CN101345079A - 磁电阻器件 - Google Patents

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Abstract

一种操作磁电阻器件的方法，一种设备以及一种磁电阻器件。所述器件包括：铁磁区，被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变，以及电容性连接到该铁磁区的栅。所述方法包括向铁磁区施加电场脉冲，从而使得磁各向异性的方向发生变化，以便在第一和第二方向之间转变磁化。

Description

磁电阻器件
技术领域
本发明涉及一种磁电阻器件。
背景技术
磁随机存取存储器(MRAM)具有一些优于其它类型的非易失性存储器(例如闪存)的优点。例如，MRAM通常耗费较少的功率并且能更快地读写数据。MRAM同样可望替代一些类型的易失性存储器，例如动态随机存取存储器(DRAM)。
传统的MRAM单元典型地包括磁电阻元件，其具有由非磁性层隔开的一对铁磁层。其中一个铁磁层具有相对低的矫顽性，而另一个具有相对高的矫顽性。该低矫顽性层和高矫顽性层通常分别被称作“自由”层和“受钉扎”层。
为了在单元里存储数据，施加调整自由层的磁化方向的外部磁场。在该磁场被移去后，磁化的方向被保留。
为了从单元里读出数据，通过元件驱动电流。如果各层的磁化反平行(AP)地设置，那么元件的磁电阻相对较高，而如果各层的磁化平行(P)地设置，那么元件的磁电阻相对较低。因此，单元的状态能够通过测量元件的磁电阻来确定。
通过使电流流经靠近元件延伸的至少一根导线而产生外部磁场。然而，这样的布置产生了问题，即单元的尺寸减小了，转变(switch)自由层所需的磁场增加了并且功率消耗也增加了。
施加外部磁场的一种替代方式是使用自旋转移转变(spin transferswitching)，如J.C.Slonczewski在“Current-driven Excitation of MagneticMultilayers”，p.9353，Phys.Rev.B，vol.54(1996)中所提出的那样，并且参考W.C.Jeong等人的“Highly scalable MRAM using field assisted currentinduced switching”，p.184，2005 Symposium on VLSI Technology Digest ofTechnical Papers。
在自旋转移转变中，通过和层界面垂直的磁性元件驱动电流。这使得通过流经受钉扎层的电子(当电流从自由层被驱动到受钉扎层时)，或者通过从受钉扎层分散的电子(当电流从受钉扎层被驱动到自由层时)，自旋极化的电子被注入到自由层中。当自旋极化的电子被注入自由层中时，它们和自由层相互作用并且将它们的一部分自旋角动量传递给自由层的磁矩。如果自旋极化的电流足够大，那么这将导致自由层的磁化发生转变。
然而，自旋转移转变的一个缺点是需要高电流密度(例如108Acm-2数量级)以触发反转处理。
在施加转变电流脉冲之前，通过施加直流预充电流可以减少电流，如T.Devolder等人在“Precharging strategy to accelerate spin-transfer switchingbelow the nanosecond”，Applied Physics Letters，volume 86，p.062505(2005)中所描述的那样。尽管转变电流脉冲的功率消耗减少了，但是总的功率消耗(即包括预充电流的功率消耗)仍然相当大。
然而，通过紧接在施加转变电流脉冲之前或在施加转变电流脉冲的同时，沿着自由层的难磁化轴(magnetic hard axis)施加一短的(例如＜5ns)的外部磁场脉冲，可以减少电流，从而产生进动转变(precessional switching)，如K.Ito等人在“Micromagnetic simulation of spin transfer torque switching combinedwith precessional motion from a hard axis magnetic field”，Applied PhysicsLetters，vol.89，p.252509(2006)中所描述的那样。
尽管这种技术能够显著地减少自旋传递电流，但它包括通过使电流流经导线来施加一个外部磁场。这限制了电位的可量测性以及减少功率消耗。
发明内容
本发明寻求改进这个问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种操作磁电阻器件的方法，该器件包括：铁磁区，被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变；以及电容性耦合到该铁磁区的栅，该方法包括：向铁磁区施加电场脉冲，从而使得磁各向异性的方向发生变化，以便在第一和第二方向之间转变磁化。因此，比起具有用于产生磁场脉冲的导线的器件来，帮助进动的磁化转变能够使用较少的功率来触发。
该方法可以包括专门地向铁磁区施加电场脉冲，从而使得铁磁区的磁化在第一和第二方向之间转变。该方法可以包括配置铁磁区的磁化以在第一和第二方向之间进行转变而不施加磁场脉冲。仅仅使用电场脉冲以使得铁磁区的磁化在第一和第二方向之间转变或者不使用磁场脉冲来帮助转变有助于最小化功率消耗。
该器件可以进一步包括相邻于铁磁区延伸的用于产生磁场脉冲的导电路径，该方法进一步包括：向铁磁区施加磁场脉冲，同时施加电场脉冲以增强有效的磁场方向的变化，该有效的磁场包括在电场脉冲和所施加的磁场脉冲期间的各向异性场，从而在第一和第二方向之间转变磁化。该方法可以包括在施加磁场脉冲的前沿之前施加电场脉冲的前沿。
该器件可以进一步包括另一个铁磁区，其具有比铁磁层更高的矫顽力并且通过隧道势垒层从铁磁层隔开，该方法进一步包括：当施加电场脉冲时，施加流经铁磁区的自旋转移电流脉冲，从而在第一和第二方向之间转变磁化。
该方法可以进一步包括在施加自旋转移电流脉冲的前沿之前施加电场脉冲的前沿。铁磁区可以包括具有非均匀应变分布的铁磁半导体，并且该方法包括：施加具有足够大小的电场脉冲以相对于非均匀应变分布改变电荷载流子(carrier)的分布。
该非均匀应变分布包括压应变区域以及张应变区域。铁磁半导体可以包括(Ga，Mn)As。
该方法可以包括施加持续时间为t的电场脉冲，持续时间是tprecess的四分之一的倍数，tprecess为：
t precess = 1 / f precess = 1 γ 2 π B A
其中γ是回转磁常数，
Figure A20081012878700072
，以及BA是铁磁半导体的各向异性磁场。该方法可以包括施加具有在0和5ns之间的持续时间t的脉冲。
该方法可以进一步包括独立于施加电场脉冲，向铁磁区施加磁场，从而帮助铁磁区在第一和第二方向之间的磁化转变。
该方法可以包括向铁磁区施加应力，并且当施加应力时，施加电场脉冲。
根据本发明的第二方面，提供了操作磁电阻器件的方法，该器件包括铁磁区，其被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变，该方法包括：向铁磁区施加应力脉冲，从而导致磁各向异性的方向发生变化以便在第一和第二方向之间转变磁化。因此，与具有用于产生磁场脉冲的导线的器件相比，进动的或帮助进动的磁化转变能够使用较少的功率触发。
该器件可以包括机械耦合到铁磁区的压电区，并且其中施加应力脉冲包括在压电区上施加电压脉冲。
