Increasing Spin-orbit Torque Efficiency by Doping Pt: Sub-monolayer insertions versus Alloys

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作者
Ward Janssens,R. Carpenter,Van Dai Nguyen,Kaiming Cai,Marta Agati,Paola Favia,Jo DeBoeck,Kurt Wostyn,Sébastien Couet,Giacomo Talmelli
出处
期刊:Journal of Physics D [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1361-6463/ad9ebc
摘要

Abstract Spin-orbit torque magnetoresisitive random-access memory (SOT-MRAM) is a promising candidate as a non-volatile SRAM replacement. However, one of the biggest challenges that limits the SOT-MRAM application, is the relatively high current that is needed to switch the free layer. Pt is a promising SOT track material due to its low resistivity and compatibility with back end of line (BEOL) processes, though it has relatively low SOT-efficiency. A possible route to increase the SOT-efficiency of Pt is to dope it with another material. In this work, a comparative study is conducted between Pt with sub-monolayer insertions and Pt-alloys, referred to as PtX. The structural differences between them lead to a different SOT-efficiency trend with respect to the content of the PtX layer. It is shown that in the Pt/X-insertions, a small SOT-efficiency increase is obtained up to five sub-monolayer insertions and is relatively independent of the material X. On the other hand, the SOT-efficiencies in Pt-alloys are highly dependent on the material X. Compared to pure Pt, our results show that the SOT-efficiency of PtCu-alloys increases up to about three times, whereas PtCr-alloys show no significant enhancement. Furthermore, PtCu is promising route towards BEOL compatible SOT-MRAMs, since it is shown that it can maintain the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) of 1 nm Co after 400°C annealing.

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