CN104218035A - 一种磁隧道结单元及自旋电子器件 - Google Patents

一种磁隧道结单元及自旋电子器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道结单元及磁随机存储器，包括依次连接的第一电极、第一自由层、非磁性绝缘层、钉扎层和第二电极，还包括连接在第一电极与第一自由层之间的第二自由层，第二自由层的横截面积小于自由层的横截面积；第二自由层和第一自由层一起形成了复合自由层结构；第二自由层用于聚集电流，使得第二自由层处的电流密度大于第一自由层处的电流密度，从而使得第二自由层的磁矩先于第一自由层发生翻转；由于第二自由层和第一自由层之间的交换耦合作用使得第二自由层磁矩的翻转带动了第一自由层磁矩的翻转；提高了磁隧道结单元中复合自由层的磁化翻转程度，降低了复合自由层的翻转电流密度，并在相同电流密度激励条件下提高了磁隧道结单元的TMR值。

Description

一种磁隧道结单元及自旋电子器件
技术领域
本发明属于自旋电子器件领域，更具体地，涉及一种隧道结单元及磁随机存储器。
背景技术
计算机网络在全球范围内的迅速普及使得人们需要存储、处理和传递的数据量呈几何级数式的急剧增长，巨大的数据量给存储技术提出了新的要求。作为主要信息存储技术之一的固态存储器主要用于计算机主存和各类便携式电子产品的存储芯片，近年来其市场增长率远远高于硬盘等其他存储器件，随着消费者对防震抗摔、读写速度快、功耗低、噪声小的固态硬盘的追捧，固态存储器将拥有更广阔的市场前景。
目前用于计算机主存的固态存储芯片主要是动态随机存储器和静态随机存储器。这两种随机存储器虽然都具有纳秒级的快速读写特性，但都是易失性存储器件，不适合用于便携式电子产品。目前用于各类便携电子产品中的固态存储芯片，主要是非易失性的闪存半导体存储器。但是，当闪存在半导体工艺尺寸达到32nm后将遇到其物理极限，它将由于漏电流太大而不能稳定工作，从而限制了闪存存储密度及容量的进一步提高；另外，闪存复杂的时间消耗程序使得数据必须以块为单位写入，使其写数据的时间为微秒数量级，不能适应数据快速写入的需要；而且其重复可擦写次数只有106次。因此，随着半导体工艺尺寸的进一步减小，市场需要有更高存储密度、更快读写速度及更长使用寿命的非易失性新犁存储器。
磁随机存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)具有读写速度快(纳秒级)、使用寿命长(理论上可以无限次擦写)、非易失性、存储密度高、与半导体工艺兼容性好及抗辐射等优点，是最有希望成为下一代信息存储器件的候选存储器之一。MRAM由隧穿磁电阻(TMR)存储阵列与现代芯片集成技术结合而成。TMR存储单元的基本结构为铁磁性金属薄膜/非磁性绝缘材料薄膜/铁磁性金属薄膜组成的三明治结构，该结构被称为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)结构。两层铁磁金属薄膜中，一层的磁化方向被钉扎住，不能改变，称为被钉扎层；另一层的磁化方向可以随外场方向变化，为自由层。当TMR存储单元中两层铁磁层的磁化方向平行时，存储单元的电阻值较低；当两层铁磁性薄膜的磁化方向反平行时，存储单元的电阻值很高。MRAM就是利用MTJ单元的高和低两种电阻稳态进行二进制信息的存储。
MRAM的信息写入方式有两种：一种是利用通过位于MTJ存储单元两端的字线和位线的电流所产生的环形磁场改变存储单元自由层的磁化方向，从而改变其电阻值来实现信息的写入，此为磁场致磁化反转写入方式。这种写入方式有很多不足。由于写入翻转场随着MRAM单个存储单元尺寸的缩小而增大，随着MRAM存储密度的提高，这种写入的方式将会导致信息写入能耗的大幅度增加。另外磁场致磁化反转写入方式的MRAM的器件结构过于复杂、电流线产生的磁场不够集中等因素也阻碍了传统MRAM存储密度的进一步提高。
