In this work, IrMn-based perpendicular magnetic tunnel junctions (MTJs) are investigated. By inserting a thin W layer at an antiferromagnet/ferromagnet (AFM/FM) interface, we enhance the annealing temperature to 355 °C and obtain a high tunnel magnetoresistance ratio of 127%. Subsequently, field-free spin–orbit torque (SOT) switching of perpendicular MTJ is realized thanks to the in-plane exchange bias generated at the AFM/FM interface. Moreover, by applying a gate voltage, a coercive field is effectively decreased due to the voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA) effect. Finally, through the interplay of the SOT and VCMA effects, the critical switching current density is dramatically reduced by 73% (to 2.4 MA/cm2) and the total writing power consumption is decreased by 84% when a gate voltage of 0.76 V is applied. These findings pave the way for the practical applications of the IrMn-based perpendicular MTJs in low-power magnetic random-access memory.
References
1.
A. D.
Kent
and D. C.
Worledge
, Nat. Nanotechnol.
10
, 187
(2015
).2.
S.
Peng
, D.
Zhu
, W.
Li
, H.
Wu
, A. J.
Grutter
, D. A.
Gilbert
, J.
Lu
, D.
Xiong
, W.
Cai
, P.
Shafer
, K. L.
Wang
, and W.
Zhao
, Nat. Electron.
3
, 757
(2020
).3.
J. A.
Katine
, F. J.
Albert
, R. A.
Buhrman
, E. B.
Myers
, and D. C.
Ralph
, Phys. Rev. Lett.
84
, 3149
(2000
).4.
L.
Liu
, C.-F.
Pai
, Y.
Li
, H. W.
Tseng
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Science
336
, 555
(2012
).5.
L.
Liu
, T.
Moriyama
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Phys. Rev. Lett.
106
, 036601
(2011
).6.
I. M.
Miron
, G.
Gaudin
, S.
Auffret
, B.
Rodmacq
, A.
Schuhl
, S.
Pizzini
, J.
Vogel
, and P.
Gambardella
, Nat. Mater.
9
, 230
(2010
).7.
I. M.
Miron
, K.
Garello
, G.
Gaudin
, P. J.
Zermatten
, M. V.
Costache
, S.
Auffret
, S.
Bandiera
, B.
Rodmacq
, A.
Schuhl
, and P.
Gambardella
, Nature
476
, 189
(2011
).8.
E.
Grimaldi
, V.
Krizakova
, G.
Sala
, F.
Yasin
, S.
Couet
, G.
Sankar Kar
, K.
Garello
, and P.
Gambardella
, Nat. Nanotechnol.
15
, 111
(2020
).9.
W. G.
Wang
, M.
Li
, S.
Hageman
, and C. L.
Chien
, Nat. Mater.
11
, 64
(2012
).10.
T.
Maruyama
, Y.
Shiota
, T.
Nozaki
, K.
Ohta
, N.
Toda
, M.
Mizuguchi
, A. A.
Tulapurkar
, T.
Shinjo
, M.
Shiraishi
, S.
Mizukami
, Y.
Ando
, and Y.
Suzuki
, Nat. Nanotechnol.
4
, 158
(2009
).11.
S.
Zhao
, L.
Wang
, Z.
Zhou
, C.
Li
, G.
Dong
, L.
Zhang
, B.
Peng
, T.
Min
, Z.
Hu
, J.
Ma
, W.
Ren
, Z. G.
Ye
, W.
Chen
, P.
Yu
, C. W.
Nan
, and M.
Liu
, Adv. Mater.
30
, 1801639
(2018
).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.
Shiota
, S.
Murakami
, F.
Bonell
, T.
Nozaki
, T.
Shinjo
, and Y.
Suzuki
, Appl. Phys. Express.
4
, 043005
(2011
).14.
M.
Tsujikawa
and T.
Oda
, Phys. Rev. Lett.
102
, 247203
(2009
).15.
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
, Phys. Rev. Appl.
15
, 064015
(2021
).16.
H.
Yoda
, N.
Shimomura
, Y.
Ohsawa
, S.
Shirotori
, Y.
Kato
, T.
Inokuchi
, Y.
Kamiguchi
, B.
Altansargai
, Y.
Saito
, K.
Koi
, H.
Sugiyama
, S.
Oikawa
, M.
Shimizu
, M.
Ishikawa
, K.
Ikegami
, and A.
Kurobe
, in International Electron Devices Meeting
(IEDM
, 2016
), pp. 27.6.1
–27.6.4
.17.
