CN103733261A

CN103733261A - 多比特磁存储单元

Info

Publication number: CN103733261A
Application number: CN201280038080.9A
Authority: CN
Inventors: 亚历山大·葛伯; 阿米尔·西格尔
Original assignee: Ramot at Tel Aviv University Ltd
Current assignee: Ramot at Tel Aviv University Ltd
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2014-04-16
Also published as: KR20140047130A; US9435867B2; WO2013017981A1; EP2740123A4; US20140177328A1; US20160041237A1; EP2740123A1; US9202544B2

Abstract

一种用于储存数据的设备（20），其包括至少第一铁磁薄膜和第二铁磁薄膜（F1,F2）以及传感电路（28）。这两个铁磁薄膜都具有被配置为响应于所储存的数据的垂直磁各向异性，并且被连接以使电流贯穿第一铁磁薄膜和第二铁磁薄膜，并且在其中产生各自的第一异常霍尔电压和第二异常霍尔电压。传感电路被配置成通过测量第一异常霍尔电压和第二异常霍尔电压来读取所储存的数据。

Description

多比特磁存储单元

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年8月2日提交的美国临时专利申请61/514,064的利益，该临时专利申请所公开的内容在此以引用的方式被并入。

发明领域

本申请总体涉及磁存储设备，并且特别涉及在其中使用异常霍尔效应读取磁介质中所储存的数据的存储器设备。

发明背景

已经提出将非易失性磁随机存取存储器（MARM）作为替代传统的动态随机存取存储器（DRAM）和硬盘驱动器的候选存储器。这些存储器设备使用巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）传感技术。目前实现的MRAM设备使用在同一平面磁化或不在同一平面磁化的两个磁层以使GMR和/或TMR中的变化可以被测量。这两个磁层具有彼此平行或彼此不平行的磁定向，这样的磁定向产生四种可能的磁状态，并且对与比特“0”和“1”关联的两种不同的GMR或TMR阻抗进行了升级。

不同的存储单元结构利用铁磁材料中的异常霍尔效应。存储单元含有处理具有被定向成垂直于铁磁层的平面的磁矩的垂直磁各向异性的铁磁层。异常霍尔阻抗出现在铁磁层的第一末端和第二末端之间，所述铁磁层贯穿与铁磁结构的第三末端和第四末端之间的偏置电流通路交叉的路径。这样的磁层具有向上和向下的两个稳定的磁定向，并且对与比特“0”和“1”关联的两种不同的异常霍尔值+RH和-RH进行了升级。在授予A.Gerber的美国专利7,463,447B2（2008）中已经公开了带有增强的RH值的这种类型的磁存储部件，该专利中的公开内容在此以引用的方式被并入。

另一种存储单元结构在比如半导体的低载流子密度材料中使用正常或普通霍尔效应。存储单元含有构成霍尔传感器的十字形状的低载流子密度材料薄膜，在该薄膜上放置了防止电流泄漏的隔离器，并且在该隔离器上布置了一个铁磁点状物或多个铁磁点状物。这些铁磁点状物具有向上和向下的两个稳定的磁定向。铁磁点状物被放置在感应穿过传感器的强磁杂散磁通的位置。低载流子密度薄膜中的正常霍尔阻抗对来自于磁化的铁磁点状物的累积的杂散磁通敏感，并且对与比特“0”和“1”关联的两种不同的正常霍尔值+RH和-RH进行了升级。在授予J.Stephenson、B.Shipley和D.Carothers的美国专利申请公布2008/0205129中已经公开了这种类型的磁存储部件，该专利申请公布所公开的内容在此以引用的方式被并入。

在进一步提高MRAM最终的储存密度的努力中，已经提出了使用处于同一平面和垂直各向异性材料的几个多状态结构和储存方案。由Uemura等人在2007年的IEEE《磁学学报》的第43卷、第2791-2793页的文章“Four-State Magnetoresistance in Epitaxial CoFe-Based Magnetic TunnelJunction”中提出了角度相关的四状态隧道磁阻单元，该文章在此以引用的方式被并入。

由Law等人在2008年的IEEE《磁学学报》的第44卷、第2612-2615页的文章“Magnetoresitance and Switching Properties of Co-Fe/Pd-BasedPerpendicular Anisotropy Single-and Dual-Spin Valves”中提出了四状态双自旋阀GMR储存器，该文章在此以引用的方式被并入。由Yoo等人在2009年的《应用物理学快报》的第95卷、第202505页的文章“Four Discrete HallResistance States in Single-Layer Fe Film for Quaternary Memory Devices”中提出了四状态单层铁薄膜设备，该文章在此以引用的方式被并入。

在授予D.Ravelosona和B.D.Terris的美国专利7,379,321中公开了含有两个分离的铁磁层的存储单元，该专利所公开的内容在此以引用的方式被并入。其公开内容在此以引用的方式被并入的Taguchi等人的美国专利5,361,226，描述了含有通过磁化方向被记录在磁薄膜中的信息的磁薄膜存储设备。该公开声明其中的薄膜适用于在所产生的电压的基础上重新产生所记录的信息，所产生的电压是由于异常霍尔效应所引起的磁化方向变化的结果。

其公开内容在此以引用的方式被并入的Wunderlich的美国专利6,727,537，描述了基于简单的畴壁传播和异常霍尔效应的磁存储设备，并且声明该存储设备包含“垂直于平面的”磁电传导元件。

发明内容

本文描述的本发明的实施方式提供了用于储存数据的设备。所述设备包括至少第一和第二铁磁薄膜以及传感电路。这两个铁磁薄膜都具有响应所存储的数据配置的垂直磁各向异性，并且被连接以使电流贯穿第一和第二铁磁薄膜，并且在其中产生各自的第一和第二异常霍尔电压。传感电路被配置成通过测量第一和第二异常霍尔电压来读取所储存的数据。

在一些实施方式中，第一和第二铁磁薄膜中的每一个都包含至少一个铁磁层。在实施方式中，每个铁磁层都定义了两个存储状态中的一个。在示例实施方式中，第一薄膜包含n1个层，第二薄膜包含n2个层，其中n1和n2是大于0的整数，而存储状态的数目是2ⁿ¹⁺ⁿ²。

在一些实施方式中，所述设备包含被配置成产生电流并且向所述铁磁薄膜提供电流的电流源。在实施方式中，所述设备包含将铁磁薄膜彼此串联的导体，并且所述电流源被配置成施加电流从而贯穿所述铁磁薄膜和所述导体。在可选的实施方式中，所述设备包含将铁磁薄膜彼此并联的导体，所述电流源被配置成产生第一电流并施加第一电流到第一个铁磁薄膜，并且产生第二电流并施加第二电流到第二个铁磁薄膜，而且所述传感电路被配置成测量第一和第二异常霍尔电压的总和。

在另一个实施方式中，所述传感电路被配置成对薄膜运用反向磁场互易性（RMFR）定理，以便测量第一和第二异常霍尔电压。在所公开的实施方式中，所述设备包含磁场产生器，所述磁场产生器被配置成通过施加磁场将数据储存到所述铁磁薄膜中，所述磁场向所述铁磁薄膜中写入表示数据的各个磁状态。

