CN101896976A - 基于电流感应自旋动量转移的高速低功率磁性装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种使用自旋极化电流来控制并切换用于存储器单元的磁性装置中的磁性区域的磁化方向和/或螺旋性的高速低功率的方法。该磁性装置包括具有固定磁螺旋性和/或磁化方向的参考磁层及具有可变磁螺旋性的自由磁层。所述固定磁层和所述自由磁层优选地被非磁层分开，并且所述参考层包括垂直于参考层的易磁化轴。可以向装置施加电流以感生力矩，该力矩改变装置的磁状态，使得其可以充当用于写入信息的磁性存储器。测量取决于装置的磁状态的电阻以从而读出存储在装置中的信息。

Description

基于电流感应自旋动量转移的高速低功率磁性装置
本专利申请要求2007年10月31日提交的美国专利申请No.11/932,745的优先权，其内容通过引用整体地结合到本文中。
本发明是根据由国家科学基金授予的题为“Nanoscale Spin TransferDevices and Materials”的合同No.NSF-DMR-0405620和题为“Noise-Induced Escape in Multistable Systems”的合同No.NSF-PHY-0351964和NSF-PHY-0601179、及由国防部海军研究所授予的题为“Gate Controlled Ferromagnetism in SemiconductorNanostructures”的合同No.ONR N0014-02-1-0995，通过政府支持作出的。政府具有本发明中的某些权利。
技术领域
本发明总体上涉及在存储器和信息处理应用中使用的磁性装置，诸如巨磁致电阻(GMR)装置。更具体而言，本发明描述了一种高速低功率方法，通过该方法，可以使用自旋极化电流来控制和切换此类装置中的磁性区域的磁化和/或螺旋性。
背景技术
使用自旋极化电子流的磁性装置对于磁性存储器和信息处理应用而言是感兴趣的。此类装置一般包括被诸如金属或绝缘体的非磁性材料分开的至少两个铁磁电极。电极的厚度通常在1nm至50nm范围内。如果非磁性材料是金属，则将这类装置称为巨磁致电阻或自旋阀装置。装置的电阻取决于磁性电极的相对磁化取向，诸如其是平行还是反平行地取向(即，磁化落在平行线上但指向相反方向)。一个电极通常使其磁化被钉扎，即，其比其它电极具有更高的矫顽力并需要更大的磁场或自旋极化电流来改变其磁化的取向。第二层称为自由电极且其磁化方向可以相对于前者改变。信息可以被存储在此第二层的取向中。例如，可以用层的反平行对准来表示“1”或“0”并用平行对准来表示“0”或“1”。对于这两种状态而言，装置电阻将是不同的，因此可以使用装置电阻将“1”与“0”区别开。此类装置的重要特征是其为非易失性存储器，因为该装置即使在电源断开时也保持信息，类似于磁性硬盘驱动器。磁体电极的横向尺寸可以是亚微米的，且磁化方向相对于热波动仍可以是稳定的。
在传统磁性随机存取存储器(MRAM)设计中，使用磁场来切换自由电极的磁化方向。使用磁性电极附近的载流线产生这些磁场。因为存储装置由密集的MRAM单元阵列组成，所以导线的横截面必须小。在来自导线的磁场产生长距离磁场时(磁场仅与距导线中心的距离相反地衰减)，在阵列的元素之间将存在串扰，并且一个装置将经受来自其它装置的磁场。此串扰将限制存储器的密度和/或在存储器操作中引起错误。此外，由此类导线产生的磁场在电极的位置处仅限于约0.1特斯拉，这导致装置操作缓慢。重要的是，传统存储器设计还使用随机过程或波动场来触发切换事件，这本来就慢且不可靠(参见例如R.H.Koch et al.，Phys.Rev.Lett.84，5419(2000))。
在美国专利No.5,695,864和多个其它公开中(例如，J.Slonckewski，Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159，L1(1996))，JohnSlonckewski描述了一种机制，通过该机制，可以使用自旋极化电流来直接改变磁性电极的磁性取向。在所提出的机制中，流动电子的自旋角动量与磁性区域的背景磁化直接相互作用。运动电子将其自旋角动量的一部分转移到背景磁化并在此区域中的磁化上产生力矩。此力矩可以改变此区域的磁化方向并切换其磁化方向。此外，此相互作用是局部的，因为其仅作用在电流流过的区域上。然而，所提出的机制纯粹是理论上的。
Slonckewski的专利描述了将自旋动量转移用于磁性切换的MRAM装置。然而，所提出的装置是缓慢的并依赖于波动磁场和随机过程以触发磁化切换。此外，需要大的电流密度以切换装置。在描述其“锁存器或逻辑门”的优选实施例时，Slonckewski说到“......3个磁体F1、F2、和F3的优选轴如上文所讨论的那样全部是“垂直的”(即，沿着同一方向或取向)。可以使用其它取向，只要其平行于同一轴即可。”如我们在下文所述，我们的装置利用不平行于同一轴的层的磁化，大大有利于速度、可靠性、和功率消耗。
授予Jonathan Sun的美国专利No.6,256,223也描述了使用电流感应磁性切换的装置并在实验中演示此类装置的操作。然而，所提出的装置是不可靠的，因为在装置特性方面几乎不存在一致性。此外，对于大电流密度下的操作，磁性切换的估计时间尺度是50纳秒。
需要在自旋极化电流的作用下展示出高速且可靠的操作的装置。其包括以较低功率操作并具有用于切换磁化取向的较低阈值电流的装置。
发明内容
鉴于与使用自旋动量转移的装置的传统设计相关的限制，本发明的目的是提供一种对于磁性存储器或磁性信息处理装置而言最佳的结构。
本发明的另一目的是制造一种在操作速度方面具有优势的磁性装置。
本发明的另一目的是制造一种在可靠性方面具有优势的磁性装置。
本发明的另一目的是制造一种需要较低功率进行操作的磁性装置。
本发明的另一目的是制造一种在存储信息的稳定性方面具有优势的磁性装置。
