.
Tomczak
,
K.
Sankaran
,
G.
Pourtois
,
W.
Kim
,
J.
Meersschaut
,
L.
Souriau
,
D.
Radisic
,
S.
Van Elshocht
,
G.
Kar
, and
A.
Furnemont
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
262407
(
2015
).
36.
K.
Watanabe
,
S.
Ishikawa
,
H.
Sato
,
S.
Ikeda
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Fukami
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
54
,
04DM04
(
2015
).
37.
38.
S.
Miwa
,
M.
Suzuki
,
M.
Tsujikawa
,
K.
Matsuda
,
T.
Nozaki
,
K.
Tanaka
,
T.
Tsukahara
,
K.
Nawaoka
,
M.
Goto
,
Y.
Kotani
,
T.
Ohkubo
,
F.
Bonell
,
E.
Tamura
,
K.
Hono
,
T.
Nakamura
,
M.
Shirai
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki1
,
Nat. Commun
8
,
15848
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.