在所公开的实施方式中，磁场产生器被配置成接受用于储存的数据；响应所述数据产生写磁场状态的一个或多个磁场脉冲序列；以及将所述序列施加到铁磁薄膜。在实施方式中，所述磁场产生器被配置成响应所述数据和所述铁磁薄膜各自的切换磁场产生序列。在实施方式中，所述磁场产生器被配置成产生磁场脉冲以沿着所述序列交替改变极性和减小幅度。

在一些实施方式中，所述第一和第二铁磁薄膜位于共同的二维平面中。在可选择的实施方式中，所述第一和第二铁磁薄膜彼此堆叠在一起以构成三维结构。在实施方式中，所述第一和第二铁磁薄膜的特性由各自的不同的切换磁场表征。

还另外提供了根据本发明的实施方式的用于数据储存的方法。所述方法包括：提供至少第一和第二铁磁薄膜，所述第一和第二铁磁薄膜彼此相互连接并且都具有垂直磁各向异性。通过响应于所述数据而对薄膜的垂直磁各向异性的配置，使得电流贯穿所述第一和第二铁磁薄膜并且在其中产生各自的第一和第二异常霍尔电压，来将数据储存在所述第一和第二铁磁薄膜中。通过测量所述第一和第二异常霍尔电压来读取所存储的数据。

还提供了根据本发明的实施方式的包含第一和第二霍尔传感器、导体和处理器的装置。第一霍尔传感器具有第一端子、第二端子、第三端子、以及第四端子。第二霍尔传感器具有第五端子、第六端子、第七端子、以及第八端子。所述导体将第三端子连接到第五端子。所述处理器被配置成测量当经由所述导体将第一电流从第一端子传递到第七端子时的第四端子和第六端子之间的第一电势；测量当经由所述导体将第二电流从第四端子传递到第六端子时的第一端子和第七端子之间的第二电势；以及响应于所述第一和第二电势确定由所述第一和第二霍尔传感器所产生的结果电压。

在一些实施方式中，所述第一和第二霍尔传感器中的至少一个产生正常霍尔电压。在一些实施方式中，所述第一和第二霍尔传感器中的至少一个产生异常霍尔电压。

还提供了根据本发明的实施方式的方法，所述方法包括：提供具有第一端子、第二端子、第三端子、以及第四端子的第一霍尔传感器；以及具有第五端子、第六端子、第七端子、以及第八端子的第二霍尔传感器。第三端子由导体连接到第五端子。当经由所述导体将第一电流从第一端子传递到第七端子的时，对第四端子和第六端子之间的第一电势进行测量。当经由所述导体将第二电流从第四端子传递到第六端子的时，对第一端子和第七端子之间的第二电势进行测量。响应所述第一和第二电势，确定由所述第一和第二霍尔传感器产生的结果电压。

还另外提供了根据本发明的实施方式的用于储存数据的存储单元。所述存储设备包含至少第一和第二铁磁薄膜，所述第一和第二铁磁薄膜都具有响应所储存的数据配置的垂直磁各向异性，并且所述第一和第二铁磁薄膜被连接以使电流贯穿所述第一和第二铁磁薄膜，并且在其中产生各自的第一和第二异常霍尔电压，以致能够通过测量所述第一和第二异常霍尔电压来从所述存储单元读取数据。

根据下面结合附图对其中的实施方式的详细描述，将更全面地理解本发明，在附图中：

附图简要说明

图1是根据本发明的实施方式的存储单元的示意性表示，所述存储单元包括两个铁磁元件F1和F2；在两个元件O-O’之间携带偏置电流的导电连接；以及到两个薄膜的电触点（到薄膜F1的A、B、F和到薄膜F2的电触点C、D、E）。

图2是根据本发明的实施方式的由两个一致的单元F1和F2所产生的作为所施加的磁场H的函数的异常霍尔效应电压的示意性表示。两个单元都分别显示了在切换场Hs1和Hs2具有单阶跃反转的垂直磁各向异性。由两个薄膜显示出的磁饱和状态下的异常霍尔效应电压分别是V_EHE1和V_EHE2。

图3是根据本发明的实施方式的在有作为所施加的磁场的函数的电流流经点A（薄膜F1上）和点D（薄膜F2上）之间时，在点F（薄膜F1上）和点E（薄膜F2上）之间产生的电压的示意性表示。在回到零磁场之后，根据两个单元中的磁化定向，该单元可以显示四个不同的电压。每个电压电平对应不同的存储状态。

图4a是根据本发明的实施方式的在点F（薄膜F1上）和点E（薄膜F2上）之间产生的异常霍尔效应信号减去偏移电压之后的示意性表示。偏移电压的消除是通过减去两个测量值V_AD,FE和V_FE,AD的结果，其中V_AD,FE表示有电流在A和D之间通过时在点F和E之间所测量的电压，而V_FE,AD是有电流在F和E之间通过时在点A和D之间所测量的电压。

图4b是根据本发明的实施方式的在点F（薄膜F1上）和点C（薄膜F2上）之间产生的异常霍尔效应电压减去偏移电压之后的示意性表示。

图5a是根据本发明的实施方式的由三个层构成的磁薄膜的主要磁滞回线的示意性表示，这三个层中的每一层都显示了具有不同切换磁场的垂直磁各向异性和异常霍尔阻抗。

图5b是根据本发明的实施方式的在零磁场显示8个不同的稳定电压的小磁滞回线的示意性表示。

图6a示出了根据本发明的实施方式的两个薄膜的组合，两个薄膜中的一个具有单个层和单阶跃磁化反转，而第二个具有两个层和双阶跃反转。

图6b是根据本发明的实施方式的在多个不同的小回线上和在主要回线上所测量的在点F（薄膜1）和E（薄膜2）之间的EHE电压V_EHE,FE在消除纵向电压V_l之后的示意性表示。

图6c是根据本发明的实施方式的在多个不同的小回线上和在主要回线上所测量的在点F（薄膜1）和C（薄膜2）之间的EHE电压V_EHE,FC在消除纵向电压V_l之后的示意性表示。

图7是根据本发明的实施方式的在施加不同的磁场脉冲序列之后在零磁场显示16个不同的电压状态的两个双层、双阶跃反转薄膜的组合的示意性表示。

图8是根据本发明的实施方式的在施加不同的磁场脉冲序列之后在零磁场显示64个不同的电压状态的两个三层、三阶跃反转薄膜的组合的示意性表示。

图9示出了根据本发明的实施方式的在零磁场显示4个不同的EHE电压状态的由两个单层单阶跃反转薄膜构成的存储单元的试验实现。

图10示出了根据本发明的实施方式的在零磁场显示8个不同的EHE电压状态的由单层单阶跃反转薄膜和双层双阶跃反转薄膜构成的存储单元的试验实现。

图11示出了根据本发明的实施方式的在零磁场显示16个不同的EHE电压状态的由两个双层双阶跃反转薄膜构成的存储单元的试验实现。

图12和13是根据本发明的实施方式的可选择的存储单元的示意视图。

图14是根据本发明的实施方式的示意性地说明存储设备的框图。

具体实施方式

根据本发明的实施方式的存储单元包含显示垂直磁各向异性的两个铁磁薄膜（通常是多层的形式）。在没有外部磁场的情况下，两个薄膜中的磁矩被定向成垂直于所述层的平面，并且能显示对应薄膜内的层的相关的磁化方向的单个磁化强度值或多个磁化强度值。