另一种写入方式利用自旋极化电流流过自由层时，极化电流所携带的自旋角动量转移给自由层并产生自旋矩，导致自由层内磁矩不平衡并发生磁化反转，此为自旋力矩转移(Spin-Transfer-Torque，STT)磁化反转写入方式。STT-MRAM克服了磁场致翻转MRAM的不足。STT-MRAM具有存储单元尺寸越小，工作面积越小，操作电流越小，性能越优越的优点，这对于实现超高密度低功耗的信息存储非常有利。STT-MRAM相对磁场致翻转MRAM简单的结构使得器件可以更好的小型化，同时克服了漏磁串扰等技术问题，有利于减小误码率，提高存储芯片集成度。
目前STT-MRAM存储单元均采用基于TMR效应的MTJ单元结构。STT-MRAM中的MTJ存储单元需要有大的磁阻变化率(MR)和小的翻转电流密度。大的MR值意味着更高的读出分辨率，而小的翻转电流密度意味着更低功耗。图1所示为常规的MTJ存储单元结构示意图，其核心部分为上电极/自由层/非磁性绝缘层/钉扎层/下电极。这种器件结构还需要进一步降低其磁化翻转电流密度并提高MTJ存储单元的TMR值。
发明内容
针对现有技术的改进需求，本发明提供了一种磁隧道结单元，其目的在于能有效地降低磁化翻转电流密度，提高自由层的磁化翻转程度，由此解决现有的磁隧道结单元没有充分利用自旋电子对自由层磁矩的翻转效应，也没有充分利用自由层翻转过程中焦耳热对磁各向异性强度的弱化作用，导致无法充分降低翻转电流密度，无法提高MTJ存储单元的TMR值的技术问题。
本发明提供的一种复合自由层磁隧道结单元结构，包括依次连接的第一电极、第一自由层、非磁性绝缘层、钉扎层和第二电极，还包括连接在所述第一电极与所述第一自由层之间的第二自由层，所述第二自由层的横截面积小于所述自由层的横截面积；第二自由层和第一自由层一起形成了复合自由层结构；第二自由层用于聚集电流，使得第二自由层处的电流密度大于第一自由层处的电流密度，从而使得第二自由层的磁矩先于第一自由层发生翻转；由于第二自由层和第一自由层之间的交换耦合作用使得第二自由层磁矩的翻转带动了第一自由层磁矩的翻转；提高了磁隧道结单元中复合自由层的磁化翻转程度，降低了复合自由层的翻转电流密度，并在相同电流密度激励条件下提高了磁隧道结单元的TMR值。
更进一步优选地，所述第二自由层的横截面积小于第一自由层横截面积的80％且大于第一自由层横截面积的10％，其膜层结构和横截面形状没有明确限定，可以是单层或多层、矩形、梯形、双矩形等多种变化形式。
更进一步优选地，所述第二自由层的材料为磁性材料。
更进一步优选地，所述第二自由层的材料为CoFeB、CoFeSi等Co基或Fe基磁性材料。
更进一步优选地，还包括：连接在第一电极层和复合自由层之间的第一磁性层，所述第一磁性层的磁各向异性垂直或平行于所述第二自由层表面。
更进一步优选地，还包括：连接在钉扎层和第二电极层之间的第二磁性层，所述第二磁性层的磁各向异性垂直或平行于所述钉扎层表面。
更进一步优选地，所述第一磁性层或第二磁性层为硬磁薄膜材料。
更进一步优选地，所述第一磁性层或第二磁性层的材料为FePt、CoPt、IrMn、CoCrPt系、稀土-过渡金属系、Co-Pt多层膜、Co-Pd多层膜中的一种或任意多种组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于小于第一自由层横截面积的第二自由层的加入，并且第二自由层和第一自由层一起形成了T型复合自由层结构；第二自由层用于聚集电流，使得第二自由层处的电流密度大于第一自由层处的电流密度，从而使得第二自由层的磁矩先于第一自由层发生翻转；由于第二自由层和第一自由层之间的交换耦合作用使得第二自由层磁矩的翻转带动了第一自由层磁矩的翻转；提高了磁隧道结单元中复合自由层的磁化翻转程度，降低了复合自由层的磁化翻转电流密度，并在相同电流密度激励条件下提高了MTJ存储单元的TMR值。