本发明的另一目的是制造一种具有大读出信号的磁性装置。
本发明的这些和其它目的由采用磁层的装置实现，该所述磁层中，层磁化方向不沿着同一轴。例如，在一个实施例中，两个磁性区域具有正交的磁化。
本发明是包括电流可以流过的铁磁和非磁层的磁性装置。该磁性装置包括具有固定磁化方向的铁磁层和通过非磁性区域与第一铁磁层分开的另一铁磁层，所述非磁性区域具有可响应于施加的电流自由旋转的磁化。又通过非磁层与其它铁磁层分开的第三铁磁层具有固定的磁化方向且可以用来读出自由铁磁层的磁化方向。铁磁层的磁化方向并不是全部沿着同一轴。在一个优选实施例中，第一固定铁磁层的磁化方向垂直于该层的表面，而自由铁磁层的磁化在该层的平面中。如上所述，层之间的电流流动将自旋角动量从固定磁化层转移到自由磁化层并在自由层的磁化上产生力矩。该力矩垂直于固定和自由层的磁化方向的矢量三重积，具有取决于电流和电流的自旋极化的比例因数。当固定和自由层的磁化方向正交时，产生大的力矩。
作用于自由磁层的磁化方向上的该大力矩促使自由磁层的磁化旋转到层的平面之外。由于自由磁层的厚度小于宽度和长度尺寸，所以自由磁层的磁化旋转到层的平面之外产生大的磁场，即“退磁”场，其垂直于该层的平面。
此退磁场迫使自由磁层的磁化矢量产生进动，即，使磁化方向绕退磁磁场的方向旋转。该退磁场还确定进动的速率。大的退磁场导致高进动速率，这是快速磁性切换的最佳条件。此磁性装置的优点是不需要随机波动力或场来触发或控制层的磁响应。
本发明的另一方面提供一种磁性装置，其包括具有固定磁螺旋性和/或固定磁化方向的参考磁层、带有具有可变磁化螺旋性的至少一个磁化矢量的自由磁层、和在空间上将所述自由磁层与所述参考磁层分开的非磁层。可以使用电流感应自旋动量转移来改变自由磁层的磁化螺旋性。在一个优选实施例中，所述装置具有基本上为环状的结构，所述参考磁层包括基本上垂直于参考层的易磁化轴和垂直于所述参考层的平面的固定磁化。或者，所述参考层包括基本上垂直于所述参考层的易磁化轴和绕所述环状结构基本上为顺时针或逆时针的磁螺旋性。
附图说明
通过本发明的说明性实施例的以下详细说明和附图，将更容易清楚本发明的前述及其它特征，其中，相同的附图标记在图中自始至终指示类似元件，并且在附图中：
图1是根据本发明的磁性装置的图示；
图2A～2E是自由磁层的图示，其示出在如图3A所示施加电流脉冲期间的图1的电子装置的磁化矢量和退磁场；
图3A是可以施加于磁性装置的电流波形的图示；
图3B是可以施加于磁性装置的交流波形的图示；
图4是根据本发明的一个实施例的存储器单元的图示；
图5A～5E是自由磁层的图示，其示出图4的存储器单元的磁化矢量和退磁场；
图6A是在写操作期间可以施加于图4的存储器单元的电流波形的图示；
图6B是在图6A所示的电流脉冲施加前后在读出操作期间从存储器单元测量的电阻的图示；
图7是4状态存储器单元的自由磁层的图示；
图8是施加于磁性装置的电流波形的示例的图示；
图9是图8所示的电流脉冲施加期间和之后的自由磁层的磁化分量的图示；
图10是根据本发明的一个实施例的存储器单元的图示，其中，在写操作期间，无净电流流过自由磁层；
图11是根据本发明的环形磁性装置的图示；
图12是根据本发明的一个实施例的环形存储器单元的图示，以及
图13是根据本发明的另一实施例的环形存储器单元的图示，其中，提供了单独的读和写触点。
具体实施方式
基本磁性装置的结构
为了说明基本概念，图1示出多层柱状磁性装置，其包括具有固定磁化方向的钉扎磁层FM1和具有自由磁化方向的自由磁层FM2。
Figure GPA00001155202900051
是钉扎磁层FM1的磁化矢量，而
Figure GPA00001155202900052
是自由磁层FM2的磁化矢量。钉扎磁层FM1充当自旋角动量的源。
钉扎磁层FM1和自由磁层FM2被第一非磁层N1分开，该第一非磁层N1在空间上将两个层FM1和FM2分开，使得其相互的磁相互作用最小化。所述柱状磁性装置的尺寸通常以纳米为单位，例如，其可以横向地小于约200nm。
自由磁层FM2本质上是掩埋在柱状磁性装置中的磁性薄膜元件，其具有两个附加层-钉扎磁层FM1和非磁层N1。层厚度通常约为1nm至50nm。
可以通过许多不同手段将这些柱状磁性装置制造成层的堆叠序列，所述手段包括溅射、通过亚微米蜡纸掩模的热和电子束蒸发。还可以通过使用溅射、热和电子束蒸发形成多层膜而将这些磁性装置制造成堆叠序列，接着进行减成纳米制造工艺(substractive nanofabricationprocess)，所述减成纳米制造工艺去除材料而在衬底表面上留下柱状磁性装置，所述材料诸如其它半导体或绝缘晶片的硅的材料。
用于铁磁层的材料包括(但不限于)Fe、Co、Ni、和这些元素的合金，诸如Ni1-xFex；这些铁磁金属与非磁性金属的合金，所述非磁性金属诸如Cu、Pd、Pt、NiMnSb，在其组成中，材料在室温下以铁磁方式排序；导电材料；以及诸如CrO2和Fe3O4的导电磁性氧化物。对于非磁层，材料包括(但不限于)Cu、Cr、Au、Ag、和Al。对非磁层的主要要求是在短长度尺度上不存在电子自旋方向的分散，所述短长度尺度大约小于所述层厚度。
电流源被连接到钉扎磁层FM1和自由磁层FM2，因此电流I可以横穿柱状装置。
磁性切换的方法
向柱状磁性装置施加电流I，以便电流I流过装置的各个层，从钉扎磁层FM1到第一非磁层N1到自由磁层FM2。所施加的电流I引起角动量从钉扎磁层FM1转移到自由磁层FM2。如上所述，角动量从一个磁性区域到另一个磁性区域的转移可以产生力矩。
图2A～2E示出使用图1所示的磁性装置的磁性切换的方法中的步骤，并且为方便起见，图2A～2E仅示出自由磁层FM2和自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900061
。图2A示出施加电流I之前的自由磁层FM2的初始状态。