每个薄膜的特征都可以通过切换场的单个值或通过对应多个磁化组件的多个切换场来确定。因此，从给定方向到相反方向的磁矩的反转通过单个阶跃或通过多个明确定义的阶跃产生。每个铁磁薄膜都可以显示单个异常霍尔阻抗的绝对值或对应给定薄膜的磁化状态组的多个异常霍尔阻抗（异常霍尔效应有时也被称为反常霍尔效应）。

在所公开的实施方式中，偏置电流电路适用于产生在单元的第一薄膜和第二薄膜之间具有偏置通路的偏置电流，以使相同的偏置电流在第一薄膜和第二薄膜中流动。电压传感电路适用于测量单元的两个薄膜之间的电压电平，电压电平随着对应2-薄膜系统的多个磁状态的多个预先确定的异常霍尔阻抗中的每一个的不同而不同。

由一对薄膜所示范说明的离散存储状态的数目N依赖于由薄膜所显示的稳定的磁状态的数目。对于显示单阶跃磁化反转和切换场与异常霍尔阻抗不同值的两个薄膜，存储状态的数目是4。对于显示二阶跃磁化反转和各个切换场与异常霍尔阻抗的不同值的两个薄膜，存储状态的数目是16。对于显示三阶跃磁化反转和各个切换场与异常霍尔阻抗的不同值的两个薄膜，存储状态的数目是64。通常，对于由两个薄膜构成的系统，可能的存储状态的数目是

其中n₁和n₂分别是在第一和第二薄膜中显示不同的切换场与异常霍尔阻抗的不同的部分或层的数目。

对于存储器读取过程的改进的解决方案，信号检测协议采用了两个4探头的测量值。对于附接到所述单元的第一薄膜的两个引脚A和B，以及附接到所述单元的第二薄膜的引脚C和D，采用了两个电压测量值：V_AD,BC和V_BC,AD，其中V_AD,BC表示偏置电流正在第一薄膜的触点A和第二薄膜的触点D之间通过时，在第一薄膜的触点B和第二薄膜的触点C之间产生的电压值。V_BC,AD表示偏置电流在第一薄膜的触点B和第二薄膜的触点C之间通过时，在第一薄膜的触点A和第二薄膜的触点D之间产生的电压值。通过V_AD,BC和V_BC,AD的相加或相减，从总的测量的薄膜之间的电压提取不同的场中的异常霍尔效应分量。

根据本发明的实施方式的存储单元使用异常霍尔效应来提高数据储存能力。图1示出了根据本发明的实施方式的存储单元的示意图。典型的存储单元包含两个铁磁薄膜F1和F2，所述薄膜的每一个都是平面层的形式，并且所述薄膜的每一个都显示了垂直磁各向异性。在没有外部磁场的情况下，两个薄膜的磁矩都被定向成垂直于该层的平面。磁矩可以具有对应薄膜内的部分的相关的磁化定向的单个磁化强度值或多个磁化强度值，所述部分包含多个不同的铁磁层。每个薄膜的特性都由切换场的单个值确定或由多个切换场确定，因此，从给定方向到相反方向的磁矩的反转通过单阶跃或通过多个明确定义的阶跃产生。每个铁磁薄膜都显示了异常霍尔阻抗的单个绝对值或对应所述薄膜的磁化状态组的多个异常霍尔阻抗。

在存储单元中，薄膜F1和F2串联，并且偏置电流源（在图中未示出）产生从A到D的偏置电流，其包括了在所述单元的第一薄膜和第二薄膜之间的偏置通路OO’，使得薄膜F1和F2中具有共同的电流。电压传感电路（同样未示出）适用于测量单元的两个薄膜之间的电压电平。如在下面讨论的，电压电平可以被用来确定对应所述2-薄膜系统的多个磁状态的多个预先确定的异常霍尔阻抗。

这两个薄膜中的每一个包含所述存储单元，都具有含有至少一个层、或多个层的铁磁结构，显示垂直磁各向异性。所述铁磁层具有垂直于所述层的平面存在的磁矩，所述磁矩根据所述铁磁结构的一个定向或多个磁定向组件进行设置。所述铁磁结构显示了与该磁定向组件一致的多个预先确定的异常霍尔阻抗中的一个。

在本公开中，铁磁层由其切换场（即所需要的用来切换该层的磁定向的磁场）和由该层的异常霍尔效应（EHE）阻抗确定。如在下面关于图9-11的例子所做的解释，给定的铁磁层可以包含多个子层，所述子层包含铁磁子层或非铁磁子层，这些子层共同具有一个或多个切换场和一个或多个EHE阻抗。此外，如同时在图9-11的例子中所举例说明的，切换场和EHE阻抗可以根据铁磁子层和非铁磁子层的实际尺寸、该子层与衬底层或种子层的临近程度、以及衬底层或种子层的尺寸和类型进行设置。

异常霍尔阻抗出现在跨过与偏置电流通路交叉的通路的该铁磁结构的第一末端和第二末端（薄膜F1中的点B和F与薄膜F2中的点C和E）之间，所述偏置电流通路位于所述铁磁薄膜的第三末端和第四末端之间（薄膜F1中的点A和O与薄膜F2中的点O’和D）。

在均匀的铁磁薄膜中，霍尔效应电压V_H可以被表示成：

[1]

V_{H} = \frac{I}{t} (R_{0} B + μ_{0} R_{EHE} M)

其中I是电流，t是样品厚度，R₀和R_EHE是正常和异常霍尔效应（EHE）系数，而B和M分别是对该薄膜归一化的磁场感应强度和磁化强度分量。

在铁磁结构中由系数R_EHE表示的异常霍尔效应在总体上归因于存在自旋轨道相互作用时的电子散射。在大多数铁磁体中，EHE分量主导了正常霍尔分量，而V_H与该薄膜的磁化强度成正比（除非另外说明，否则在说明书的其余部分将忽略正常霍尔分量）。给定了具有响应所施加的磁场的在其磁化中显示了磁滞的垂直磁各向异性的铁磁薄膜，可以通过测量由EHE所产生的横向电压，从而读取该薄膜的磁状态来检测剩余的不共面的磁化强度（在将所施加的场减小到零之后由所述材料显示出的磁化强度）。

图2是根据本发明的实施方式的当在点A和D之间施加了偏置电流时，所测量的作为所施加的垂直于所述薄膜的平面的磁场的函数的、点B和F之间的薄膜F1中与点C和E之间的薄膜F2中产生的异常霍尔电压的示意表示。

