We theoretically investigate influences of electronic circuit delay, noise, and temperature on write-error-rate (WER) in voltage-controlled magnetization switching operation of a magnetic-topological-insulator-based device by means of the micromagnetic simulation. This device realizes magnetization switching via spin–orbit torque (SOT) and voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA), which originate from the 2D-Dirac electronic structure. We reveal that the device operation is extremely robust against circuit delay and signal-to-noise ratio. We demonstrate that the WER on the order of ∼ 10 4 or below is achieved around room temperature due to steep change in VCMA. Also, we show that the larger SOT improves thermal stability factor. This study provides a next perspective for developing voltage-driven spintronic devices with ultra-low power consumption.

1.
K.
Ando
,
S.
Fujita
,
J.
Ito
,
S.
Yuasa
,
Y.
Suzuki
,
Y.
Nakatani
,
T.
Miyazaki
, and
H.
Yoda
,
J. Appl. Phys.
115
,
172607
(
2014
).
2.
P.
Barla
,
V. K.
Joshi
, and
S.
Bhat
,
J. Comput. Electron.
20
,
805
(
2021
).
3.
Y.
Zhang
,
W.
Zhao
,
J.-O.
Klein
,
W.
Kang
,
D.
Querlioz
,
Y.
Zhang
,
D.
Ravelosona
, and
C.
Chappert
, in
2014 Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE)
(
IEEE
,
2014
), pp.
1
6
.
4.
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
161
(
2009
).
5.
M.
Endo
,
S.
Kanai
,
S.
Ikeda
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
212503
(
2010
).
6.
Y.
Shiota
,
T.
Nozaki
,
F.
Bonell
,
S.
Murakami
,
T.
Shinjo
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Mater.
11
,
39
(
2012
).
7.
Y.
Shiota
,
S.
Miwa
,
T.
Nozaki
,
F.
Bonell
,
N.
Mizuochi
,
T.
Shinjo
,
H.
Kubota
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
102406
(
2012
).
8.
S.
Kanai
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Ikeda
,
Y.
Nakatani
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122403
(
2012
).
9.
Y.
Shiota
,
T.
Nozaki
,
S.
Tamaru
,
K.
Yakushiji
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Express
9
,
013001
(
2016
).
10.
C.
Grezes
,
F.
Ebrahimi
,
J. G.
Alzate
,
X.
Cai
,
J. A.
Katine
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
P.
Khalili Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
012403
(
2016
).
11.
T.
Yamamoto
,
R.
Matsumoto
,
T.
Nozaki
,
H.
Imamura
, and
S.
Yuasa
,
J. Magn. Magn. Mater.
560
,
169637
(
2022
).
12.
Y.
Shiota
,
T.
Nozaki
,
S.
Tamaru
,
K.
Yakushiji
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
022408
(
2017
).
13.
T.
Yamamoto
,
T.
Nozaki
,
H.
Imamura
,
Y.
Shiota
,
T.
Ikeura
,
S.
Tamaru
,
K.
Yakushiji
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
Y.
Suzuki
, and
S.
Yuasa
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
014013
(
2019
).
14.
Y.
Ando
,
J. Phys. Soc. Jpn.
82
,
102001
(
2013
).
15.
Y.
Tokura
,
K.
Yasuda
, and
A.
Tsukazaki
,
Nat. Rev. Phys.
1
,
126
(
2019
).
16.
J.
Wang
,
B.
Lian
, and
S.-C.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
036805
(
2015
).
17.
A.
Sekine
and
T.
Chiba
,
Phys. Rev. B
93
,
220403
(
2016
).
18.
Y. G.
Semenov
,
X.
Duan
, and
K. W.
Kim
,
Phys. Rev. B
86
,
161406
(
2012
).
19.
Y.
Fan
,
X.
Kou
,
P.
Upadhyaya
,
Q.
Shao
,
L.
Pan
,
M.
Lang
,
X.
Che
,
J.
Tang
,
M.
Montazeri
,
K.
Murata
,
L.-T.
Chang
,
M.
Akyol
,
G.
Yu
,
T.
Nie
,
K. L.
Wong
,
J.
Liu
,
Y.
Wang
,
Y.
Tserkovnyak
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
352
(
2016
).
20.
N. H. D.
Khang
,
Y.
Ueda
, and
P. N.
Hai
,
Nat. Mater.
17
,
808
(
2018
).
21.
K.
Cai
,
M.
Yang
,
H.
Ju
,
S.
Wang
,
Y.
Ji
,
B.
Li
,
K. W.
Edmonds
,
Y.
Sheng
,
B.
Zhang
,
N.
Zhang
,
S.
Liu
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Nat. Mater.
16
,
712
(
2017
).
22.
Y.
Cao
,
Y.
Sheng
,
K. W.
Edmonds
,
Y.
Ji
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Adv. Mater.
32
,
1907929
(
2020
).
23.
Z. A.
Bekele
,
X.
Liu
,
Y.
Cao
, and
K.
Wang
,
Adv. Electron. Mater.
7
,
2000793
(
2021
).
24.
M.
Filianina
,
J.-P.
Hanke
,
K.