如图2B～2D所示，施加电流I(其可以是如图3A和3B所示的形式)导致角动量从钉扎磁层FM1到自由磁层FM2的转移。角动量从钉扎磁层FM1到自由磁层FM2的此转移在自由磁层FM2的磁矩上产生力矩
Figure GPA00001155202900062
自由层的相对于单位磁化的力矩
Figure GPA00001155202900063
与矢量三重积成比例，其中，
Figure GPA00001155202900065
是沿自由磁层FM2的磁矩方向的单位矢量，而
Figure GPA00001155202900066
是沿钉扎磁层FM1的磁矩方向的单位矢量。前因子αl取决于电流I、电流I的自旋极化P、和自由磁层与钉扎磁层之间的角度的余弦cos(θ)，使得
Figure GPA00001155202900067
Figure GPA00001155202900068
是约化普朗克常数，g是自旋极化P和cos(θ)的函数，M是自由层的磁化密度，e是电子电荷，且V是自由层的体积(参见J.Slonczewski，Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159，L1(1996))。因此，当钉扎磁层FM1和自由磁层FM2的磁矩垂直时，产生大的力矩
Figure GPA00001155202900071
作用于自由磁层FM2的磁矩的该力矩
Figure GPA00001155202900072
导致自由磁层FM2的磁化旋转到该层的平面之外。由于自由磁层FM2的厚度小于自由磁层FM2的宽度和长度尺寸，所以自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900073
旋转到该层的表面之外产生大的磁场，即“退磁”场，其垂直于该层的平面。
此退磁场迫使自由磁层FM2的磁化矢量产生进动，即，移动，使得磁化方向绕着磁场轴旋转。该退磁场还决定进动的速率。大的退磁场导致极高的进动速率，这是快速磁性切换的最佳条件。
因此，在用于快速磁性切换的磁性存储装置的最佳配置中，钉扎磁层FM1的磁矩垂直于自由磁层FM2的平面，且自由磁层FM2的磁矩垂直于薄层的柱的轴并处于自由磁层FM2的平面中。
图2E示出磁性切换过程完成之后的自由磁层FM2。如图2A和2E所示，磁性切换过程促使自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900075
通过旋转180°使方向反转而进行切换。
图3A和3B示出可以施加于磁性装置的两种不同形式的电流输入。图3A所示的电流输入包括具有短持续时间的两个电流脉冲，第一正电流脉冲，后面是第二负电流脉冲。这种形式的电流输入导致写入“1”或“0”。或者，第一电流脉冲可以是负的且第二电流脉冲可以是正的，只要两个电流脉冲具有相反的极性即可。在两种情况下，磁位的状态将从“1”变成“0”或从“0”变成“1”(即，最终状态将是位的初始状态的互补)。图3A所示的电流输入在上文所述和图2A～2E所示的磁性切换的方法中使用。使用由两个电流脉冲形成的电流输入导致更快的磁性切换过程。
第一电流脉冲开始自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900076
的进动。在第一电流脉冲完成之后，施加第二电流脉冲以使进动在期望状态下停止。
第二电流脉冲对于装置的操作不是必不可少的，但其使得能够实现更高速度的切换。例如，图3B所示的电流输入包括单个正电流脉冲。或者，还可以向磁性装置施加单个负电流脉冲。模拟显示许多不同类型的电流脉冲切换FM2。因此，装置操作当然不限于图3所示的电流脉冲。
存储器单元的结构
可以将上述磁性装置结合到用于包含在存储器单元阵列中的存储器单元中以构成磁性存储器。根据图4所示的一个实施例，本发明的磁性装置在被实现为存储器单元时是多层柱状装置，其包括具有固定磁化方向的钉扎磁层FM1、具有自由磁化方向的自由磁层FM2、和具有固定磁化方向的读出磁层FM3的。
Figure GPA00001155202900081
是钉扎磁层FM1的磁化矢量，
Figure GPA00001155202900082
是自由磁层FM2的磁化矢量，而
Figure GPA00001155202900083
是读出磁层FM3磁化矢量。
钉扎磁层FM1和自由磁层FM2被第一非磁层N1分开，所述第一非磁层在空间上将两个层FM1和FM2分开，使得其相互的磁相互作用最小化。自由磁层FM2和读出磁层FM3被第二非磁层N2分开，所述第二非磁层N2在空间上将两个层FM2和FM3分开，使得其相互的磁相互作用最小化。所述柱状磁性装置的尺寸通常以纳米为单位，例如，其可以小于约200nm。
电流源被连接到钉扎磁层FM1和读出磁层FM3，从而电流I可以穿过柱装置。伏特计被连接到钉扎磁层FM1和读出磁层FM3，从而可以测量磁性装置的电阻以读取存储器单元的逻辑内容。
用于写入信息的方法
当信息被写入存储器单元时，使用磁性切换过程。为了将逻辑信息位存储在存储器单元中，以两种可能的取向中的一种设置存储器单元内部的磁化矢量的磁化方向以对“0”和“1”的逻辑值进行编码。此磁性装置在被实现为存储器单元时使用先前描述的磁性切换的方法以便存储信息位。施加电流脉冲以改变磁性装置中的逻辑值。上文所述和图4所示的磁性存储器存储一位信息，因为自由磁层FM2具有单一磁化矢量
Figure GPA00001155202900084
，其具有两个稳定的磁状态。
向柱状磁性存储装置施加电流I，使得电流I流过磁性存储装置的各个层，从钉扎磁层FM1到读出磁层FM3。所施加的电流I引起角动量从钉扎磁层FM1到自由磁层FM2的转移。
图5A～5E示出使用图4所示的磁性存储装置写入信息的方法中的步骤，并且为方便起见，图5A～5E仅示出自由磁层FM2和自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900085