每个薄膜都具有一致的结构，并且显示出相关的、一致的在向上的磁化状态和向下的磁化状态之间的单阶跃磁化反转。薄膜F1的磁滞回线的特性由强制（切换）场H_s1和正场中的饱和状态的霍尔电压V_H1与负场中的饱和状态的霍尔电压（-V_H1）的幅度确定。薄膜F2的磁滞回线的特性由强制（切换）场H_s2和饱和状态的霍尔电压V_H2的幅度确定。在高的正场或高的负场中的磁化饱和并且所施加的场被减小为零之后，薄膜F1显示了剩余的霍尔电压+V_H1或-V_H1，而薄膜F2显示了剩余的霍尔电压+V_H2或-V_H2。

存储单元的磁状态根据该单元的两个薄膜之间产生的电压确定。设备的磁状态通过测量V_AD,FC的电压来读取，V_AD,FC被定义为有偏置电流在触点A和D之间通过时的点F和C之间的电压。

V_AD,FC有两个贡献：表示为V_L的跨接在薄膜F1和F2之间的电连接的纵向阻抗的电压，而第二个贡献包括在薄膜F1和F2中分别产生的霍尔电压V_AD,FB和V_AD,EC的总和的一半，（V_AD,FB是在触点A和D之间有偏置电流流过时的触点F和B之间显示出的霍尔电压V_H1；V_AD,EC是在触点A和D之间有偏置电流流过时的触点E和C之间显示出的霍尔电压V_H2：

[2]

V_{AD, FC} = V_{L} + \frac{V_{AD, FB} + V_{AD, EC}}{2} = V_{L} + \frac{V_{H 1} + V_{H 2}}{2} =

V_{L} + \frac{μ_{O} I}{2} [\frac{R_{EHE 1} M_{1}}{t_{1}} + \frac{R_{EHE 2} M_{2}}{t_{2}}]

如图1中示意性示出的，等式（2）是通过在沿着从点F到C的通路的电场的积分获得的。分段a和c与电流正交并对霍尔电压做出贡献，而分段b平行于电流并对纵向阻抗相关的电压V_L做出贡献。因此，在磁存储单元的两个薄膜之间产生的电压降依赖于薄膜中的每一个中产生的异常霍尔阻抗。

可选择地，设备的磁状态通过测量电压V_AD,FE来读取，V_AD,FE被定义为在触点A和D之间有偏置电流通过时的点F和E之间的电压。在这个例子中，V_AD,FE由下面的等式给出：

[3]

V_{AD, FE} = V_{L} + \frac{V_{AD, FB} - V_{AD, EC}}{2} = V_{L} + \frac{V_{H 1} - V_{H 2}}{2} =

V_{L} + \frac{μ_{0} I}{2} [\frac{R_{EHE 1} M_{1}}{t_{1}} - \frac{R_{EHE 2} M_{2}}{t_{2}}]

图3是根据本发明的实施方式的有电流在点A（薄膜F1上）和点D（薄膜F2上）之间流过时在点F（薄膜F1上）和点E（薄膜F2上）之间产生的作为所施加的磁场的函数的电压的示意性表示。根据在两个单元中的磁化定向，所述单元可以在回到零场之后显示四个不同的电压。每个电压电平都对应不同的存储状态。

等式（2）中的电压V_AD,FC和等式（3）中的电压V_AD,FE包含组合的EHE项和纵向阻抗项V_L。在像Co、Fe、Ni及其合金的普通的铁磁材料中，异常霍尔电阻率比纵向电阻率在幅度上大约小两个数量级。因此，纵向电压V_L可能比变化的EHE项大很多，导致了从一个存储状态切换到另一个存储状态时输出信号的小的相对变化。

在本发明的一些实施方式中，通过运用本领域众所周知的反向磁场互易性（RMFR）定理可以取得对本底纵向电压的抑制，根据RMFR原理：

[4]V_ab,cd(H)＝V_cd,ab(-H)

其中a、b、c和d是系统中的四个任意位置。在我们例子中，铁磁材料磁化作用代替所施加的磁场的情况下，等式变为：

[5]V_AD，FC(M)＝V_FC，AD(-M)

纵向阻抗电压V_L是磁化作用的偶函数：V_l(M)=V_l(-M)，即其值在利用反转极性的磁场的作用下的磁化反转时不发生改变。EHE电压是磁化作用的奇函数，即：

[6]V_AD，FB(M)＝-V_AD，FB(-M)

通过执行在所施加的同样的磁场或在同样的磁化状态中的两个测量值V_AD,FC(H)和V_FC,AD(H)，并且通过从另一个信号减去一个信号得到两个薄膜都显示出的不受本底分量V_L影响的霍尔效应电压的总和：

[7]

V_{AD, FC} (M) - V_{FC, AD} (M) = V_{AD, FC} (\overset{&RightArrow;}{M}) - V_{AD, FC} (- \overset{&RightArrow;}{M}) =

V_{AD, FB} (\overset{&RightArrow;}{M}) + V_{AD, EC} (\overset{&RightArrow;}{M}) = V_{EHE 1} + V_{EHE 2}

对于利用触点A、D、F、E进行的测量值，相减的结果将会是：

[8]V_AD，FE(M)-V_FE，AD(M)＝V_EHE1-V_EHE2

图4a和4b中原理性地示出了在点FE之间的纵向电压V_EHE,FE和在点FC之间的纵向电压V_EHE,FC减小之后所获得的EHE分量。

等式（2）、（3）的产生用于两个薄膜，每个薄膜都处理处于饱和状态的单个值的霍尔阻抗和单个的明确定义的切换场。本领域所知的是技术人员能够制造证明磁滞回线的磁部件，所述磁滞回线包含多个中间的磁化级别，其显示在不同的对应切换场中的切换。包含显示出多个各自的切换场与多个各自的EHE阻抗的多个平行的层的薄膜将产生如下式所示的总的EHE电压：

[9]

V_{EHE} = \frac{μ_{0}}{2} \underset{i}{Σ} \frac{I_{i} R_{EHE, i} M_{i}}{t_{i}}

其中I_i是沿着层i流动的电流，R_EHE,i、M_i、t_i是EHE系数、所述层平面的归一化的磁化强度、以及各个部分i的厚度。因此，包含具有各自的I_i、R_EHE,i、M_i、t_i值的两个平行的部分的薄膜将显示出对应状态M₁M₂、M₁(-M₂)、(-M₁)M₂、以及(-M₁)(-M₂)的四个剩余的EHE电压，这四个剩余的EHE电压由一组等式分别给出：

V_{EHE} = \frac{μ_{0}}{2} (\frac{I_{1} R_{EHE, 1} M_{1}}{t_{1}} + \frac{I_{2} R_{EHE, 2} M_{2}}{t_{2}}) - - - [10 a]

V_{EHE} = \frac{μ_{0}}{2} (\frac{I_{1} R_{EHE, 1} M_{1}}{t_{1}} - \frac{I_{2} R_{EHE, 2} M_{2}}{t_{2}}) - - - [10 b]