该方法可以包括向铁磁区施加电场脉冲，同时向铁磁区施加应力脉冲。
根据本发明的第三方面，提供了包括磁电阻器件的设备，该磁电阻器件包括铁磁区，其被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变；该设备还包括电路，被配置为根据所述方法操作该器件。
根据本发明的第四方面，提供了一种磁电阻器件，该磁电阻器件包括铁磁区，被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变；响应于第一电子输入向铁磁区施加应力的部件；以及响应于第二电子输入向铁磁区施加电场的部件。
施加应力的部件可以包括耦合到铁磁区的压电区，并且施加电场的部件可以包括至少一个栅电极。
附图说明
现在将参考附图，通过示例来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明，施加电场脉冲给铁磁元件以使得磁各向异性的方向改变并且转变磁化；
图2(a)是其中由于光刻导致的应变松弛而使得磁各向异性的方向发生改变的器件以及没有应变改变的范德堡器件的扫描电子显微照片；
图2(b)是图2(a)所示的器件的放大图；
图2(c)是由其制造图2(a)所示的器件和范德堡器件的层结构的剖面图；
图3(a)示出了在具有固定磁场大小(B＝4T)(角度从[110]轴测得)的旋转磁场中，图2(a)中所示出的器件的[110]朝向臂和[110]朝向臂在4.2°K的纵向的各向异性磁电阻图；
图3(b)示出了在具有固定磁场大小(B＝4T)(角度从[110]轴测得)的旋转磁场中，图2(a)中所示的器件以及图2(a)中所示出的范德堡器件的[110]和[110]臂在4.2°K的横向的磁电阻图；
图3(c)示出了与图2(a)中所示的器件相类似但是在不同角度的变化的磁场中具有更宽的和更长的通道的器件的[110]朝向臂在4.2°K的纵向的各向异性磁电阻图；
图3(d)示出了在固定角度变化磁场中，图2(a)中所示的器件的[110]朝向臂在4.2°K的纵向的各向异性磁电阻图；
图4(a)示出了图2(a)中所示的范德堡器件在4.2°K的横向阻抗测量图；
图4(b)示出了图2(a)中所示的器件在4.2°K的横向阻抗测量图；
图5(a)示出了图2(a)中所示的器件的横截面沿[001]轴应变的数字模拟值的二维图；
图5(b)示出了图2(a)中所示的器件的横截面沿[110]轴应变的数字模拟值图；
图5(c)示出了图2(a)所示的器件通过[001]平面一个不同的切口的应变的模拟值图；
图5(d)示出了图2(a)所示的器件通过[110]平面一个不同的切口的应变模拟值图；
图6(a)示出了与图2(a)所示的器件类似的器件的以及图2(a)所示的器件的[110]和[110]朝向臂的易轴方向；
图6(b)示出了在不同的应变下以及沿着不同的方向，作为平面内磁化角度函数的理论磁晶能量值图；
图7示出了在压应变下，对于两个不同的载流子浓度，在[001]方向GaAs上生长的Ga0.96Mn0.04As的磁晶能量剖面轮廓；
图8(a)，8(b)和8(c)是根据本发明的第一，第二和第三器件的示意图，其中铁磁元件中的磁各向异性的方向可以变化；
图9是图8(a)所示的第一器件的透视图；
图10(a)是图9(a)所示器件的相对于栅极电压以及平面内平行于电流的磁场的通道电导的图；
图10(b)示出了图9所示的器件的库仑阻塞振荡；
图10(c)示出了图9所示的器件的相对于栅极电压的临界重定向磁场的图；
图11(a)是图8(b)所示的第二器件的平面图；
图11(b)是图8(b)所示的第二器件沿着线A-A′的横截面图；
图12示出了图8(a)和8(b)所示的器件的读写周期；
图13(a)，13(b)和13(c)示出了在不同阶段图8(a)所示的第一器件的制造；
图14(a)是图8(c)所示的第三器件的透视图；
图14(b)是第三器件沿着线B-B′的横截面图；
图15示出了图8(c)所示的器件的读写周期；
图16(a)是根据本发明的另一器件的平面图，其中铁磁元件中的磁各向异性的方向可以变化；
图16(b)是图16(a)所示的器件沿着线C-C′的纵向横截面图；
图16(c)是图16(a)所示的器件沿着线D-D′的横向横截面图；
图17示出了用于制造图15所示的器件的层结构；
图18是图16(a)所示器件的修改版本的横向横截面视图；
图19(a)示意性地示出了对于铁磁半导体的变化的载流子分布；
图19(b)示出了磁各向异性的重定向；
图20(a)是根据本发明的第四器件的平面图，其中在铁磁元件中的磁各向异性的方向可以变化；
图20(b)是图20(a)所示的器件沿着线E-E′的横截面图；
图21(a)是根据本发明的第五器件的平面图，其中在铁磁元件中的磁各向异性的方向可以变化；
图21(b)是图21(a)所示的器件沿着线F-F′的横截面图；
图22示出了图21(a)示出的器件的读写周期；
图23示出了具有6个剩余磁化方向的铁磁元件；
图24示出了根据本发明在图23所示的剩余磁化方向之间进行转变；以及
图25(a)和图25(b)示出了根据本发明将电场脉冲施加给图23所示的铁磁元件以使得磁各向异性的方向发生改变以及转变磁化。
具体实施方式
电场脉冲导致的磁化反转
参照图1，示出了根据本发明的磁电阻器件的铁磁元件1。铁磁元件1被假定为具有均质分布的磁化，尽管不需要必定是这样。
铁磁元件1表示出了定义易磁化轴2的磁各向异性。磁各向异性可能由于元件和/或晶体结构的形状等而产生。例如，元件1可以是细长的，因此易磁化轴2可以沿纵轴取向。
元件1的磁化3沿着易磁化轴2取向。
外部磁场5可被选择性地施加以支持进动转变，并且依赖于方向，以稳定磁化3的重定向。例如，外部磁场5可以被全面施加给铁磁元件的一个阵列(铁磁元件1是其中一个)。例如使用永磁铁，外部磁场5可以沿着难轴固定以促进或帮助进动转变。
如图1所示，外部磁场5反平行于沿易轴2的初始磁化取向，以稳定磁化3的重定向。然而，外部磁场5不必要沿着易轴2取向，并且可以以其它角度定向，包括对于图1示出的配置被设置为与易轴2垂直的难轴。外部磁场5可以是可变的，并且可以通过使电流通过导电轨(conductive track)(未示出)来产生。
各向异性磁场和可选的外部磁场5导致了有效磁场6，即：
B → eff = B → A + B → ext - - - ( 1 )
其中
Figure A20081012878700112
是对磁化3起作用的有效磁场6，
Figure A20081012878700113
是各向异性场以及
Figure A20081012878700114
是外部磁场5(用向量符号表示)。
如将要被解释的，电场脉冲7可以被施加，例如垂直于层的平面，以暂时改变在铁磁元件1中的磁各向异性并触发磁化3的进动重定向。
在电场脉冲7被施加之前，换句话说，在t＜0且V＝V0(例如V0＝0)时，其中t是时间，V是施加给栅(未示出)的偏压，磁化3(由
Figure A20081012878700115
表示)以有效磁场6的方向(这里指定为和正x轴方向平行)定向。在一些实施例中，一个以上的栅(未示出)可以使用。
然后施加电场脉冲7，其使得磁各向异性发生变化，由此使磁化3被旋转并且开始绕着修正的有效场进动(processing)。
因此，在脉冲7的开始，即在t＝0和V＝Vc时，各向异性场2变化使得有效磁场6旋转，即， B eff → + ( V 0 ) → B → eff ( V c ) , 并且磁化3开始绕着有效磁场6的轴，即绕着