。图5A示出施加电流I之前的自由磁层FM2的初始状态。
如图5B～5D所示，施加电流I(其可以具有如图3A和3B所示的形式)导致角动量从钉扎磁层FM1到自由磁层FM2的转移。图2A～2E和5A～5E示出由于向磁性装置施加电流而引起的自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900091
的取向变化。
图6A示出施加于图4所示的磁性存储装置的一种形式的电流输入。图6A的电流输入包括具有短持续时间的两个电流脉冲，第一正电流脉冲，后面是第二负电流脉冲，其导致写入“1”或“0”。或者，第一电流脉冲可以是负的而第二电流脉冲可以是正的，只要两个电流脉冲具有相反的极性即可。在两种情况下，磁位的状态将从“1”变成“0”或从“0”变成“1”(即，最终状态将是位的初始状态的互补)。
第一电流脉冲开始自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900092
的进动。在第一电流脉冲完成之后，施加第二电流脉冲以使进动在期望状态下停止。对于本发明的磁性存储装置的该实施例，进动在自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900093
的180°旋转旋转实现时停止。
图6B示出施加小电流(即，比在电流脉冲中使用的电流强度小得多的电流强度)时由连接到图4所示磁性存储装置的伏特计测量的装置的相应电阻的示例。该电阻在向装置施加图6A的电流脉冲之后增大。在图5A所示的初始状态下(在第一正电流脉冲之前)，电阻处于恒定低值。在图5E所示的最终状态下，该电阻处于恒定高值。
因此，图5A和5E所示的状态分别对应于初始状态下的逻辑值“0”和最终状态下的逻辑值“1”。图5E所示的处于最终状态的自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900094
沿着与图5a所示的处于初始状态的自由磁层FM2的磁化矢量相反的方向。
可以通过使用微磁学等式、即包括先前讨论的自旋转移力矩的Landau-Lifzshitz Gilbert等式(参见例如B.Oezyilmaz et al.Phys.Rev.Lett.91，067203(2003))的数值模拟来估计电流脉冲的必要幅值。针对包括Co的自由层，具有M ＝1400emu/cm3的磁化密度、0.01的吉尔伯特阻尼参数α、0.4的电流的自旋极化P、和1000kOe的平面内单轴各向异性场。(在这种情况下，平面内单轴各向异性常数K是K ＝7×105erg/cm3。)出于此估计的目的，Co自由层为3nm厚并具有60nm×60nm的横向尺寸。我们发现幅值为5mA的电流脉冲对切换层而言绰绰有余。通过减小Co自由层的尺寸；例如通过使用具有较高程度的自旋极化的定制层来增加电流的自旋极化；以及减小平面内各向异性或减小吉尔伯特阻尼来减小切换装置所需的电流。对于此电流幅值，35psec的脉冲足以切换装置。
在5欧姆的装置电阻的情况下，能量耗散为5×10-15J。当最初使定轧层和自由层磁化沿着同一轴对准时，可以将此能量耗散值与用自旋极化电流切换磁性装置所需的能量进行比较。最近的实验显示在具有5欧姆的电阻的装置中需要施加约10mA的电流达到约10ns(参见R.H.Koch et al.Phys.Rev.Lett.92，088302(2004))。因此，耗散的能量是5×10-12J。因此，相比之下，我们的装置的功率要求相当小。此外，由于脉冲仅仅非常短暂地接通，所以尽管有1A/μm2的大的电流密度，仍不可能发生电迁移。此外，我们已在此值的5倍大的电流密度下操作此类装置达到更长时段(约1分钟)而没有损坏装置(参见Oezyilmaz et al.Phys.Rev.Lett.91，067203(2003))。
用于读取信息的方法
在磁性存储装置的最简单实施方式中要求有读出磁层FM3。读出磁层FM3具有磁化矢量
Figure GPA00001155202900101
，其具有固定磁化方向。可以以许多方式来固定读出磁层FM3的磁化矢量
Figure GPA00001155202900102
。例如，读出磁层FM3可以被形成为较厚或由较高各向异性磁性材料形成，或者可以邻近反铁磁层设置以使用交换偏置(exchange biasing)的现象。在交换偏置的现象中，反铁磁层和铁磁层之间的耦合以及反铁磁层的大的磁各向异性导致铁磁层的硬化，从而需要较大的磁场和电流来改变其磁化方向。
磁性存储装置的电阻对自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900103
和读出磁层FM3的磁化矢量的相对取向非常敏感。当自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900105
和读出磁层FM3的磁化矢量
Figure GPA00001155202900106
分别处于反平行对准状态时，磁性存储装置的电阻最高。当自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900107
和读出磁层FM3的磁化矢量
Figure GPA00001155202900108
分别处于平行对准状态时，磁性装置的电阻最低。因此，简单的电阻测量可以确定自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900109
的取向。
读出磁层FM3的磁化矢量
Figure GPA000011552029001010
的固定取向被设置为使得其根据自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA000011552029001011