Lee
,
D.-S.
Han
,
S.
Jaiswal
,
A.
Rajan
,
G.
Jakob
,
Y.
Mokrousov
, and
M.
Kläui
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
217701
(
2020
).
25.
T.
Chiba
,
S.
Takahashi
, and
G. E. W.
Bauer
,
Phys. Rev. B
95
,
094428
(
2017
).
26.
T.
Chiba
and
T.
Komine
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
034031
(
2020
).
27.
T.
Chiba
,
A. O.
Leon
, and
T.
Komine
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
252402
(
2021
).
28.
M.
Weisheit
,
S.
Fähler
,
A.
Marty
,
Y.
Souche
,
C.
Poinsignon
, and
D.
Givord
,
Science
315
,
349
(
2007
).
29.
M.
Tsujikawa
and
T.
Oda
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
247203
(
2009
).
30.
K.
Nakamura
,
R.
Shimabukuro
,
Y.
Fujiwara
,
T.
Akiyama
,
T.
Ito
, and
A. J.
Freeman
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
187201
(
2009
).
31.
C.-G.
Duan
,
J. P.
Velev
,
R. F.
Sabirianov
,
Z.
Zhu
,
J.
Chu
,
S. S.
Jaswal
, and
E. Y.
Tsymbal
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
137201
(
2008
).
32.
Y.
Shiota
,
T.
Maruyama
,
T.
Nozaki
,
T.
Shinjo
,
M.
Shiraishi
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Express
2
,
063001
(
2009
).
33.
P.
Khalili Amiri
,
P.
Upadhyaya
,
J. G.
Alzate
, and
K. L.
Wang
,
J. Appl. Phys.
113
,
013912
(
2013
).
34.
G.
Han
,
H.
Meng
,
J.
Huang
,
V. B.
Naik
,
C. H.
Sim
,
M.
Tran
, and
S. T.
Lim
,
IEEE Trans. Magn.
51
(22),
3400309
(
2015
).
35.
S.
Kanai
,
Y.
Nakatani
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Ikeda
,
H.
Sato
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
212406
(
2014
).
36.
Y.
Kato
,
H.
Yoda
,
Y.
Saito
,
S.
Oikawa
,
K.
Fujii
,
M.
Yoshiki
,
K.
Koi
,
H.
Sugiyama
,
M.
Ishikawa
,
T.
Inokuchi
,
N.
Shimomura
,
M.
Shimizu
,
S.
Shirotori
,
B.
Altansargai
,
Y.
Ohsawa
,
K.
Ikegami
,
A.
Tiwari
, and
A.
Kurobe
,
Appl. Phys. Express
11
,
053007
(
2018
).
37.
T.
Yamamoto
,
T.
Nozaki
,
Y.
Shiota
,
H.
Imamura
,
S.
Tamaru
,
K.
Yakushiji
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
Y.
Suzuki
, and
S.
Yuasa
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
024004
(
2018
).
38.
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
2016 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
,
2016
), pp.
27.6.1
27.6.4
.
39.
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
).
40.
S-h C.
Baek
,
K.-W.
Park
,
D.-S.
Kil
,
Y.
Jang
,
J.
Park
,
K.-J.
Lee
, and
B.-G.
Park
,
Nat. Electron.
1
,
398
(
2018
).
41.
R.
Mishra
,
F.
Mahfouzi
,
D.
Kumar
,
K.
Cai
,
M.
Chen
,
X.
Qiu
,
N.
Kioussis
, and
H.
Yang
,
Nat. Commun.
10
,
248
(
2019
).
42.
T.
Hirahara
,
S. V.
Eremeev
,
T.
Shirasawa
,
Y.
Okuyama
,
T.
Kubo
,
R.
Nakanishi
,
R.
Akiyama
,
A.
Takayama
,
T.
Hajiri
,
S-i
Ideta
,
M.
Matsunami
,
K.
Sumida
,
K.
Miyamoto
,
Y.
Takagi
,
K.
Tanaka
,
T.
Okuda
,
T.
Yokoyama
,
S-i
Kimura
,
S.
Hasegawa
, and
E. V.
Chulkov
,
Nano Lett.
17
,
3493
(
2017
).
43.
M.
Mogi
,
T.
Nakajima
,
V.
Ukleev
,
A.
Tsukazaki
,
R.
Yoshimi
,
M.
Kawamura
,
K. S.
Takahashi
,
T.
Hanashima
,
K.
Kakurai
,
T-h
Arima
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
016804
(
2019
).
44.
B.
Li
,
Q.
Fan
,
F.
Ji
,
Z.
Liu
,
H.
Pan
, and
S.
Qiao
,
Phys. Lett. A
377
,
1925
(
2013
).
45.
C.-Z.
Chang
,
J.
Zhang
,
M.
Liu
,
Z.
Zhang
,
X.
Feng
,
K.
Li
,
L.-L.
Wang
,
X.
Chen
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
,
X.-L.
Qi
,
S.-C.
Zhang
,
Y.
Wang
,
K.
He
,
X.-C.
Ma
, and
Q.-K.
Xue
,
Adv. Mater.
25
,
1065
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.