Figure A20081012878700121
的衰减进动。
一旦磁化3进行了半进动，那么电场7可以被关掉。然后磁化3开始沿着易轴2而稳定(反平行)。
因此，在脉冲7的结尾，当t＝Δt180°并且V＝Vc时，各向异性场和有效磁场6获得了负的x分量，如图1c所示。
在脉冲7结束后不久，当t＝Δt180°+δ(其中δ＞0)并且VG＝V0时，各向异性场2反转并且和它的初始方向，即 B → eff ( V c ) → B eff → - ( V 0 ) 反平行地取向(平行于-x方向)，并且磁化3继续绕着有效磁场6的轴，即绕着的衰减进动。
当t＞＞Δt180°并且VG＝V0时，磁化3达到平衡并且沿着有效磁场取向，其是平行的(-x)方向，即，
Figure A20081012878700124
磁化反转可以通过考虑磁化3的方向决定的能量来理解。例如，对于V0，沿着x轴的易轴2对应于通过势垒分开的两个能量最小量。如果磁化3沿着难轴取向，则势垒的高度对应于能量的增加。
磁化反转，即，将磁化以180°重定向，能够被用于隧道效应磁电阻(TMR)器件，巨磁电阻(GMR)器件以及其它类似类型的读取器件，其中在转变层和固定参照层之间的相对方向确定器件的阻抗。
如果栅极电压脉冲7导致了新的易轴，其从初始的易轴4旋转超过45°并且一直到90°，那么磁化反转可以在不使用辅助的磁场的情况下实现。
这可以在高载流子密度的Ga1-xMnxAs中得到实现(例如，当x＞0.03)，例如通过在元件1中从它处于张应变状态、磁各向异性被定向于和层的平面垂直的位置，到它处于压应变状态、磁各向异性定向于层的平面中的位置进行空间地变化应变。易轴的旋转也能通过改变在应变配置中的载流子密度来实现。
在低掺杂Ga1-xMnxAs中，其中x＜0.02，磁各向异性的变化可以表示为相反的形式。例如，在元件压应变的位置，磁各向异性可以被定向为垂直于平面，并且在元件为张应变的位置，磁各向异性被定向在平面中。
依赖于系统的特定的磁各向异性，完全的磁化反转不是必需的，换句话说，磁化不需要以180°重定向。如果对于较长的脉冲长度(例如，半进动脉冲)易轴旋转小于或等于22.5°的角，或者对于较短的脉冲长度(例如四分之一进动脉冲)以高达90°的更大的角进行旋转，例如90°的磁化重定向可以在表示出立方磁各向异性的元件中实现。这种情况将会发生，例如我们在具有非常小的应变变化的Ga1-xMnxAs中所看到的那样，该应变变化由～0.01％量级的晶格常数的变化产生。在这种情况下，各向异性磁电阻效应，例如，各向异性磁电阻(AMR)，隧道效应各向异性磁电阻(TAMR)或者库仑阻塞各向异性磁电阻(CBAMR)也能被用于读出磁化方向。
对于(Ga，Mn)As器件里的磁晶各向异性的局部控制
图2(a)和2(b)示出了器件8，其中使用由光刻限定的沟槽9所产生的应变松弛来调整和控制磁晶各向异性。磁晶各向异性由自旋轨道耦合导致。
为了帮助表征器件8中的块体GaMnAs的磁各向异性和应变松驰效应，在邻近器件8的晶片11中限定范德堡器件10。
器件8为霍耳条的形式，具有通道11，其在平面视图里是“L”形的，并且包括沿着[110]和[110]方向正交取向的第一和第二臂111，112。该臂具有1μm的(横向)宽度w以及20μm的(纵向)长度l。
特别参照图2(c)，器件8在具有层结构12的晶片中形成，该层结构包括Ga0.95Mn0.05As外延生长层13(或者“外延层”)，其具有在GaAs衬底14上沿着[001]晶轴生长的25nm厚度。通道11使用电子束光刻和反应离子束蚀刻来确定。沟槽9具有200nm的(横向)宽度w以及70nm的深度d。
参照图3(a)至图3(d)，示出了具有和器件8相同配置的另一个器件(未示出)的电子特性和器件8的电子特性。该另一器件(未示出)与器件8在霍耳条的尺寸上不同。在该另一器件(未示出)中，臂(未示出)为4μm宽和80μm长。在图2(a)和图2(b)示出的器件8中，臂111，112为1μm宽和20μm长。
这些器件8示出了平面内的磁晶各向异性并且具有大约为50mT的饱和磁化强度Ms。这是由于应变松弛效应产生的，而不是由于形状各向异性产生的。例如，器件8的形状各向异性场小于1mT，其是低于磁晶各向异性场的大小的一个量级。因此，易轴不是被形状各向异性所限定的，而是磁晶各向异性限定的。
使用反常霍耳数据的Arrot图估计100°K的居里温度(Tc)。从高场霍耳测量中，估计5×1020cm-3的空穴密度。在这种掺杂中，在GaAs衬底15上生长的Ga0.95Mn0.05As外延层13中的压应变产生了强磁晶各向异性，其促使磁化向量和磁外延层13的平面平行取向。
在单独的微条(microbar)器件8中的磁化方向通过测量平面内的旋转磁场(未示出)的各向异性磁电阻(AMR)的纵向和横向分量来进行局部监视。
图3(a)和3(b)示出了饱和磁场的磁化旋转图，其示出了平面内的AMR近似于下面的形式：
Figure A20081012878700141
Figure A20081012878700142
其中ρL是纵向阻抗系数，ρT是横向阻抗系数，A是常数(不仅仅针对于每一个霍耳条，也针对范德堡器件10)，并且
Figure A20081012878700143
是磁化和电流之间的角度。
ΔρL，T＝ρL，T-ρL，T，其中ρL，T是所有角度的平均值。
图3(c)和图3(d)示出了外部磁场扫描的磁电阻图，其中从[110]轴测量的场角θ是常数。
如图所示，磁电阻强烈依赖于θ的值并且是磁化旋转的结果。在较高的场，磁电阻变成纯粹的各向同性，即，不同角度θ的阻抗之间的差异独立于外部的场的大小。这个属性以及和低的场各向异性磁电阻相比小得多的各向同性磁电阻的大小，使得在图3a和3b所示的高的场测量被用于确定低场阻抗的变化和磁化方向的变化之间的一一对应关系。如果两个阻抗分量同时被测量，图3a和3b示出的在纵向和横向AMR轨道之间的45°相位偏移可以被用于确定磁化角的变化。
固定的θ磁电阻测量能被首先用于确定在单独微条中的局部磁各向异性。对应于易轴方向的θ的值具有最小的磁电阻。对于不对应易轴方向的θ的值，磁化在较低的场经历(部分地)持续的旋转，导致不同的方向，并且因此导致在磁饱和和剩磁时的不同的被测阻抗。使用这项技术，易轴方向能被确定在±1°以内。
在图4(a)和4(b)中示出对磁各向异性引入应变的空间变化的效果。
在使用范得堡器件10(图2a)测量的块体材料(bulk material)中，磁化角30°对应于易轴，而7°和55°显著地难一些。然而，在图2a所示的器件8中，7°是在[110]条中的易轴而55°是在[110]条上的易轴。
表1在下面列出了在标记为“A”的另一个器件(未示出)、标记为“B”的器件8以及在块体材料，即范德堡器件10中找到的易轴：
表1
  样本 块体   A[110]   A[110] B[110]   A[110]
  易轴角度 ±30°   ±15°   ±36° +7°，-8° +55°，-63°
块体材料具有由下层的锌结构产生的立方各向异性，加上由作为(Ga，Mn)As外延层13产生的附加的单轴[110]各向异性。这导致从[100]和[010]立方棱边朝向[110]方向倾斜15±的两个易轴。
在微器件中，即另一个器件(未示出)和器件8，易轴从块体材料占有的角度朝向111、112臂进行内部旋转。当臂111、112的宽度减少时，旋转程度增加。
在磁晶各向异性中的局部变化可以通过下面的方式来理解。
再次参照图2(a)，生长在GaAs衬底15上的Ga0.95Mn0.05As外延层13在(001)平面内压应变，具有应变参数的典型值：