的取向而与自由磁层FM2的磁化矢量平行或反平行对准。由于自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900111
的取向切换，使得其可以旋转180°，所以自由磁层FM2和读出层FM3各自的磁化矢量
Figure GPA00001155202900112
和
Figure GPA00001155202900113
必须平行或反平行对准。
多位信息的存储
上文所述和图4所示的磁性存储装置具有两个稳定的磁状态且能够存储一位信息。根据本发明的另一实施例，可以将磁存储装置构造为存储多位信息。图7示出具有四个稳定的磁状态的自由磁层FM2的示例。包括具有四个稳定的磁状态的自由磁层FM2的磁性存储装置能够存储两位信息。在该实施例中，施加电流脉冲以使磁化在相差90°而不是180°的方向之间切换。这可以由不同形式的电流脉冲来实现。例如，该电流脉冲可以幅值较小和/或持续时间较短。然后，使读出层(FM3)对准，使得四个磁化状态中的每一个具有不同的电阻。这要求读出层磁化不具有指向平行于四个状态中的任何一个的平面内分量，也不与这些状态成45°。
实例
使用包括自旋转移力矩的Landau-Lifzshitz吉尔伯特等式来模拟磁性装置的操作。
图8示出在初始时间t＝0开始并在t＝30皮秒终止的、施加于磁性存储装置的电流输入的幅值。此电流输入与图3A和6A所示的电流输入类似地包括两个电流脉冲。
向磁性存储装置施加16皮秒的正电流脉冲以开始自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900114
的进动。在此16皮秒电流脉冲之后，向磁性存储装置施加14皮秒的负电流脉冲以使自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900115
的进动停止以实现磁化矢量
Figure GPA00001155202900116
的期望状态。对于磁性存储装置，进动在实现自由磁层FM2的磁化矢量的180°旋转之后停止。
图9示出沿图2B和5B所示的x和y方向的自由磁层FM2的磁化矢量
Figure GPA00001155202900117
的磁化分量mX和mY。在图8所示的电流输入的施加期间和之后测量磁化分量mX和mY。图9显示自由磁层FM2的磁化矢量从对应于图5A的初始状态反转180°到达对应于图5E的最终状态。磁化分量(mX，mY)能够如本发明所示地在(-1，0)至(1，0)之间切换。
优点
本发明的高速低功率磁性装置仅将能量用于读写操作或逻辑操作。在被激励时，在没有显著损耗的情况下存储信息。因此，本发明的磁性装置在被实现为存储器单元时可以用作非易失性存储器。
由本发明的磁性装置提供的非易失性存储器适合于许多应用，例如用在计算机和便携式电子装置中。特别地，本发明的高速低功率磁性装置提供多个优点。本发明的高速低功率磁性装置的性能与闪速存储器和诸如传统磁性RAM(MRAM)和铁电RAM(FRAM)的非易失性随机存储器(RAM)相比是有利的。
电流感应力矩仅作用于被激励、即向其施加电流的磁性装置。因此，当诸如在磁性存储器中那样将多个磁性装置布置成阵列时，电流感应自旋转移不产生阵列中的相邻元素之间的寄生相互作用(“串扰”)，这不同于其中通过使用由磁性元件附近的小电流承载导线产生的磁场来实现磁性切换的传统磁性存储器。
由本发明提供的通过电流感应力矩进行磁性切换的方法比使用磁场来切换层的磁化方向的当前传统方法更快。可以以亚纳秒的时间尺度来完成本发明的读出和写入操作。与本发明的磁性存储器相比，传统磁性硬盘驱动器非常慢，因为传统硬盘驱动器具有数量级为毫秒的数据存取时间。
由本发明提供的通过电流感应力矩进行磁性切换的方法需要低功率。这对在便携式电子装置中的使用而言尤其有利。
因为本发明的磁性装置的横向尺寸可以小于约200nm，因此由本发明提供的通过电流感应力矩进行磁性切换的方法对于亚微米尺度的装置而言是理想的。因此，将本发明缩放以允许制造超高密度存储器单元，从而可以将大量信息存储在由本发明提供的磁性存储器中。
本发明的高速低功率磁性装置的基本架构是简单的，并且读出和写操作是可靠的且对温度变化较不敏感。不同于传统磁性存储装置，本发明不依赖于随机过程或波动场来触发切换事件。
根据本发明的一个实施例，可以将多位信息存储在每个装置上，从而可以将更多信息存储在磁性存储器中。
由本发明提供的通过电流感应力矩进行磁性切换的方法可以用于逻辑运算，以及用于磁性存储装置。由于对于电流脉冲存在取决于电流脉冲的形状、幅值和周期的阈值以产生磁化变化，所以可以将电流输入组合以产生逻辑函数，诸如“与”门。例如，可以将两个电流脉冲组合以产生穿过装置的电流脉冲，其是两个电流脉冲的和。可以将脉冲特性(形状、幅值和周期)选择为使得每个脉冲不单独地切换装置，而是组合脉冲切换装置。因此，其为“与”运算。“非”运算仅仅要求切换装置的状态。可以将“非”和“与”运算组合以产生“与非”函数，其为通用数字逻辑门(即，所有数字逻辑函数都可以由与非门构成。)
存在由本发明提供的多种可能的几何结构和层配置。例如，可以将本发明的磁性装置的实施例配置为使得在写操作期间无净电流通过自由磁层FM2。这在图10中示出，图10示出包括电流源A、电流源B和层I2的本发明的实施例，层I2是例如由Al2O3制成的薄绝缘层。在此装置中，层I2为0.5至3nm厚且足够薄，从而使得电子通过量子力学隧道效应穿过该层。
在图10所示的装置中，用电流源A来施加电流脉冲以改变自由磁层FM2的磁化方向。使用电流源A，电流从FM1流到非磁层N1且电子自旋角动量通过非磁层N1与自由磁层FM2之间的界面处的电子反射转移到自由磁层FM2。使用电流源B来执行装置读出。当来自B的小电流在自由磁层FM2与读出层FM3之间通过时，测量电压。此电压将取决于层FM2和FM3的相对磁化方向，使得可以确定自由磁层FM2的磁化方向从而读出装置。此装置的优点在于读出信号大，因为隧道结电阻可以是大的(1欧姆至100千欧)。读出信号可以在10mV至1V范围内。