V_{EHE} = \frac{μ_{0}}{2} (- \frac{I_{1} R_{EHE, 1} M_{1}}{t_{1}} + \frac{I_{2} R_{EHE, 2} M_{2}}{t_{2}}) - - - [10 c]

V_{EHE} = - \frac{μ_{0}}{2} (\frac{I_{1} R_{EHE, 1} M_{1}}{t_{1}} + \frac{I_{2} R_{EHE, 2} M_{2}}{t_{2}}) - - - [10 d]

由三个平行的层构成的薄膜将显示出对应在其三个层中的剩余磁化强度的八个不同组合的八个不同的霍尔电压信号。通常，包含n个不同层的磁薄膜能够显示出在零场的2ⁿ个不同的EHE信号。

在图5a和5b中示意性地呈现了用于由三个层构成的薄膜的示例的、在单个的多层薄膜中写入不同的存储状态的过程，三个层中的每个都显示出具有不同的切换场和异常霍尔阻抗的垂直磁各向异性。

图5a呈现了根据本发明的实施方式的、在其中EHE电压被测量为所施加的磁场的函数的主要磁滞回线，所施加的磁场在高的正场到高的负场并回到高的正场之间变换。在场从负场向高的正场的变换的过程中，从-M状态向+M状态的磁化反转在三个切换场H_s1、H_s2、以及H_s3的三个不同的阶跃中进行，而在场从正场向高的负场的变换的过程中，从+M状态向-M状态的磁化反转在切换场-H_s1、-H_s2、以及-H_s3的三个不同的阶跃中进行。图5b呈现了根据本发明的实施方式的带有在零场中的全部的八个不同的剩余状态的一组小回线。

在实施方式中，写入不同的存储状态的协议可以被如下定义。以示例的方式，本文描述的协议假定起始于通过利用高值磁场脉冲对所述单元的复位。本领域的普通技术人员将能够对下面的描述进行调整，以写入不同的存储状态、产生包含具有更少的脉冲来获得给定的存储状态的协议的不同的协议。

对由磁场产生器产生的磁写入场H_W1、H_W2、以及H_W3进行定义，使得H_S2>H_W1>H_S1、H_S3>H_W2>H_S2、以及H_W3>H_S3。

通过施加场H_W3并返回到零来获取状态1。

通过施加下面的场脉冲序列：H_W3、-H_W1、以及返回到零来获取状态2。

通过施加下面的场脉冲序列：H_W3、-H_W2、H_W1、以及返回到零来获取状态3。

通过施加下面的场脉冲序列：H_W3、-H_W2、以及返回到零来获取状态4。

通过施加下面的场脉冲序列：-H_W3、H_W2、以及返回到零来获取状态5。

通过施加下面的场脉冲序列：-H_W3、H_W2、-H_W1、以及返回到零来获取状态6。

通过施加下面的场脉冲序列：-H_W3、H_W1、以及返回到零来获取状态7。

通过施加场-H_W3并返回到零来获取状态8。

本文公开的存储单元包含两个电连接的薄膜，其中这两个薄膜中的每一个都包含平行层中一个或多个，平行层中的每一个都具有各自的厚度、EHE系数、以及磁化强度。

在上面所述的两个电连接的磁薄膜之间产生的电压由下面的等式给出：

V_{AD, FC} = V_{L} + \frac{V_{AD, FB} + V_{AD, EC}}{2} = V_{L} + \frac{μ_{0}}{2} \underset{i}{Σ} \frac{I_{i} R_{EHE, i} M_{i}}{t_{i}} - - - [11]

其中V_L是来自由薄膜1的电流携带部分、薄膜2的电流携带部分、以及薄膜1和薄膜2之间的电连接贡献的纵向阻抗的电压。索引i包括薄膜1和薄膜2合起来的所有的平行部分。对于含有n₁个层的第一薄膜和含有n₂个层的第二薄膜，不同的磁化组合的数目和由此得到的不同的输出电压信号的数目是2ⁿ¹⁺ⁿ²。因为每个电压信号都对应各自的存储状态，所以每个单元的存储状态的数目都是2ⁿ¹⁺ⁿ²。不同的存储状态之间电压差是：

{ΔV}_{i, j} = V_{AD, FC}^{i} - V_{AD, FC}^{j} .

其中

和对应不同的磁化状态。

图6a、6b、以及6c是根据本发明的实施方式的单元中所产生的EHE电压的示意性表示，所述单元含有由单个层构成并显示出单阶跃的磁化反转的第一薄膜，以及由两个层构成并显示出双阶跃磁化反转的第二薄膜。

图6a示出了在薄膜1的触点BF和薄膜2的触点CE处所产生的EHE电压，所述薄膜1显示出在切换场±H_S1的单阶跃反转，所述薄膜2显示出在场±H_S2和±H_S3的双阶跃反转。

图6b呈现了在点F（薄膜1）和E（薄膜2）之间消除纵向电压V_l之后测量的EHE电压V_EHE,FE。V_EHE,FE等于通过薄膜1的EHE信号（V_AD,BF）和通过薄膜2的EHE信号（V_AD,CE）之间的差值的一半（参见等式（3））。

图6c呈现了在点F（薄膜1）和C（薄膜2）之间消除纵向电压V_l之后测量的EHE电压V_EHE,FC。V_EHE,FC等于通过薄膜1的EHE信号（V_AD,BF）与通过薄膜2的EHE信号（V_AD,CE）的总和的一半（参见等式（2））。

在该存储单元中可用的八个存储状态可以按照下面的脉冲序列被写入：

定义写入场H_W1、H_W2、以及H_W3，使得H_S2>H_W1>H_S1、H_S3>H_W2>H_S2、以及H_W3>H_S3。

通过施加场H_W3并返回到零来获取状态1。

通过施加场序列H_W3、-H_W1、以及返回到零来获取状态2。

通过施加场序列H_W3、-H_W2、H_W1、以及返回到零来获取状态3。

通过施加场序列H_W3、-H_W2、以及返回到零来获取状态4。

通过施加场序列-H_W3、H_W2、以及返回到零来获取状态5。

通过施加场序列-H_W3、H_W2、-H_W1、以及返回到零来获取状态6。

通过施加场序列-H_W3、H_W1、以及返回到零来获取状态7。

通过施加场-H_W3并返回到零来获取状态8。

本文描述的示例中，通过施加沿着序列在极性上交替变化并且在幅度上减小的脉冲序列来写入磁状态。然而，这种选择的做出纯粹是示例的方式。在可选择的实施方式中，所述磁状态可以使用任何其他适合的磁脉冲序列来写入，或以任何其他适合的方式来写入。

在存储单元的可选择的实施方式中，薄膜F1和F2的切换场可以用不同的方式制定。例如，在带有显示为在切换场H_S1和H_S2的双阶跃磁化反转的薄膜F1和显示为在场H_S3的单阶跃磁化反转的薄膜F2的单元中，H_S3可以大于或小于H_S2且大于或小于H_S1。

