[특집] STT vs SOT

spin-transfer torque (STT)	VS	spin orbit torque(SOT)

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사실 SOT는 STT에 Spin Hall effect를 추가한 것 뿐이지만 메커니즘 상에서 엄청나게 큰 차이가 있습니다. 사실 구조에서 부터 STT는 CPP이고 SOT는 CIP입니다.

일딴 비교를 위해 perpendicular 라는 것을 가정하고 시작하겠습니다. p-MTJ에서 switching을 시키기 위한 torque의 방향은 STT의 경우 (m x (m x z))이고 SOT의경우 (m x (m x y))입니다.

즉 torque의 방향 자체가 달라서 STT는 switching시키기 위해 많은 precession이 있어야 하고 SOT는 단순하고 직접적인 switching만 하면 됩니다.

이떄 STT의 η는 1보다 클 수 없는 0.5에 그치고 SOT의 θ는 실험적으로 많은 시도가 있으나 1보다 낮습니다. 그러나 이론상으로는 예를들어 TI에서는 Fermi level에 Charge current가 0이어도 Hall effect 덕분에 spin current는 0이 아니어서 θ가 무한대가 될 수 있다고 합니다.

이제 switching current를 보겠습니다.

STT의 경우

이고 SOT의 경우

입니다. 즉 식으로만 봐도 STT는 damping항이 있고, SOT는 damping항이 없습니다. 또한 SOT를 switching하기 위해선 최종적으로 Hx가 있어야 합니다.

따라서 SOT는 fast하고 thermal stability문제와 decoupling하는 current를 가질 수 있으며 Hx라는 외부 field가 필요하므로 selective한 switching이 된다고 직관적으로 예상할 수 있으나, 현재 damping constant α는 무척 작고 θ는 비교적으로 작으며, STT의 경우 MTJ의 면적에 비례하지만, SOT는 HM의 교차 면적에 비례합니다. 두 current를 나눠 대입해 본다면

본 식은 거의  2~3배 차이가 나며 실제적으로 더 크게 나옵니다. 이론적, 직관적으로 SOT가 훨신 좋은 switching특성을 갖게 될것같다는 예상과 달리 좋은 특성이 잘 못나오는 것은 기본적으로 높은 switching current로 인한 Joule  heating이 magnetic anisotropy를 감소시킬것같다는 의견이 많습니다.(Liu et al., PRL 2012)

따라서 최근에는 SOT에 voltage를 인가하여 

로 개선방법이 나오고 있습니다.(VCSM)

또한 STT는 낮은 pulse width를 가진 pulse에선 switching current가 급격하게 높아지고 SOT에서는 큰 변화가 없습니다. 다시말해 빠른 switching이 가능하다는 것인데요. STT의 경우 switching을 하기워해 incubation time(precession time)이라고 변화하지 않는 시간구간이있습니다. 문제는 이 시간구간도 random하여 예측 불가능합니다. 이를 낮추려면 overdirve해야하는데 그러면 또 소비에너지가 높아집니다.

정리하자면

SOT의 경우 current driver가 array바깥에 위치해 있어서 scaling issue에서 자유롭고, 허용 current가 Transistor에 한정되는게 아닌 electromigration에 의해 한정됩니다. 또한 selection에 diode가 사용가능합니다.

또한 큰 current가 MTJ를 토오가하지 않아 MgO가 훨씬 두꺼워 질수있어 높은 MR과 큰 breakdown volatge, Etching margin이 좋습니다.(Etching margin의 경우 MgO 두깨가 작으면 금속이 벽에 들러 붙어 insulating효과가 없어질 수 있기 때문입니다.)

또한 precessional switching이 아니기 때문에 빠른 switching이 가능하고 thermal stability문제에서 current switching이 thermal과 다른 면적 항을 가지고 있으며, voltage induce anisotropy change가 가능하기 때문에 decoupling할 수 있습니다.

그러나 여전히 큰 switching current를 가지고 있고(I는 괜찮으나 J가 문제임: elefromigration문제(θ나 voltage control을 좋게 하면 될 듯)) 3 termial입니다. 또한 immature field가 많습니다.

추가로 SOT식에는 damping torque가 좋을 수록 잘들어맏습니다.

반면 STT의 경우 이전세대 mram의 좋은성질을 가져와 완벽한 seletivity와 낮은 power consumption을 매우작은 cell size에서 가능케 했지만, 아직 더 작은 에너지 소모가 필요하고 breakdown문제와 작은 size에서 theramal stability문제 endurance문제 suppress incoherence를 제어히는 문제등이 여전히 존재합니다.