环形磁性装置的结构
在图11中示出具有封闭周期性结构的柱状磁性装置1100。磁性装置1100包括自由磁层1110、非磁层1120、和参考磁层1130。参考层1130优选地具有固定磁螺旋性1135、具有处于预定角度(例如垂直于层的平面)的固定方向的磁矢量、或固定磁螺旋性1135和具有处于预定角度的固定方向的磁矢量两者。自由磁层1110优选地具有自由磁化螺旋性1115。参考层1130优选地充当自旋角动量的源。自由层1110和参考层1130优选地被非磁层1120分开。
参考层1130优选地在磁性上比自由层1110硬并优选地具有定义明确的磁状态。可以例如通过使用比自由层厚的层或具有比自由层1110的材料更大的磁各向异性的材料(诸如钴、FePt或FePd的L10相、或钴和镍的分层结构)来实现此性质。或者，可以通过到诸如IrMn或FeMn的薄反铁磁层的交换耦合来实现期望的硬度。
非磁层1120优选地在跨越非磁层1120的自旋输运期间保存参考磁层1130的自旋动量。因此，在非磁层1120中使用的材料的自旋扩散长度优选地比非磁层1120的厚度长。满足期望性质的材料的示例包括任何贵金属(例如，Cu、Ag、Au)。非磁层还可以是诸如Al2O3或MgO的绝缘体。对于足够薄的绝缘层，自旋输运将通过电子隧道效应发生，从而形成磁性隧道结。
自由磁层1110优选地包括具有大的交换长度的软磁材料，诸如透磁合金、钴、镍、铁、和那些材料的合金。另外，包括诸如铜的非磁性元素的合金可以有利地减小层的磁矩。或者，自由磁层可以包括诸如CrO2或Fe3O4的磁氧化物。
如图11所示，磁性装置1100的每个层优选地是环状的(即，环形)。环形形状可以使可能充当磁性成核点的边缘或尖角的数目最小化，所述边缘或尖角增大磁螺旋性的反转速率从而降低稳定性。对称环结构是可以用来避免不期望的螺旋性反转的优选形状之一，然而，本发明可以采用由能够提供类似优点的封闭周期结构形成的许多不同形式。装置形状的旋转对称性越低，越有可能某些区域对于磁成核和磁螺旋性的反转而言将是有利的。优选地避免包括提供促进螺旋性反转的强成核点的尖角的几何结构。
典型地，在本领域中已知的装置导致由自由磁层螺旋性1115表示的存储信息的稳定性与改变信息的速度和功率要求之间的折衷。典型地，随着被编程螺旋性的稳定性的增加，改变螺旋性所需的功率也增加。
环形几何结构可以提供非常稳定的磁化取向。另外，环形几何结构的磁化反转机制可以略微取决于超过临界的小尺寸(例如，典型地为几十纳米)的环直径。因此，在与最近使用的几何结构相比时，装置的尺寸可能不是关键因素。因此，环形几何结构能够实现更大范围的使用并降低生产成本。
多个因素在环形的磁化稳定性中起作用。一个因素可以是环形的尺寸。对于给定磁场，存在临界的环形半径，对于该临界的环形半径而言，环形具有等于或大于临界尺寸的半径，该环形的磁化稳定性相对独立于环形尺寸。磁化的稳定性可以随着环形尺寸在临界尺寸以下的减小而快速减小。另外，磁化可能易受热波动和不稳定磁场的施加的影响。
利用这些性质，可以设计环状磁性装置，对于该环状磁性装置而言，装置的磁化在静态工作条件下通常是稳定的，但是可以通过向装置施加电流脉冲来容易地使其改变或反转。具体而言，对于没有施加电流的基本上接近临界尺寸的环形装置而言，可以通过施加电流而容易地使磁螺旋性反转。电流具有提供不稳定场以及有效地改变环形的临界半径值的效果。因此，设计为接近临界尺寸的磁性环形是稳定的，且在正常工作条件下不经历不期望的反转，但可以通过施加相对小的电流来使其反转。
在本发明的另一方面，具有大于或等于临界半径的磁性环形装置可以提供非常稳定的磁化。因此，如果装置的目标不是改变装置的磁化或使其反转，可以在大于临界尺寸的大范围尺寸的只读存储器中容易地采用具有大于临界半径的半径的磁性环。
图12示出被用作磁性存储器元件的磁性环形装置1200。优选地，自由磁层1210具有磁螺旋性1215，其具有至少两个稳定取向-顺时针取向和逆时针取向。参考层1230优选地带有具有处于预定角度的固定方向的磁矢量1236、固定磁螺旋性1235、或具有处于预定角度的方向的固定磁矢量1236和固定磁螺旋性1235两者。优选地，固定磁矢量1236的预定角度基本上垂直于参考层1230的平面。参考磁层1230和自由磁层1210优选地被非磁层1220分开。
可以通过从电流源1270跨越磁性装置1200的各层施加电脉冲来使自由磁层螺旋性的方向改变或反转。来自控制电流源1270的脉冲可以触发自由磁层螺旋性1215的反转。参考磁层1230的自旋动量可以被转移到自由磁层1210，从而改变磁化并引起自由磁层螺旋性1215的反转。沿着跨越装置1200的一个方向的电脉冲可以将自由磁层螺旋性1215设置为沿顺时针方向，且沿相反方向的电脉冲可以将自由磁层螺旋性1215设置为沿逆时针方向。
来自控制电流源1270的电脉冲可以触发自由磁层螺旋性1215的反转。自由磁层螺旋性1215的反转可以在达到第二稳态时停止。然而，来自控制电流源1270的第二电流脉冲可以用来更快地使自由磁层螺旋性1215的反转停止。具有基本上垂直于自由磁层1210的易磁化轴1236(即，铁磁材料中的自发磁化的积极有利方向)的参考层1230可以引起自由磁层螺旋性1215的更快的自旋转移感应反转。
可以使用具有固定磁层螺旋性1268的第二参考层1263来读出自由磁层的螺旋性状态。可以例如通过使用比自由层厚的层或比自由层1210的材料具有更大磁各向异性的材料(诸如钴、FePt或FePd的L10相、或钴和镍的分层结构)来实现固定磁螺旋性。第二参考层1263优选地通过非磁层1266与自由磁层1210分离，非磁层1266可以是薄非磁性金属或绝缘层。在绝缘层的情况下，第二参考层1263和自由磁层1210形成磁性隧道结。如果自由磁层螺旋性1215和第二参考磁层螺旋性1268沿同一方向(即，磁螺旋性均为顺时针方向或均为逆时针方向)，则跨装置1200的电阻通常可以比在自由磁层螺旋性1215和参考磁层螺旋性1235沿相反方向的情况下小，从而将自由磁层1210的两个稳定取向区分开。