f ≡ ( α GaMnAs - α GaAs ) α GaAs - - - ( 3 )
其中αGaAs和αGaMnAs分别是完全松弛的GaAs以及(Ga，Mn)As的立方体的晶格参数。使用上面的公式(3)以及αGaAs和αGaMnAs的值，f≈0.2-0.3。
随着(Ga，Mn)As材料沿着条11在沟槽9中被去除，晶格能在横向方向松弛并且相应的延长可以被粗略地估计为ft/w～0.01，其中t为(Ga，Mn)As膜的厚度，在这种情况下为25nm，以及w为条宽。
在定量水平上，在微条中的晶格松弛的强度能够使用用于实际样本几何学的数值弹性理论模拟来获得。对于包括Ga0.95Mn0.05As外延层13的整个晶片，考虑弹性常数的GaAs值。
参照图5，示出了器件11(图2(a))的[1-10]条112的晶格松弛强度的数值模拟。
图5(a)示出了沿着生长方向[001]轴的相对于整个松弛的立方GaAs的晶格参数的应变分量，即：
e[001]≡(α[001]-αGaAs)/αGaAs  (4)
由于应变分量对于f线性比例缩放，因而e[001]/f能被绘出。
图5(a)至图5(d)示出了生长导致的晶格匹配应变。因为(Ga，Mn)As晶格的平面内压缩，因此弹性介质通过在生长方向扩展晶格参数而作出反应，和αGaAs相比，即e[001]/f＞1。
在外延层13的平面内，晶格能够仅仅在垂直于微条方向的方向上松弛。再次关于GaAs而计算出的相应的应变分量，在图5(b)中对于器件11的整个横截面绘出，在图5(c)和5(d)中，沿着通过[001]-[110]平面的不同的横截面绘出。而在条的中心，平面内松弛相对较弱，即，晶格参数保持类似于GaAs衬底15，晶格在靠近条11的边缘强烈地松弛。在(Ga，Mn)As条的整个横截面进行平均，发现相对的平面内的晶格松弛为百分之几百，即与通过ft/w表达式估计的相同的量级。下面描述的微观磁晶能量计算确定这些表面上的小晶格畸变能够说明被观察到的在强自旋轨道耦合(Ga，Mn)As中的易轴旋转。
依赖于整个能量的磁化角度的微观计算，基于将GaAs晶核价带(hostvalence band)的六带k.p描述和耦合到局部MnGad5力矩的动力学交换模型结合起来。该理论非常适用于对在价带顶部中的自旋轨道耦合现象的描述，如在常见的GaAs晶核(host)中的那样，通过As子晶格的p-轨道，支配价带的谱组成以及相关的对称性。k.p模型也提供了直接的手段来说明在(Ga，Mn)As带结构上的晶格应变的效应。在上面的宏观模拟中，我们假定在(Ga，Mn)As中的弹性常数具有和在GaAs中的相同的值。这个理论，其没有使用可调整的自由参数，解释了所观察到的在生长于压和张应变下的类似(Ga，Mn)As外延层中的平面内和平面外易磁化方向的变化，并且提供了相应的AMR效应的符号和大小的一致的计算。
对于微条的磁晶能量模型，可以假定对应于在宏观模拟中获得的e[001]平均值的(Ga，Mn)As层中的均一应变。微观计算的输入参数值是和完全松弛的立方(Ga，Mn)As晶格相关的应变分量，在[100]-[010]-[001](x-y-z)坐标系统中，其通过下式被给出：
e ij = e xx e xy 0 e yx e yy 0 0 0 e zz = e [ 110 ] / 2 - f ± e [ 110 ] / 2 0 ± e [ 110 ] / 2 e [ 110 ] / 2 - f 0 0 0 e [ 001 ] / 2 - f - - - ( 5 )
其中±分别相应于[110]条和[110]条。
图6(a)示出了其它“L”形器件15和L′形器件8的[110]和[110]条中的易轴方向。箭头16表示图案导致的晶格松弛的方向和强度。
在图6(b)中，计算出的磁晶能量作为平面内磁化角的一个函数被绘出，其中f＝0.3，exy的范围从0(没有平面内晶格松弛)到对于[110]条(exy＞0)和[110]条(exy＜0)的预期的典型值。特别地，对于零剪切应变(黑线)，对于与沿着[110]轴的晶格延伸对应的exy＝0.004，...，0.02％，以及对于与沿着[110]轴的晶格延伸对应的exy＝-0.004，...，-0.02％，能量被绘制成平面内磁化角度的函数。易磁化轴位于exy＝0，0.02％和-0.02％。破坏微观磁晶能量轮廓的[110]-[110]对称性的晶格变形，通过沿着[110]条[110]轴(底部菱形)以及沿着[110]条[110]轴(右部菱形)延伸的菱形的单位晶胞示出。
与实验一致，exy＝0的在[100]和[010]的最小值，对于沿着[110]方向的晶格扩展(exy＞0)，朝[110]方向移动，并且对于沿着[110]方向的晶格扩展(exy＜0)，朝[110]方向移动。在两个条中的实验的易轴旋转之间的不对称性归因于[110]单轴分量已经存在于块体材料中，其微观起源未知，但是能通过固有的(不是由微图案形成导致的)应变exy bulk～+0.01％来建模。
刚刚描述的器件使用通过对条纹的微图案形成而导致的共有的应变松弛，该条纹来自具有平面内磁各向异性、并在压应变下生长的GaMnAs。另一方面，从张应变的具有垂直磁各向异性的GaMnAs形成图案的配线，通过减少它们的晶格常数进行松弛。在这种情况下，和张应变的GaMnAs块体层相比，形成微图形减弱了垂直的磁各向异性。
铁磁金属还展示了对于局部应变的磁晶各向异性的灵敏依赖性。平衡晶格的任何畸变都改变了局部各向异性。在超薄膜中，应变通过在表面上的生长导致。因此，和GaMnAs类似，在GaAs[001]衬底上外延生长的钴(Co)或者铁(Fe)的超薄层表现了块体的立方磁各向异性以及源于界面的单轴贡献。
由于电荷载流子密度变化而引起的磁各向异性
图7示出了对于8×1020cm-3的第一载流子密度p，以及6×1020cm-3的第二载流子密度p，在e0＝-0.2％的压应变下，沿着[110]的晶格变形(扩展)exy＝-0.02％，生长在GaAs[001]上的横向应变的Ga0.96Mn0.04As的磁晶能量的轮廓图。第一和第二箭头17，18分别表示了第一和第二载流子密度的易轴方向。
如在图7中所示，载流子密度的变化产生应变的GaMnAs的磁各向异性的变化。尽管改变在高掺杂的(～1020-1021cm-3)块体半导体中的载流子密度可能因为较短的屏蔽长度而难以实现，但是显著的载流子密度的变化可以在充分地(电学地)隔离的纳米结构中实现。
与上面那些在图6(b)中所示的相类似的理论计算表示了在载流子密度上的磁各向异性的灵敏的依赖性。如图7所示，在载流子浓度上～25％的减少，从～[110]至[110]的结晶方向改变了易轴大约90°。
现在将描述本发明的进一步的实施例，其实现了电场导致的磁各向异性的变化。其包括在应变的铁磁半导体中改变电荷载流子密度，在不均一应变的铁磁半导体系统中偏移最大载流子浓度的中心，以及通过给铁磁层附加压电层或者通过采用铁磁材料自身的(例如可能在GaMnAs(其具有和传统掺杂GaAs类似的压电特性)中的)压电特性来改变铁磁层中的应变。
进一步的磁电阻器件
现在将描述根据本发明的磁电阻器件的进一步的实施例。
首先，将描述磁电阻器件，其中电场脉冲的施加导致在铁磁区中的电荷载流子密度的变化，其接着导致了磁各向异性的变化，这使得磁化开始进动。
参照图8(a)和8(b)，示出了第一和第二磁电阻器件211，212。第二器件212是第一器件211的变型。
每一个器件211，212包括在应变下的铁磁区22(这里也称作铁磁“岛”)。在这些例子中，铁磁区22包括铁磁半导体，例如(Ga，Mn)As。然而，也可以使用不同的铁磁半导体。