T.
Inokuchi
, H.
Yoda
, Y.
Kato
, M.
Shimizu
, S.
Shirotori
, N.
Shimomura
, K.
Koi
, Y.
Kamiguchi
, H.
Sugiyama
, S.
Oikawa
, K.
Ikegami
, M.
Ishikawa
, B.
Altansargai
, A.
Tiwari
, Y.
Ohsawa
, Y.
Saito
, and A.
Kurobe
, Appl. Phys. Lett.
110
, 252404
(2017
).18.
W.
Li
, S.
Peng
, J.
Lu
, H.
Wu
, X.
Li
, D.
Xiong
, Y.
Zhang
, Y.
Zhang
, K. L.
Wang
, and W.
Zhao
, Phys. Rev. B
103
, 094436
(2021
).19.
S. Z.
Peng
, J. Q.
Lu
, W. X.
Li
, L. Z.
Wang
, H.
Zhang
, X.
Li
, K. L.
Wang
, and W. S.
Zhao
, in International Electron Devices Meeting
(IEDM
, 2019
), pp. 28.6.1
–28.6.4
.20.
Y. W.
Oh
, S. H. C.
Baek
, Y. M.
Kim
, H. Y.
Lee
, K. D.
Lee
, C. G.
Yang
, E. S.
Park
, K. S.
Lee
, K. W.
Kim
, G.
Go
, J. R.
Jeong
, B. C.
Min
, H. W.
Lee
, K. J.
Lee
, and B. G.
Park
, Nat. Nanotechnol.
11
, 878
(2016
).21.
S.
Fukami
, C.
Zhang
, S.
DuttaGupta
, A.
Kurenkov
, and H.
Ohno
, Nat. Mater.
15
, 535
(2016
).22.
Y.-C.
Lau
, D.
Betto
, K.
Rode
, J. M. D.
Coey
, and P.
Stamenov
, Nat. Nanotechnol.
11
, 758
(2016
).23.
A.
van den Brink
, G.
Vermijs
, A.
Solignac
, J.
Koo
, J. T.
Kohlhepp
, H. J. M.
Swagten
, and B.
Koopmans
, Nat. Commun.
7
, 10854
(2016
).24.
J. Y.
Chen
, D. C.
Mehandra
, D.
Zhang
, Z.
Zhao
, M.
Li
, and J. P.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
111
, 012402
(2017
).25.
J.
Wei
, X.
Wang
, B.
Cui
, C.
Guo
, H.
Xu
, Y.
Guang
, Y.
Wang
, X.
Luo
, C.
Wan
, J.
Feng
, H.
Wei
, G.
Yin
, X.
Han
, and G.
Yu
, Adv. Funct. Mater.
32
, 2109455
(2022
).26.
J.
Jeong
, Y.
Ferrante
, S. V.
Faleev
, M. G.
Samant
, C.
Felser
, and S. S. P.
Parkin
, Nat. Commun.
7
, 10276
(2016
).27.
A.
Maesaka
, N.
Sugawara
, A.
Okabe
, and M.
Itabashi
, J. Appl. Phys.
83
, 7628
(1998
).28.
D.
Xiong
, S.
Peng
, J.
Lu
, W.
Li
, H.
Wu
, Z.
Li
, H.
Cheng
, Y.
Wang
, C. H.
Back
, K. L.
Wang
, and W.
Zhao
, Appl. Phys. Lett.
117
, 212401
(2020
).29.
H.
Cheng
, J.
Chen
, S.
Peng
, B.
Zhang
, Z.
Wang
, D.
Zhu
, K.
Shi
, S.
Eimer
, X.
Wang
, Z.
Guo
, Y.
Xu
, D.
Xiong
, K.
Cao
, and W.
Zhao
, Adv. Electron. Mater.
6
, 2000271
(2020
).30.
W.
Skowronski
, T.
Nozaki
, D. D.
Lam
, Y.
Shiota
, K.
Yakushiji
, H.
Kubota
, A.
Fukushima
, S.
Yuasa
, and Y.
Suzuki
, Phys. Rev. B
91
, 184410
(2015
).31.
V.
Krizakova
, E.
Grimaldi
, K.
Garello
, G.
Sala
, S.
Couet
, G. S.
Kar
, and P.
Gambardella
, Phys. Rev. Appl.
15
, 054055
(2021
).© 2023 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2023
Author(s)
You do not currently have access to this content.