在存储单元的另一个可替换的实施方式中，第一薄膜由两个层构成并显示了双阶跃磁化反转，而且第二薄膜也由两个层构成并显示了双阶跃磁化反转，这两个薄膜的所有的组成层都显示出不同的切换场值和EHE阻抗值。在这种情况下，如图7中示出的，可用的磁存储状态的数目是16。

在存储单元的又一个可替换的实施方式中，第一薄膜由三个层构成并显示了三阶跃磁化反转，而且第二薄膜也由三个层构成并显示了三阶跃磁化反转，这两个薄膜的所有的组成层都显示出不同的切换场值和EHE阻抗值。在这种情况下，如图8中示出的，可用的磁存储状态的数目是64。

存储单元的所有薄膜的铁磁结构可以由显示为垂直磁各向异性的单个材料层或显示为垂直磁各向异性的多个材料层制成。通常，为了减小层间的耦合并保留不同层中的不同的磁特性，这些层由非磁的隔离器层分隔开。铁磁层可以由本领域所知的多种材料制成，这些材料包括但不限于Co、Co/Pd多层、Co/Pt多层、Fe/Pt多层、Fe/Pd多层、CoPt合金、CoPd合金、FePt合金、FeTb合金、低浓度的磁性半导体、以及半金属，它们都具有垂直磁各向异性。隔离层可以由比如Pd、Pt、Cu、Ru、Ti或其他材料的非磁性的电可导材料制成。可选择地，隔离器层可以由比如SiO₂、矾土（Al₂O₃）、或MgO等的电绝缘材料制成。还可选择地，隔离层可以由包含比如PdSiO₂、CuSiO₂等的高浓度的绝缘掺杂物的非磁性的导电材料制成。可以将绝缘掺杂物添加到金属隔离器以增加隔离器层的电阻抗，并从而减少沿着隔离器层流动的电流相比于沿着铁磁层流动的电流的百分比。可选择地，具有多个层的薄膜可以被制作成不带有隔离器层，比如在薄的Pd种子底层上生长的薄的Co/Pd多层。

为了获得具有不同的切换场和不同的EHE阻抗的铁磁层，可以使用本领域中已知的不同的铁磁材料、不同的种子层、不同的厚度、以及异常霍尔效应的不同极性（EHE的系数R_EHE在不同的材料中可以是正的或负的）。

本文公开的磁存储单元可以被视为构成整个磁随机存取存储设备（或其他存储设备）的网络的部件或部分磁随机存取存储设备（或其他存储设备）的网络的部件。需要了解的是，包含给定单元的薄膜的实际位置和相关定位并没有被限制。例如，包含显示出不同的切换场和不同的EHE阻抗的两个不同的铁磁薄膜可以在磁存储设备的同一平面中被设置成彼此靠近。在可选择的实施方式中，构成给定单元的两个薄膜可以被设置在磁存储设备的不同层或不同平面中。可以对这两种情况实行两种不同的制造方法。对于位于设备的同一平面中的薄膜，所选择的一种类型的薄膜的制造和所选择的第二种类型的薄膜的制造是在同一个设备层中进行的。对于可选择的实施方式，第一种类型的相同薄膜可以在设备的第一个层中制造，第二种类型的相同薄膜可以在设备的不同层中制造，并且薄膜之间的相互的电连接可以在设备的层与层之间垂直制造。

需要了解的是，包含存储单元的薄膜是空间上隔离的。通常，可以对空间隔离进行调整以增强单元的时间上的稳定性，例如，以使较强的层不反过来影响较弱的层。另外，可以对空间隔离进行调整以方便写入过程，例如，允许对较强的层施加高的场脉冲而对较弱的层施加低的场脉冲。写入过程可以利用场产生网络（比如携带电流的导线网格）来实现，并且该过程可以通过调整薄膜空间上的隔离和网络的布置来进行优化。

为了说明本文公开的磁存储器的可行性，我们在图9中呈现了四状态单元的试验实现。图9呈现了根据本发明的实施方式的所测量的两个单个层的薄膜的触点F和E之间的EHE电压。第一和第二薄膜是通过Co/Pd多子层结构的电子束沉积制造而成，所述Co/Pd多子层结构由重复六次的

厚的Co和

厚的Pd子层构成[Co

Pd]₆，使得每个单个层的薄膜都是多子层部件。上述沉积分别是在

厚的Pd和

厚的Pd种子衬底上的沉积。在这个示例中，每个多子层结构都对应单个铁磁层，每个这种结构都具有给定的切换场和给定的EHE阻抗。如在图中示出的，每个单个的层（多子层结构）都具有假定是由于Pd种子衬底的不同厚度引起的不同的EHE阻抗。

图10呈现了根据本发明的实施方式的八状态存储单元的试验实现。显示单阶跃反转的第一薄膜通过Co/Pd多子层结构的电子束沉积制造而成，所述Co/Pd多子层结构由在玻璃衬底的顶部上的

厚的Pd种子衬底上重复沉积六次

厚的Co和

厚的Pd子层[CoPd]₆构成。显示双阶跃磁化反转的第二薄膜通过Co/Pd多子层结构的电子束沉积制造而成，所述Co/Pd多子层结构由在GaAs衬底的顶部上的

厚的Pd种子衬底上重复沉积六次

厚的Co和

厚的Pd子层[Co

Pd

]6构成。多子层结构的不同特性（即第一薄膜具有单阶跃反转而第二薄膜具有双阶跃反转的事实）被假定为是由于这些结构沉积在其上的不同的衬底造成的。

图11呈现了根据本发明的实施方式的十六状态存储单元的试验实现。显示双阶跃磁化反转的单元的第一薄膜通过Co/Pd多层结构的电子束沉积制造而成，所述Co/Pd多层结构由在GaAs衬底的顶部上的

厚的Pd种子层上重复沉积六次

厚的Co和厚的Pd层[Co

Pd

]₆构成（这个薄膜与图10的示例的第二薄膜具有相同的构造）。显示双阶跃磁化反转的单元的第二薄膜在GaAs衬底上通过Co/Pd多层结构的电子束沉积制造而成，第一个多层部件包含重复六次的厚的Co层和

厚的Pd层[Co

Pd

]₆，随之以

厚的Pd隔离器，随之以包含重复六次的4

厚的Co和

厚的Pd层[Co

Pd]₆的第二个多层部件。

图12和图13是根据本发明的实施方式的可选择的存储单元的示意图。在图1中示出的存储单元中，构成所述单元的薄膜串联，以使同样的偏置电流（A和D之间）贯穿薄膜F1和薄膜F2。相反，在图12中示出的可选择的存储单元中，薄膜F1和薄膜F2并联。类似地，在图12中示出的可选择的存储单元中，薄膜F1、薄膜F2、以及薄膜F3并联。在所有的可选择的单元中，在A和C之间都存在分布在这些可选择的单元的薄膜之间的偏置电流。在每个单元中的偏置电流是不同的情况下，上述分布通常是不相同的。可选择地，例如通过调整薄膜阻抗和/或通过增加阻抗可以对分布进行均衡或另外修改。