图13示出依照本发明的被用作磁性存储器元件的磁性环形装置1300的另一实施例。优选地，自由磁层1310具有自由磁层螺旋性1315的至少两个稳定取向-顺时针取向和逆时针取向。参考层1330优选地带有具有处于预定角度的方向的固定磁矢量1336、固定磁螺旋性1335、或具有处于预定角度的方向的固定磁矢量1336和固定磁螺旋性1335两者。优选地，固定磁矢量1336的预定角度基本上垂直于参考层1330的平面。参考磁层1330和自由磁层1310优选地被非磁层1320分开。
可以通过经由写触点1350和触点1340从控制电流源1370跨越磁性装置1300的各层施加电脉冲来使自由磁层螺旋性的方向改变或反转。来自控制电流源1370的脉冲可以触发自由磁层螺旋性1315的反转。参考磁层1330的自旋动量可以被转移到自由磁层1310，从而改变磁化并引起自由磁层螺旋性1315的反转。沿着跨越装置1300的一个方向的电脉冲可以将自由磁层螺旋性1315设置为沿顺时针方向，而沿相反方向的电脉冲可以将自由磁层螺旋性1315设置为沿逆时针方向。
来自控制电流源1370的电脉冲可以触发自由磁层螺旋性1315的反转。自由磁层螺旋性1315的反转可以在达到第二稳态时停止。然而，来自控制电流源1370的第二电流脉冲可以用来使自由磁层螺旋性1315的反转更快地停止。
具有基本上垂直于自由磁层1310的易磁化轴(即，铁磁材料中的自发磁化的积极有利方向)的参考层1330可以引起自由磁层螺旋性1315的更快的自旋转移感应反转。
电流注入不必是对称的。可以使用电流的局部注入来触发自由磁层螺旋性1315的变化。自旋角动量的转移可以用于利用参考层1330自旋极化的电流使磁化反转成核。层1320是诸如Cu、Ag、Au的自旋保持非磁层或诸如Al2O3或MgO的薄绝缘层。环形中的小的不对称性可以通过自旋动量转移来促进成核和反转。明显不对称性可能降低磁化稳定性，这是不期望的。
可以通过测量跨装置1300的电压或电阻来确定自由磁层螺旋性的状态。如果自由磁层螺旋性1315和参考磁层螺旋性1335沿同一方向(即，磁螺旋性均为顺时针方向或均为逆时针方向)，则跨装置1300的电阻通常可以比在自由磁层螺旋性1315和参考磁层螺旋性1335处于相反方向的情况下小。
当前可用的磁性存储装置通常要求相对高的电流和低的阻抗以写入信息(即，修改装置的磁螺旋性)，而用较小的电流来执行读出，但要求大的读出信号。磁性装置1300的环形几何结构通过实现在装置上的不同位置处进行读和写操作的性能来解决这些矛盾的要求。可以由提供大电流的控制电流源1370和可以与自由磁层1310或参考磁层1330直接接触、因此具有低阻抗的写触点1350来执行写操作。通过可以被设置为与自由磁层1310或参考磁层1330直接接触以完成跨越装置1300的电路的触点1340来完成写操作电路。
可以使用单独的读出电路来执行读操作。读触点1360可以包括具有固定磁化方向或螺旋性1365的磁性触点部分1363和将磁性触点1363与装置1300分开的绝缘部分1366，从而形成与装置1300的磁性隧道结。单独的读出电流源1380可以跨越装置1300提供较小的电流，所述电流通过电压或电阻读出器1390测量。
优选地，装置的厚度约为10至200纳米并具有约0.25至1微米的外径。
典型的多元件磁性装置具有不同元件之间的强静磁相互作用。此相互作用可能难以量化或控制，并因此导致提高装置密度和性能的问题。本发明可以使这些相互作用最小化。另外，该装置避免了磁场散布的问题，这实现了较高速的写入和读出并且减少了由于杂散或场控制不良而引起的误差。
虽然已描述了目前被视为本发明的实施例的内容，但应理解的是可以对其进行各种修改，并且意图在于使所附权利要求涵盖落在本发明的真实精神和范围内的所有此类修改。
磁性隧道结提供了可以用来读取磁性存储器单元状态的非常大的磁致电阻的可能性。磁性隧道结包括被薄绝缘层分开的两个磁层。该绝缘体足够薄，从而使得电子可以通过量子力学隧道效应穿过此层。绝缘体的厚度通常在0.3到3nm之间。
大的磁致电阻将提供大的读出信号。在实验上已经显示可以使用氧化镁(MgO)绝缘隔层来实现非常大的磁致电阻。磁致电阻指的是在层被反平行和平行地磁化的状态之间的电阻的变化百分比。最近已经用MgO绝缘层实现了大于400％的磁致电阻。用氧化铝绝缘层，已实现约30％的磁致电阻。可以证明这些材料中的任一种以及其它绝缘体可用作非磁层N1或N2。
请注意，电流必须在切换过程期间通过绝缘层。其例外情况是在图10中表示的装置，其中，存在到N1的单独电触点。这意味着在存在此电流或等同地在存在电流的情况下在结的两端出现电压的情况下绝缘体不会被损坏。薄绝缘隔层通常在称为电压击穿的损坏之前支持1V/nm电场。切换该结所需的电流不会在结中产生超过绝缘体击穿电场的电场。
装置的钉扎磁层可以包括具有垂直磁各向异性的材料。垂直磁各向异性偏向于使磁化与层的平面垂直地取向。通常使薄磁层在膜平面中磁化。此取向通常是较低能量配置；其减小层的静磁能。为了使磁化与平面垂直地取向，垂直磁各向异性与层的静磁能相比必须足够大。
这可以用许多不同的材料来实现。例如，Fe和Pt、Fe和Pd、Co和Pt、Co和Pd、Co和Au、Co和Ni的合金。这还可以通过在不同磁性材料之间或在磁性材料与非磁性材料之间产生界面来实现。前者的示例是Co和Ni的分层结构，而后者的示例是Co和Au或Co和Pt的分层结构。这些分层材料的优点是其不必是晶体的；多晶层就足够了。
此层用于使电流自旋极化。材料应具有良好的自旋极化效率。使用Pd或Pt的缺点是这些元素通常包括强的自旋分散，这减小了层自旋极化。需要大的层自旋极化以实现高效的装置运行。