通过使用电容性耦合到铁磁区22的栅23施加短电场脉冲可以改变或者有助于改变铁磁区22的磁化方向。施加电场脉冲导致了在铁磁区22中的电荷载流子密度的变化，其接着导致了磁各向异性的变化，这使得磁化开始进动。铁磁区22可以足够的小，使得其表现在一个给定的操作温度例如4.2°K下的充电效应。例如，铁磁区22可以具有1或10nm的量级的尺寸(层厚度和模向直径)。然而，铁磁区22可以更大一点，例如具有100nm，1μm或更高量级的尺寸。
铁磁岛22布置于第一和第二引线24，25之间，并且通过相应的隧道势垒26、27弱耦合到引线24，25。在一些实施例中，可以存在超过一个的铁磁材料的岛，例如排列成链。
使用向栅23施加电压脉冲29的脉冲产生器28来触发磁化的重定向。
定向的方向能通过不同的方式来测量。
例如，在第一器件211中，磁化方向可以通过使用电压源30和电流检测器31测量隧道各向异性磁电阻(TAMR)来确定。如果第一和/或第二引线24、25是铁磁的，那么磁化方向能够通过使用电压源30和电流检测器31测量隧道磁电阻(TMR)来确定。在任一情形中，测量包括施加电压以驱动电流并测量电流。
在第二器件212中，磁化方向能够通过使用电压源30和电流检测器31测量TMR来确定。然而，在第一引线24和第三引线32之间施加偏压并且在第一引线24和第三引线32之间测量电流，该第三引线连接到受钉扎的铁磁区33，该铁磁区33通过隧道势垒34与铁磁岛22分离。将认识到可以使用不同的测量配置。
参照图9，更详细地示出了第一器件211。
第一器件211具有伸长的导电通道36，栅23配置在通道36侧，即具有侧栅配置形式。通道36和侧栅23通过沟槽分离形成在(Ga，Mn)As的图案层37中。AlAs的层38将通道36和侧栅23与GaAs衬底39电隔离。通道36包括布置在更宽的部分之间的窄缩(constriction)40，所述更宽的部分提供引线24、25向窄缩40。
(Ga，Mn)As层37包括2％的Mn，即，Ga0.98Mn0.02As，尽管因为表面氧化而导致有效厚度可以大约为3nm，但其具有5nm的厚度，。窄缩40有30nm宽以及30nm长。通道36有2μm宽。通道36和栅23分开大约30nm。
在窄缩40的区域中，因为无序而产生的潜在的波动产生了至少一个导电岛22以及至少一对隧道势垒26、27，该隧道势垒将岛22弱耦合到引线24，25和/或邻近的岛22。
参照图10(a)至10(c)，将描述第一器件221的特性。
图10(a)是通道电导相对于栅电压和平面内平行于电流的磁场的灰度级图。虚线41强调临界的重定向场Bc，其依赖于栅偏压。该临界重定向场Bc从VG＝-1V时的大约40mT减少到VG＝+1V时的少于20mT。
假定一个盘形的岛22，使用充电能量的实验获取值能够评估大约10nm的有效盘直径。因此，大约40个锰的受体出现在岛22上。如果对应于载流子密度大约40％的减少VG从-1V变化到+1V，则观察到大约16个库仑(Coulomb)振荡。临界重定向场Bc从VG＝-1V时的大约50mT下降到VG＝+1V时的少于20mT。
图10(b)是库仑阻塞振荡图，其中B0＝0时，岛22保持磁化M0；以及在B0＝-100mT，岛22在VG＝-1和1V的栅电压范围内保持饱和磁化M1。在中间场B0＝-35mT的电导测量显示了在大约-0.5V的临界栅电压下从M0到M1的转变。
图10(c)是示出临界重定向场Bc在VG＝-1V和VG＝+1V之间相对于栅偏压VG的依赖性的图。其表示幅值VG≥2.5V的栅电压脉冲能够在B0＝0时触发磁场转变。能认识到，如果使用不同的器件结构和/或材料，那么类似的图可以获得并且用于求出触发磁场转变所需的偏压。
如图11(a)和11(b)所示的，第二器件212是第一器件211的变型。
器件212可以如下形成：在(Ga，Mn)As层(未示出)之前的GaAs衬底39上生长AlAs层38′，对(Ga，Mn)As形成图案以形成包括受钉扎层32和单块形式的第三电极33的下层的电极结构42，接着在已形成图案的衬底上生长另一层AlAs 43和另一层(Ga，Mn)As，并且对另一层(Ga，Mn)As形成图案以形成通道37′和栅23。
位于上面的电极结构可以代替下层的电极结构而被使用。例如，形成电极的AlAs层和(Ga，Mn)As层可以在通道和栅已经形成并且形成图案以形成包括受钉扎层和第三电极的电极结构之后再进行生长。可替代的，薄的栅电介质，例如SixNy，以及铁磁材料，例如Co可以被淀积并使用剥离或干法刻蚀来形成图案。
参照图12，示出了第一和第二器件211和212的读写周期。
如将要在随后以更详细地解释的那样，器件211，212能够表现出4种状态M1，M2，M3，M4。然而，器件211，212能够表现出更少的状态，例如仅仅是反平行的两种状态，或者是更多的状态，例如通过利用平面内双轴各向异性以及垂直单轴各向异性的6个状态。此外，即使器件211，212能够表现例如4种状态M1，M2，M3，M4，但是仍然依赖于例如源极和/或漏区域是否是铁磁的，所有的状态是否能分辨，或者可替代的，一些状态是否是不能分辨的。
在下面，两种类型的写脉冲将被描述，其造成了铁磁岛22的磁化44，对于一种类型的脉冲(所谓的“t180”脉冲)，用于在两种状态间转变，而另一种类型的脉冲(所谓的“t90”脉冲)，用于在四个状态中的两个“相邻的”状态间进行转变。
注意，图12所示的磁化44的图没有表示磁化能量，但是仅仅表示了不同的状态。在一些实施例中，它们可以表示0°，90°，180°，270°的角度相关性。
在下面，所谓的“来回切换(toggle)”转变被描述，由此反复地施加“t180”脉冲29使得磁化44在两个状态之间“来回切换”，例如表示“0”和“1”的M1和M3。然而，“t90”脉冲29反复地使得磁化45累渐地(progressively)从一个状态“旋转”到一个相邻的状态。
为了将数据写到器件211，212，例如，通过在“0”和“1”状态之间进行转变或者反之，电压脉冲29被施加给栅23。
脉冲29具有持续时间t180，其是进动周期tprecess的一半。进动周期tprecess通过下式给出：
t precess = 1 / f precess = 1 γ 2 π B A
其中γ是回转磁常数，BA是各向异性磁场并且可以包括例如在样本、晶粒、畴壁或其它类型的边界由磁化的散度所产生的去磁场，并且导致形状各向异性。在这个例子中，tprecess大约1ns。tprecess的值可以典型地处于100ps到10ns(对于100mT到1mT的Ba)的范围。
电压脉冲的大小|VG|具有1或10V的量级。
如先前所解释的，能够施加外部磁场以帮助稳定磁化或促进进动。该外部磁场可以通过永磁铁(未示出)或者通过导电导轨(未示出)来提供，并且优选地具有和各向异性场相同量级但是更小的大小，例如1至100mT的量级。
在一些实施例中，通过将磁化44定向在特定的方向，外部磁场和/或自旋转移转矩电流可以被用于写特定的状态(与在状态之间的来回切换相对)。在这里，这被称为“直接写”。
在磁电阻器件受钉扎和自由铁磁层被绝缘层分隔的实施例中，通过施加电场脉冲以及同时或随后施加自旋转移转矩(STT)电流脉冲，可以实现磁化的重定向。对于“随后”，我们是说在一定时间周期之内，即在电场脉冲施加之后，磁化仍然进行着进动并且还没有衰减。典型地，该时间周期在0和5ns之间。