在图12中示出的单元的情况中，如在上面参照等式（11）所描述的，每个单元的存储状态的数目是

其中薄膜F1具有n₁个铁磁层而F2具有n₂个层。在图13中示出的单元的情况中，每个单元的存储状态的数目是

其中薄膜F3具有n₃个层。在图12中示出的平行存储单元结构中，导体EE’可以连接产生异常霍尔电压的薄膜F1和F2的部分，尽管在含有两个平行的薄膜的一些实施方式中没有导体EE’。在图13中示出的平行存储单元中，导体EE’连接薄膜F1和F2，而导体GG’连接薄膜F2和F3。在图13的单元中的导体也连接了产生异常霍尔电压的薄膜部分。因为在薄膜之间的导体的存在，图12的单元的存储状态可以通过该单元的点B和D之间的电压的直接测量来确定。出于同样的原因，图13的单元的存储状态也可以通过该单元的点B和D之间的电压的直接测量来确定，即通过薄膜F1的“最低的”部分和薄膜F3的“最高的”部分之间的测量值来确定。

一般来说，对于含有k（k是正整数）个并联的薄膜的存储单元，该单元具有

个存储状态，其中第p个薄膜（1≤p≤k）具有n_p个铁磁层。这样的存储单元可能具有连接这些薄膜的（k-1）个导体。可以通过测量第一薄膜的“最低的”部分和第k个薄膜的“最高的”部分（即没有连接到导体并且产生异常霍尔电压的薄膜部分）之间的电压，来发现一般单元的不同状态。

在并联的薄膜的情况中，可以实现上面描述的RMFR系统，例如以减少可能在对霍尔电压进行测量的触点的位置处可能出现的任何不匹配。例如，在图12中，触点B可能不完全正对触点E，并且/或者E’可能不完全正对触点D。RMFR系统可以被用来允许这种不对准。

如上所述的电压偏移减小方案也可以在由串联的或并联的两个正常霍尔效应传感器制成的可能不显示异常霍尔效应的其他的设备中实现。在对应图1的不同的实施方式中，薄膜F1和F2可能每个都由构成霍尔传感器的十字形状的低载流子密度材料的薄膜制成，在该薄膜之上放置了隔离器以防止电流泄露。在隔离器之上可以如在J.Stephenson、B.Shipley和D.Carothers的美国专利申请公开2008/0205129中所公开的布置一个或多个铁磁体，该公开的内容在此以引用的方式被并入。这些铁磁体具有一组稳定的磁定向，并且可以被放置在感应穿过传感器的强磁杂散磁通的位置。在低载流子密度薄膜中的正常霍尔阻抗对来自磁化的铁磁体的累积的杂散磁通量敏感，并且产生了一组不同的霍尔电压。通过如图1所示来连接这些薄膜，并且例如使用处理器来测量V_AD,FE-V_FE,AD或V_AD,FC-V_FC,AD，通过反转磁场互易性的使用将霍尔电压与偏移电压分离。

通常，当多个存储单元（例如，图12或图13中示出的类型）被布置在存储阵列中时，每个存储单元都具有通常对应该单元的行和列的单独的外部地址，并因而具有四个外部端子。在存储单元内的储存层相互连接。传感电路通常不单独测量多个层的异常霍尔电压，而是测量多个层的组合，其中每个组合都产生不同的信号。

所公开的技术提供了制造具有在不同的级别和位置定位同一个单元的元件的自由度的三维存储器的可能性。例如，这种设计灵活性在减少点之间的耦合及给定存储元件的程序设计而不影响其他元件方面是重要的。

图14是根据本发明的实施方式，示意性说明存储设备20的框图。在这个示例中，存储设备20包括基于所公开的技术的一个或多个存储单元22，比如图1、12或13中示出的存储单元。电流源24产生流入存储单元22的电流（本文也称之为偏置电流）。磁场产生器26产生磁场，例如，根据上面说明的协议的为了在存储单元22中储存数据。传感电路28传感存储单元的霍尔电压以获取存储单元中存储的数据。

图14中示出的存储设备20的结构是示例机构，这种结构的选择纯粹是为了在概念上进行清楚的说明。在可选择的实施方式中，可以使用任何其他合适的存储设备结构。

需要了解的是，根据本发明的实施方式的存储单元可以被构造成实质上共面或两维的形式，其中单元的每个薄膜都处于共同的平面上。可选择地，根据本发明的实施方式的存储单元可以被构造成实质上三维的形式，例如使单元的薄膜处于不同平面上，或甚至实质上彼此相互垂直堆叠。

在三维多层结构中（以及在其他的结构中），用来写入磁状态的磁场可以分别由多个场产生网络在不同层中产生。

本文描述的实施方式中，磁状态通过施加磁脉冲写入（编程）。然而，所公开的存储单元结构和读取技术不被限制在这种编程方式。例如，在可选择的实施方式中，磁状态可以利用施加通过存储单元的电流脉冲来写入以反转磁化极性，例如使用自旋转矩传递。所公开的存储单元结构和读取技术可以与这些基于电流的编程、或与任何其他合适的编程方案一起使用。

因此需要了解的是，上面描述的实施方式的引用是示例的方式，并且本发明不限于本文在上面已经专门示出和描述的内容。相反，本发明的范围同时包括本文在上面描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域的技术人员在阅读上述描述之后能想到的但没有被现有技术公开的其中的变化或修改。除了所并入的这些文献中以与本说明书中明确或隐含地做出的定义相冲突的方式定义的任何术语的内容，应当仅仅考虑本说明书中的定义之外，否则以引用的方式并入到本专利申请的文献均被视为本申请的整体部分。

Claims

1.一种用于储存数据的设备，所述设备包括：

至少第一铁磁薄膜和第二铁磁薄膜，这两个铁磁薄膜具有响应于所储存的数据而被配置的垂直磁各向异性，并且这两个铁磁薄膜被连接以使电流贯穿所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜并在其中产生各自的第一异常霍尔电压和第二异常霍尔电压；以及

传感电路，其被配置成通过测量所述第一异常霍尔电压和第二异常霍尔电压来读取所储存的数据。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜中的每个包含至少一个铁磁层。

3.根据权利要求2所述的设备，其中每个铁磁层定义两个存储状态中的一个。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一薄膜包含n₁个层，所述第二薄膜包含n₂个层，其中n₁、n₂是大于0的整数，并且其中存储状态的数目是₂ ⁿ¹⁺ⁿ²。

5.根据权利要求1-4中的任何一个所述的设备，其还包含电流源，所述电流源被配置成产生所述电流并且向所述铁磁薄膜提供所述电流。

6.根据权利要求5所述的设备，其还包含导体，所述导体将所述铁磁薄膜彼此串联，其中所述电流源被配置成施加所述电流以贯穿所述铁磁薄膜和所述导体。

7.根据权利要求5所述的设备，其还包含导体，所述导体将所述铁磁薄膜彼此并联，其中所述电流源被配置成产生并向所述第一铁磁薄膜施加第一电流以及产生并向所述第二铁磁薄膜施加第二电流，并且其中所述传感电路被配置成测量所述第一异常霍尔电压和所述第二异常霍尔电压的总和。

