Modeling Spin-Orbit Torques in Advanced Magnetoresistive Devices

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 unter-sucht, die entweder integrierte Streufelder oder dreischichtige SBDs verwenden und vielversprechende Anwendungen in SOT-MRAM zeigen.