为了从器件211、212读出数据，偏压脉冲45施加在器件211、212的源极24和漏极25之间并且测量电流31，i。电流的大小依赖于器件的隧道各向异性磁电阻(TAMR)和/或隧道磁电阻(TMR)，而其又依赖于铁磁区22的表示为“0”和“1”状态的磁化44的方向。
如先前所解释的，通过测量例如AMR，TAMR以及CBAMR的各向异性的磁电阻效应，或者通过测量在引线32和基准(例如地)之间的由沿着垂直平面的易磁化轴的各状态的反常霍耳效应引起的横向霍耳电压，两个以上状态的方向可以被确定。
参照图13a、13b和13c，第一器件211的制造将被描述。
参照图13a，通过低温分子束外延(LT-MBE)，并参见R.P.Campion，K.W.Edmonds，L.X.Zhao，K.Y.Wang，C.T.Foxon，B.L.Gallagher以及C.R.Staddon的“High-quality GaMnAs films grown with arsenic dimers”，Journal of Crystal Growth，第247卷，第42页(2003)，器件211在GaAs衬底39上的AlAs 38缓冲层上从沿着[001]晶轴生长的超薄(5nm)的Ga0.98Mn0.02As外延层37制造。
因为GaMnAs层对于在光学光刻中使用的碱性显影剂的高反应性，霍耳条14使用电子束光刻来定义，该电子束光刻使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)抗蚀剂，该抗蚀剂在25℃以1∶3的甲基异丙酮/异丙醇混合物使用超声进行显影。
通过使用1μm厚的抗蚀剂(未示出)以及～250nm的电子流直径进行剥离，形成分别具有20nm和60nm厚度的热蒸发，高电子对比Cr/Au记录标记(未示出)的图案。在蒸发之前，在10％的HCl溶液中30s的浸渍被使用，以帮助金属的粘附而不过度损坏GaMnAs。
一个～200nm厚的抗蚀剂层(未示出)被施加到Ga0.98Mn0.02As外延层37的表面S上。使用具有～15nm流直径和～5pA电流的电子束(未示出)并通过在记录标记附近在芯片上聚焦，定义精细的特征。通过在～1nA的～250nm的束，在相同的抗蚀剂上定义不太重要的区域(未示出)。高分辨率区域被配置得尽可能地小，以最小化写时间和图案漂移。
参照图13(b)，抗蚀剂被显影以留下已形成图案的抗蚀剂层M，作为刻蚀掩模。
参照图13(c)，反应离子刻蚀(RIE)被用于沟槽隔离。希望和GaMnAs的高传导性比较起来，任何RIE相关的传导性消弱最小。在RIE室(未示出)中的压力为20mTorr，并具有SiCl4和Ar的20sccm流以提供所需的适合于去除GaAs和锰的物理和化学刻蚀反应的混和。以100W的10-15s的典型刻蚀产生具有20-30nm深度的沟槽T，安全地通过GaMnAs层。
Cr/Au(20nm/300nm)结合垫被热蒸发，之前在HCl溶液中粘附浸渍。结合垫形成了对于GaMnAs层的低阻抗的电触点并且不需要单独的欧姆接触金属化(ohmic metallisation)。
在这个例子里，器件被配置在沿着[110]方向取向的霍耳条布局里，其具有2μm宽的通道以及三对在窄缩的任意一侧间隔10μm的具有500nm宽度的霍耳传感器端子。然而，其它的配置也能使用。
修改在上文中描述的制造处理以制造第二器件212。
具有更厚的例如25nm厚的GaMnAs层的不同的初始层被使用。该层结构使用电子束光刻及RIE来形成图案，以便形成下层的电极结构44(图11(a))。接着，另一个AlAs层(具有3nm的厚度)和GaMnAs层如前所述的通过LT-MBE生长。形成该结构的图案，以便用与第一器件211类似的方式定义通道。
可以采用技术来最小化形成下层电极结构44(图11(a))的图案以及生长AlAs和GaMnAs层之间的污染。例如，下层电极结构44(图11(a))可以紧接在初始层结构的生长之后，马上使用离子束抛光(ion-beam milling)来形成图案，接着生长另外的层，而不破坏真空。
参照图8(c)，示出了第三磁电阻器件213。
第三磁电阻器件213是具有位于第一和第二引线24，25之间的铁磁区22的两端子器件，该器件通过隧道势垒26弱耦合到引线24之一以及通过可调的势垒35弱耦合到另一引线25，该势垒35由半导体铁磁区22以及引线25形成的耗尽区来提供。
在这个例子中，铁磁区22包括例如Ga(Mn，As)的p型的半导体，并且引线25包括例如掺杂Si的GaAs的n型半导体，因此可调的势垒35是一个反向偏压的p-n结。然而，引线可以是金属的，因此可调的势垒35可以是肖特基势垒。
特别参照图14(a)和14(b)，更详细地示出了第三器件213。
器件213包括从衬底48直立起来的柱47。柱47包括：GaAs的层25，其掺杂到1-10×1018cm-3量级的浓度，并且该层25具有(未蚀刻的)200nm的厚度；p型Ga0.98Mn0.02As层22，其具有大约为5nm的厚度；AlAs层26，其具有25nm的厚度；以及具有大约为10nm厚度的Au层。
器件从在GaAs衬底(未示出)上生长的层结构(未示出)制造，该层结构依次包括200nm厚的n型GaAs层(未示出)，5nm厚的Ga0.98Mn0.02As层，以及25nm厚的AlAs层。Ga0.98Mn0.02As通过低温分子束外延(LT-MBE)而生长。
电子束光刻以及热蒸发被用于在层结构(未示出)的表面上定义金(Au)垫，该垫具有10nm量级的厚度，并且SiCl4/ArRIE被用于定义柱47。
为了接触柱47的顶部，柱可以使用例如聚酰亚胺并且沉积金接触垫来平滑。
非磁欧姆接触被用于接触衬底。
参照图14，示出了第三器件213的读写周期。
类似于先前描述的第一和第二器件211，212，第三器件213能够表现出四种状态M1，M2，M3，M4。
第三器件213的不同之处在于电压脉冲29的极性确定它是写还是读脉冲。
为了将数据写到器件213上，负电压脉冲29被施加给与和另一个引线25相关的固定隧道势垒临近的引线24，以便于反转偏压p-n结35并且增加耗尽区的宽度以增加耗尽，以及改变在铁磁区22中的载流子密度或载流子密度分布，从而导致进动。如先前所解释的，脉冲的持续时间可以用来在两个状态之间或两个以上的状态之间进行转变，换句话说使用t90和t180脉冲。
为了读出数据，正偏压脉冲30被施加到与和另一个引线25相关的固定隧道势垒临近的引线24，并且测量依赖于电流46，i的磁化方向。
现在将参照图16(a)、16(b)和16(c)，描述磁电阻器件51，其中电场脉冲的施加造成在不均一应变铁磁半导体中的最大载流子浓度的移动，其又造成磁各向异性的改变并且因此起动了磁化的进动。
器件51包括霍耳条52，其通常是细长的，具有大约为1μm的宽度w以及大约为20μm的长度l。霍耳条52具有第一和第二端引线53、54和成对配置在条52的相对侧的第一、第二、第三和第四侧引线55、56、57、58。霍耳条52夹在下层和上层电极59、60之间，在下文中分别称为“底部”和“顶部”电极。
如图所示，脉冲发生器61被用于在顶部和底部电极59、60之间施加电压脉冲62。电流源63被用于通过霍耳条52，在第一和第二端引线53、54之间施加读取电流iread。第一和第二电压计64、65测量在第一和第二侧引线55、56之间的偏压以及在第二和第四侧引线56、58之间的偏压，以分别确定纵向和横向的各向异性磁电阻(AMR)。在第二和第三侧引线56、57之间测量的偏压也能被用于测量反常霍耳效应(AHE)阻抗。