8.根据权利要求1-4中的任何一个所述的设备，其中所述传感电路被配置成对所述薄膜运用反向磁场互易性（RMFR）定理以测量所述第一异常霍尔电压和所述第二异常霍尔电压。

9.根据权利要求1-4中的任何一个所述的设备，其还包含磁场产生器，所述磁场产生器被配置成通过施加磁场来将所述数据储存在所述铁磁薄膜中，所述磁场向所述铁磁薄膜中写入表示所述数据的各个磁状态。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述磁场产生器被配置成接受用于储存的所述数据、响应所述数据产生写入所述磁状态的一个或多个磁场脉冲的序列以及向所述铁磁薄膜施加所述序列。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述磁场产生器被配置成响应所述数据和所述铁磁薄膜的各自的切换磁场产生所述序列。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述磁场产生器被配置成产生所述磁场脉冲以沿着所述序列交替改变极性和减小幅度。

13.根据权利要求1-4中的任何一个所述的设备，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜位于共同的二维平面中。

14.根据权利要求1-4中的任何一个所述的设备，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜彼此堆叠在一起以形成三维结构。

15.根据权利要求1-4中的任何一个所述的设备，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜由各自的不同的切换磁场表征。

16.一种用于数据储存的方法，所述方法包括：

提供至少第一铁磁薄膜和第二铁磁薄膜，所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜彼此连接并且都具有垂直磁各向异性；

通过响应于数据而配置所述薄膜的垂直磁各向异性，使得电流贯穿所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜并在其中产生各自的第一异常霍尔电压和第二异常霍尔电压，由此，将所述数据存储在所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜中；以及

通过测量所述第一异常霍尔电压和所述第二异常霍尔电压来读取所储存的数据。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜中的每个都包含至少一个铁磁层。

18.根据权利要求17所述的方法，其中每个铁磁层定义两个存储状态中的一个。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一薄膜包含n1个层，所述第二薄膜包含n2个层，其中n1、n2是大于0的整数，并且其中存储状态的数目是2ⁿ¹⁺ⁿ²。

20.根据权利要求16-19中的任何一个所述的方法，其还包括利用电流源来产生所述电流，并向所述铁磁薄膜提供所产生的电流。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述铁磁薄膜通过导体彼此串联，并且其中提供所述电流包括施加所述电流以贯穿所述铁磁薄膜和所述导体。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述铁磁薄膜通过导体彼此并联，并且其中提供所述电流包括向所述第一铁磁薄膜施加第一电流并向所述第二铁磁薄膜施加第二电流，并且其中测量所述异常霍尔电压包括测量所述第一异常霍尔电压和第二异常霍尔电压的总和。

23.根据权利要求16-19中的任何一个所述的方法，其中测量所述异常霍尔电压包括对所述薄膜运用反向磁场互易性（RMFR）定理以测量所述第一异常霍尔电压和所述第二异常霍尔电压。

24.根据权利要求16-19中的任何一个所述的方法，其中储存所述数据包括施加向所述铁磁薄膜中写入表示所述数据的各个磁状态的磁场。

25.根据权利要求24所述的方法，其中施加所述磁场包括接受用于储存的所述数据、响应所述数据产生写入所述磁状态的一个或多个磁场脉冲的序列，并且向所述铁磁薄膜施加所述序列。

26.根据权利要求25所述的方法，其中产生所述序列包括响应于所述数据和所述铁磁薄膜的各自的切换磁场来产生所述序列。

27.根据权利要求25所述的方法，其中产生所述序列包括产生所述磁场脉冲以沿着所述序列交替改变极性和减小幅度。

28.根据权利要求16-19中的任何一个所述的方法，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜位于共同的二维平面中。

29.根据权利要求16-19中的任何一个所述的方法，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜彼此堆叠在一起以形成三维结构。

30.根据权利要求16-19中的任何一个所述的方法，其中所述第一铁磁薄膜和第二铁磁薄膜由各自的不同的切换磁场表征。

31.装置，所述装置包含：

第一霍尔传感器，其具有第一端子、第二端子、第三端子、以及第四端子；

第二霍尔传感器，其具有第五端子、第六端子、第七端子、以及第八端子；

导体，其将所述第三端子连接到所述第五端子；以及

处理器，其被配置成：在通过所述导体将第一电流从所述第一端子传递到所述第七端子时测量所述第四端子和所述第六端子之间的第一电势、在通过所述导体将第二电流从所述第四端子传递到所述第六端子时测量所述第一端子和所述第七端子之间的第二电势、并且响应于所述第一电势和所述第二电势确定由所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器所产生的结果电压。

32.根据权利要求31所述的装置，其中所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器中的至少一个产生正常霍尔电压。

33.根据权利要求31所述的装置，其中所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器中的至少一个产生异常霍尔电压。

34.一种方法，所述方法包括：

提供第一霍尔传感器，其具有第一端子、第二端子、第三端子、以及第四端子；

提供第二霍尔传感器，其具有第五端子、第六端子、第七端子、以及第八端子；

通过导体将所述第三端子连接到所述第五端子；

在通过所述导体将第一电流从所述第一端子传递到所述第七端子时，测量所述第四端子和所述第六端子之间的第一电势；

在通过所述导体将第二电流从所述第四端子传递到所述第六端子时，测量所述第一端子和所述第七端子之间的第二电势；以及

响应于所述第一电势和所述第二电势确定由所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器所产生的结果电压。

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器中的至少一个产生正常霍尔电压。

36.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器中的至少一个产生异常霍尔电压。

37.一种用于储存数据的存储单元，所述存储单元包含至少第一铁磁薄膜和第二铁磁薄膜，这两个铁磁薄膜具有响应于所储存的数据而被配置的垂直磁各向异性，并且这两个铁磁薄膜被连接以使电流贯穿所述第一铁磁薄膜和第二铁磁薄膜并在其中产生各自的第一异常霍尔电压和第二异常霍尔电压，使得能够通过测量所述第一异常霍尔电压和所述第二异常霍尔电压来从所述存储单元读取所述数据。

38.根据权利要求37所述的存储单元，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜中的每个包含至少一个铁磁层。

39.根据权利要求38所述的存储单元，其中每个铁磁层定义两个存储状态中的一个。

40.根据权利要求39所述的存储单元，其中第一薄膜包含n1个层，第二薄膜包含n2个层，其中n1、n2是大于0的整数，并且其中存储状态的数目是2ⁿ¹⁺ⁿ²。

41.根据权利要求37所述的存储单元，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜位于共同的二维平面中。

42.根据权利要求37所述的存储单元，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜被彼此堆叠在一起以形成三维结构。

43.根据权利要求37所述的存储单元，其中所述第一铁磁薄膜和所述第二铁磁薄膜由各自的不同的切换磁场表征。