自由层的磁化方向响应于电流脉冲而切换。期望的是减小此电流脉冲的幅值以降低装置运行所需的功率。电流要求与层的磁化密度、阻尼和磁各向异性有关。磁化密度和磁各向异性越低，切换所需的电流幅值越低。如果使磁性材料与非磁性材料合金化，则磁体的磁化密度降低。(当然，这仅在一定合金浓度范围内有效。最后，材料将变成非磁性的。)
应注意的是切换电流幅值和切换事件是相互依赖的。例如，较低的磁化密度增加使磁化反转的时间。
可能期望的是增加自由磁层的磁化阻尼以增加装置可靠性。期望增加阻尼将增加用于切换的参数范围。也就是说，对于较大范围的电流脉冲幅值、时间和电流脉冲形状，装置将在各状态之间可再现地切换。
以下参考文献整体地通过引用结合到本文中：[1]S.Yuasa et al，Appled Physics Letters 89，042505(2006)；[2]J-M.L.Beaujour，W.Chen，K.Krycka，C-C.Kao，J.Z.Sun and A.D.Kent，″Ferromagneticresonance study of sputtered Co|Ni multilayers，″The European PhysicalJournal B，DOI：10.1140(2007)；以及[3]J-M.L.Beaujour，A.D.Kentand J.Z.Sun，″Ferromagnetic resonance study of polycrystallineFe_{l-x}V_x alloy thin films″arXiv：0710.2826(2007年10月)

Claims (19)

1.一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；读出磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；以及第二非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述读出磁层分开，其中，所述第二非磁层包括绝缘体。
2.根据权利要求1所述的磁性装置，其中，所述第二非磁层包括绝缘体，该绝缘体足够薄，使得电子能够通过量子力学隧道效应穿过该绝缘体。
3.根据权利要求1所述的磁性装置，其中，所述第二非磁层包括绝缘体，该绝缘体包括氧化镁MgO、氧化铝AlO或氧化硅SiO中的一种或多种，氧与第一元素的比例不必是一比一的比例。
4.根据权利要求1所述的磁性装置，其中，所述第二非磁层包括绝缘体，该绝缘体包括氧化镁MgO，其具有相对于至少一个磁层的外延晶格排列，即相对于参考层或自由磁层的外延晶格排列。
5.一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；其中，所述第一非磁层包括绝缘体。
6.根据权利要求5所述的磁性装置，其中，所述第一非磁层包括绝缘体，该绝缘体足够薄，使得电子可以通过量子力学隧道效应穿过该绝缘体。
7.根据权利要求5所述的磁性装置，其中，所述第一非磁层包括绝缘体，该绝缘体包括氧化镁MgO、氧化铝AlO或氧化硅SiO中的一种或多种，氧与第一元素的比例不必是一比一的比例。
8.根据权利要求5所述的磁性装置，其中，所述第一非磁层包括绝缘体，该绝缘体包括氧化镁MgO，其具有相对于至少一个磁层的外延晶格排列，即相对于参考层或自由磁层的外延晶格排列。
9.一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；并且其中，所述钉扎磁层具有关于磁各向异性的垂直分量。
10.根据权利要求9所述的磁性装置，其中，所述钉扎磁层具有关于磁各向异性的垂直分量，所述垂直分量足以使该磁化与该层垂直地取向。
11.根据权利要求9所述的磁性装置，其中，所述钉扎磁层具有关于磁各向异性的垂直分量，并包括Fe和Pt、Fe和Pd、Co和Pt、Co和Pd、Co和Ni、Co和Au的合金中的一种或多种。
12.根据权利要求9所述的磁性装置，其中，所述钉扎层具有通过不同材料之间的界面实现的关于磁各向异性的垂直分量。
13.根据权利要求12所述的磁性装置，其中，所述界面在包括Co、Ni或Fe或这些元素的合金的不同磁性材料之间。
14.根据权利要求13所述的磁性装置，其中，所述界面在磁性与非磁性材料之间，所述磁性材料包括Co、Ni和Fe、Co和Ni的合金、Co和Fe的合金、Ni和Fe的合金中的一种或多种，并且所述磁性材料包括Cu、Pt、Pd和Au中的一种或多种。
15.一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；并且其中，所述自由磁层包括Co、Ni和Fe及这些元素的合金中的一种或多种，其被进一步与非磁性元素合金化。
16.一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；并且其中，所述自由磁层包括Co、Ni和Fe中的一种或多种并与Ti、V、Cr、Mn或Cu合金化。
17.一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；并且其中，所述自由磁层包括Co、Ni和Fe及这些元素的合金中的一种或多种，其被进一步与增加磁化阻尼的元素合金化。
18.一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；并且其中，所述自由磁层被掺杂Pd或Pt中的一种或多种。
19.一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；并且其中，所述自由磁层被掺杂稀土原子。
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