AMR测量能被用于分辨两个状态，其中在VG＝V0(例如V0＝0)时表示为双轴平面内各向异性的铁磁层中，磁化以小于180°(例如90°)的角度进行旋转。
AHE测量能被用于分辨在VG＝V0时具有垂直各向异性的系统中的上下状态。
特别参照图16(b)和16(c)，霍耳条52形成在铟镓砷化物(In0.05Ga0.95As)衬底66上，其作为底部电极59。霍耳条52包括位于InGaAs衬底66上的由AlAs形成的基部势垒层67，分级InGaMnAs形成的非均一应变铁磁层68以及AlAs形成的顶部势垒层69。顶部栅电极60由Al形成。
在铁磁层68中的晶格常数可控制地变化以在层68内产生非均一应变。In0.03Ga0.97As的晶格常数比Ga0.95Mn0.05As的晶格常数要大，因此在In0.03Ga0.97As上随后生长的Ga0.95Mn0.05As是张应变。进一步地，铟再次被引入以形成InGaMnAs。铟的浓度增加直到InGaMnAs的晶格常数变得比InGaAs衬底的晶格常数要大以获得压应变。
器件51从晶片70制造，该器件包括铟镓砷化物(InyGa1-yAs)衬底66′(y＝5％)，具有～20nm厚度的铝砷化物(AlAs)层67′，铟镓锰砷化物(InzGa1-x-zMnxAs)分级层68′，其包括GaMnAs 681′的基层并具有～10nm的厚度。
参照图17，Ga1-xMnxAs层681′在AlAs层67′的顶部在张应变下外延生长，其又在InyGa1-yAs衬底66′上生长。在这个例子中，锰的浓度为5％，即x＝0.05，铟的浓度从z＝0增加到10％。
InyGa1-yAs衬底66′的更宽的晶格常数被传送给引入张应变的Ga1-xMnxAs层681′。在InzGa1-x-zMnxAs 68′的进一步的生长中，铟被引入以通过形成四元合金InGaMnAs来进一步增加晶格常数。铟浓度[In]随着从层681的基底71的距离d的增加而增加。
可以使用不同的应变分布图。例如，代替在铁磁层68中应变从更接近于衬底的拉伸变化为进一步远离衬底的压缩，应变可以从压缩变化为拉伸。这可以通过从具有代替了InyGa1-yAs衬底的镓砷化物(GaAs)衬底的晶片来制造器件，并通过引入代替铟(In)的磷(P)以形成镓锰磷砷化物(Ga1-xMnxPzAs1-z)分级层来实现。晶格常数随着磷浓度的增加而降低。
参照图18，应变也能通过改变铁磁层68的形状来改变。例如，可以使铁磁层68的宽度在层68具有宽度w1的基底71处较窄，并使得在具有宽度w2＞w1的进一步远离基底71处较宽。因此，与层68的较厚的上部部分相比，晶格在层68的较薄的下部部分更为松弛。铁磁区68可以均匀掺杂。
参照图19(a)和19(b)，通过在两个栅59、60之间施加栅脉冲62，产生电场72，其移动电荷载流子73(这里仅示出了空穴，即多数载流子)并且改变在下部张应变的区域74和在上部压应变的区域75中的载流子浓度。特别是，脉冲将载流子73从下部张应变的区域74带到上部压应变的区域75，以增加在上部压应变的区域75中的电荷载流子密度。
下面的表2标识了对于应变和载流子浓度的磁各向异性的方向：
表2
  张应变   压应变
  高载流子浓度   平面外   平面内
  低载流子浓度   平面内   平面外
磁层68的磁各向异性76从垂直于层68的平面(即，沿着轴78)的第一位置的方向771变化到沿着层68平面(例如沿着轴79)定向的第二方向772。因此，有效的各向异性场BA旋转90°。这导致了磁化80开始进动并且对于π/2脉冲以90度角重定向。
如随后将更详细地解释的那样，施加另一个相同的脉冲62导致有效的各向异性场BA再次旋转90°，因此磁化继续进动另一个90°。因此，有效的各向异性场BA再一次沿着平面外轴77定向，但是磁化朝向第三方向773，其反平行于第一方向771。尽管这样，第一和第三状态(即，当磁化80以第一和第三方向771、773取向时)的磁电阻是相同的。如先前所解释的，这是因为，只有当它们不共线时，AMR测量才能够分辨出初始和最后的磁化状态。AHE测量能够分辨出垂直于平面的两个相反的磁化方向。TMR测量能够分辨出相对于固定参考层的平行和反平行的方向。
读写周期类似于在先前描述的图12中示出的那样。然而，在读周期中，替代施加源-漏偏压以及测量电流，通过器件驱动电流并且测量在引线55、56、57、58之间产生的电势差。
器件51通过使用类似于先前描述的制造第一器件211的技术的技术来制造。例如，层结构案以与先前所述类似的方式生长并且使用电子束光刻和RIE来形成图案。
现在将参照图20(a)和20(b)描述第四磁电阻器件81，其中应变脉冲的施加导致磁各向异性的变化并且因此开始磁化的进动。
器件81包括配置在压电层83上的堆叠的层结构82，其具有第一和第二接触引线84、85。第一和第二触点86、87被用于提供与层结构82的电接触。
堆叠的层结构82具有大约为1μm的宽度W以及大约为1μm的长度L。
如图所示，脉冲发生器88被用于在压电接触引线86、87之间施加电压脉冲89。电压源90被用于在触点86、87之间施加偏压，电流计91被用于测量通过堆叠的层结构82的电流。
特别参照图20(b)，堆叠的层结构82在镓砷化物(GaAs)衬底92上形成，该衬底通过胶93被配置在压电应激源(stressor)83上。压电应激源由锆钛酸铅(PZT)形成。
堆叠的层结构82包括具有(非铁磁性的)n+-GaAs的底部接触层94；含有Ga0.98Mn0.02As、具有相对低矫顽力、并且厚度为5nm的铁磁层95(也就是“自由层”)；含有铝砷化物(AlAs)、具有25nm厚度的隧道势垒层96；含有Ga0.98Mn0.02As、具有相对高矫顽力、并且厚度为50nm的的铁磁层97(也就是“受钉扎”层)以及含有(非铁磁性的)金的顶部接触层98。
可以使用其它的配置和其它的材料。例如，压电应激源83可以和衬底92整体形成。例如，GaAs沿[110]轴是压电的。
能认识到第四器件81的铁磁层不需要是半导体，而可以是金属的并且可以包括，例如像Fe、Ni、Co的铁磁金属或者金属合金FePt、CoPt、CoPd或者其它合适的过渡金属/贵金属合金的材料。
读写周期类似于在先前描述的图13中示出的那样。
可以不必使用堆叠的层结构。作为替代，可以使用例如类似于图9所示的“平面内”传输结构。例如，图9所示的结构可以配置在压电应激源83上。
现在将参照图21(a)和21(b)描述第五磁电阻器件101，其中应变和电脉冲的施加导致磁各向异性的变化并且因此开始磁化的进动。
器件101包括十字形台面102，其限定铁磁材料的通道103，通道103在这种情况下是在GaAs层104中嵌入的Ga0.98Mn0.02As的δ掺杂层，并且由衬底105支撑。第一、第二、第三和第四触点106、107、108、109提供与通道103的末端的接触，并且表面顶部栅110被用于控制磁各向异性。衬底104被配置在压电层111上，该压电层111具有第一和第二出触点112、113，其被用于在压电层111内产生电场向铁磁通道103预加应力。
通道103的每一个臂具有大约2μm的宽度以及大约为20μm的长度。
如图所示，第一脉冲发生器114被用于在压电接触引线112、113之间施加电压脉冲115以向通道103预加应力。第二脉冲发生器116被用于向表面栅110电压脉冲117以导致磁各向异性的进动。
电压源118被用于在第一和第二触点106、107之间施加偏压119，并且电流计120被用于测量在第三和第四触点108、109之间流动的电流121。
特别参照图20(b)，衬底104通过胶层122被配置在压电层111上。
读写周期类似于在先前描述的图12中示出的那样。然而，如在图22中所示出的那样，电压脉冲115在t180或t90脉冲期间被施加。
在上述实施例中，向器件写入数据和从器件读出数据基于将器件视为它仅仅具有两个状态并且因此每个器件仅存储一位信息。然而，利用双轴平面内各向异性以及单轴垂直平面各向异性，使用脉冲和反相(inverted)脉冲的两种类型的组合，可以获得6种剩余的磁化方向，从而进行2位以上的编码(即，ln 6/ln2≈2.6，对应于6种不同的状态)。
参照图23，铁磁层22、68、95、103表示出了6种剩余的磁化方向131、132、133、134、135、136。
铁磁层22、68、95、103能在两种状态下被操作，即双轴平面内磁各向异性状态和垂直各向异性状态，在双轴平面内磁各向异性状态中，相对于零直流偏压偏移(即VG＝V0)，施加两种类型的偏压脉冲；在垂直各向异性状态中，施加反向偏压脉冲，即相对于非零直流偏压偏移(即VG＝VC)施加偏压脉冲。
在VG＝V0时，被具有不同脉冲长度的快速栅电压脉冲所触发的进动转变，在层平面内沿着两个双轴易轴在四个剩余的状态131、132、133、134之间旋转磁化向量。
参照图24，一方面，相邻的磁化方向131、132、133、134可以使用造成90°旋转的栅脉冲29、62、91从第一、第二、第三和第四磁化方向131、132、133、134中的另一个获得。这种类型的脉冲这里被称作为“p90°脉冲”或“t90脉冲”。
另一方面，相邻的磁化方向131、132、133、134可以使用造成270°旋转的栅脉冲(未示出)从第一、第二、第三和第四磁化方向131、132、133、134中的另一个获得。这些脉冲在下文中被称作为“p270°脉冲”或“t270脉冲”。
第一、第二、第三和第四磁化方向131、132、133、134也可以使用造成180°旋转的栅脉冲138从共线的方向131、132、133、134中获得，这些脉冲在下文中被称作为“p180°脉冲”或“t180脉冲”。因此，第一磁化方向131可以使用p180°脉冲138从第三磁化方向133获得。
通过采用损耗衰减的“绝热的”磁化重定向，获得在双轴平面内以及单轴垂直平面的各向异性状态之间的变化。例如，在栅偏压已经从V0变化到VC后，磁化向量M开始绕着更改后的各向异性磁场BA(VC)进动，并且损耗衰减导致磁化向量朝向更改后的各向异性磁场BA(VC)盘旋。磁化向量M最终(在热波动内)以对应于更改后的各向异性的易轴之一取向。
状态的变化通过栅偏压步进变化139、140来获得，其在下文中分别被称作“p衰减脉冲”或“反相的p衰减脉冲”。
第五和第六磁化方向135、136能够通过使用造成180°旋转的栅脉冲141而获得。然而，脉冲141反相于p180°脉冲108，并且在下文中被称作为“反相的p180°脉冲”。
参照图25(a)和25(b)，示出了施加p90°脉冲137以及反相的p180°脉冲141的效果。
图25(a)说明了VG＝V0时的在双轴平面内各向异性状态中的进动90°转变。如图所示，磁各向异性在VG＝VC时在栅电压脉冲137期间，从平面内变化到垂直于平面并且在磁化向量M已经完成了90°的旋转后变回到V0。
图25(b)示出了在垂直于平面各向异性状态中反相脉冲触发了180°翻转。
AHE测量能够分辨出沿着垂直于平面方向的两种单轴磁化状态，AMR的横向和纵向测量能够明确地分辨出在平面内的4种双轴的磁化状态。
将认识到，对上文中所述的实施例可以作出许多修改。例如，铁磁层可以具有不同的厚度，例如在5和20nm之间。器件可以基于电子或空穴转移来操作。可以使用掩蔽层来保护GaMnAs层。磁电阻器件能够具有多层结构，例如磁隧道结或者自旋阀。

Claims (20)

1、一种操作磁电阻器件的方法，该器件包括：铁磁区，被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变；以及电容性耦合到该铁磁区的栅，该方法包括：
向铁磁区施加电场脉冲，从而使得磁各向异性的方向发生变化，以便在第一和第二方向之间转变磁化。
2、根据权利要求1的方法，包括：
专门地向铁磁区施加电场脉冲，从而使得铁磁区的磁化在第一和第二方向之间转变。
3、根据权利要求1的方法，包括：
配置铁磁区的磁化以在第一和第二方向之间进行转变而不施加磁场脉冲。
4、根据权利要求1的方法，其中该器件进一步包括相邻于铁磁区延伸的用于产生磁场脉冲的导电路径，该方法进一步包括：
向铁磁区施加磁场脉冲，同时施加电场脉冲以增强有效的磁场方向的变化，该有效的磁场包括各向异性场以及施加的磁场，从而在第一和第二方向之间转变磁化。
5、根据权利要求4的方法，包括：
在施加磁场脉冲的前沿之前施加电场脉冲的前沿。
6、根据权利要求1的方法，其中该器件进一步包括另一个铁磁区，其具有比铁磁层更高的矫顽力，并且通过隧道势垒层从铁磁层隔开，该方法进一步包括：
当施加电场脉冲时，施加流经铁磁区的自旋转移电流脉冲，从而在第一和第二方向之间转变磁化。
7、根据权利要求6的方法，包括：
在施加自旋转移电流脉冲的前沿之前施加电场脉冲的前沿。
8、根据前述权利要求中任一项的方法，其中铁磁区包括具有非均匀应变分布的铁磁半导体，并且该方法包括：
施加具有足够大小的电场脉冲以相时于非均匀应变分布改变电荷载流子的分布。
9、根据权利要求8的方法，其中非均匀应变分布包括压应变区和张应变区。
10、根据权利要求8的方法，其中铁磁半导体包括(Ga，Mn)As。
11、根据权利要求1的方法，包括：
施加持续时间为t的电场脉冲，该持续时间是tprecess的四分之一的倍数，tprecess为：
t precess = 1 / f precess = 1 γ 2 π B A
其中γ是回转磁常数，
Figure A2008101287870003C2
以及BA是铁磁半导体的各向异性磁场。
12、根据权利要求11的方法，包括施加具有在0和5ns之间的持续时间t的脉冲。
13、根据权利要求1的方法，进一步包括：
独立于施加电场脉冲，向铁磁区施加磁场，从而帮助铁磁区在第一和第二方向之间的磁化转变。
14、根据权利要求1的方法，进一步包括：
向铁磁区施加应力，并且当施加应力时，施加电场脉冲。
15、一种操作磁电阻器件的方法，该器件包括铁磁区，其被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变，该方法包括：
向铁磁区施加应力脉冲，从而导致磁各向异性的方向发生变化以便在第一和第二方向之间转变磁化。
16、根据权利要求15的方法，其中该器件包括机械耦合到铁磁区的压电区，并且其中施加应力脉冲包括在压电区上施加电压脉冲。
17、根据权利要求15或16的方法，进一步包括：
向铁磁区施加电场脉冲，同时向铁磁区施加应力脉冲。
18、一种设备包括：
磁电阻器件，包括铁磁区，其被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变；以及
电路，被配置为根据前述的任意一个权利要求来操作该器件。
19、一种磁电阻器件，包括：
铁磁区，被配置为表现磁各向异性以及使得其磁化能够在至少第一和第二方向之间进行转变；
响应于第一电输入向铁磁区施加应力的部件；以及
响应于第二电输入向铁磁区施加电场的部件。
20、根据权利要求19的磁电阻器件，其中施加应力的部件包括耦合到铁磁区的压电区，并且施加电场的部件包括至少一个栅电极。
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