本发明的关键在于在常规MTJ存储单元自由层和紧邻的电极层之间插入一个第二自由层，此第二自由层的横截面积小于第一自由层横截面积，从而形成T型复合自由层结构。这种新犁的自旋力矩转移MTJ磁随机存储单元结构我们称之为T犁复合自由层自旋力矩转移磁随机存储单元，其核心部分为第一电极层/T犁复合自由层/非磁性绝缘层/钉扎层/第二电极层。其T型复合自由层由第二自由层和第一自由层组成，第二自由层的横截面积小于第一自由层横截面积，其膜层结构和横截面形状没有明确限定，可以是单层或多层、矩形、梯形、双矩形等多种变化形式。第二自由层的材料为CoFeB、CoFeSi等Co基或Fe基磁性材料。其余各层的横截面面积和形状可以与第一自由层相同，也可以不相同。
除了第一电极层/T犁复合自由层/非磁性绝缘层/钉扎层/第二电极层的核心部分外，该新型MTJ存储单元的第一电极层和T型复合自由层之间还可以有磁各向异性垂直或平行于薄膜表面的第一磁性层以增加自由层的磁各向异性和热稳定性，钉扎层和第二电极层之间也可以有磁各向异性垂直或平行于薄膜表面的第二磁性层以增加钉扎层的磁各向异性和热稳定性。该垂直或平行于薄膜表面的各向异性磁性层的材料可以同时或分别为FePt、CoPt、CoCrPt系、稀土-过渡金属系、Co/Pt多层膜、Co/Pd多层膜等硬磁薄膜材料的一种或多种。
本发明还提供了一种自旋电子器件，包括一个或多个阵列排布的磁隧道结单元，所述磁隧道结单元为上述的磁隧道结单元。
本发明所述新型T型复合自由层自旋力矩转移MTJ单元结构除用于STT-MRAM外，还可以用于含有MTJ单元的传感器、逻辑器件、振荡器等自旋电子器件。
附图说明
图1是现有技术提供的MTJ存储单元的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的MTJ存储单元的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的MTJ磁随机存储单元与外接电阻以及电流源的连接关系示意图；
图4是MTJ存储单元的TMR与电流密度之间的关系曲线示意图；其中S1表示现有技术中MTJ存储单元的TMR与电流密度之间的关系曲线；S2表示本发明实施例提供的MTJ磁随机存储单元的TMR与电流密度之间的关系曲线；
图5是本发明实施例提供的MTJ磁随机存储单元T犁复合自由层中第二自由层磁矩翻转带动第一自由层磁矩翻转的示意图(加载电流密度为0.52MA/cm2)；(a)表示初始状态，(b)表示0.3ns时的翻转状态，(c)表示1ns后翻转平衡后的状态；
图6是加载电流密度为0.52MA/cm2的1ns激励电流脉冲后MTJ存储单元的温度分布示意图，图中的数字表示加载此激励电流脉冲后该点处的温度，单位为摄氏度；(a)表示现有技术存储单元对照例的温度分布，(b)表示本发明实施例提供的MTJ磁随机存储单元的温度分布；
图7是存储单元最大温度与电流密度之间的关系曲线示意图；S3表示本发明实施例提供的磁随机存储单元最大温度与电流密度之间的关系曲线；S4表示现有技术对照例存储单元最大温度与电流密度之间的关系曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的磁隧道结单元可应用于磁随机存储器中，磁随机存储器包括多个阵列排布的磁隧道结存储单元，该磁隧道结存储单元能够有效地提高STT-MRAM器件的TMR值，并降低其自由层磁化翻转电流密度。图2示出了本发明实施例提供的磁随机存储单元的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
磁隧道结存储单元包括从上至下依次连接的第一电极、T型复合自由层、非磁性绝缘层、钉扎层和第二电极，T型复合自由层还包括连接在所述第一电极与所述第一自由层之间的第二自由层，所述第二自由层的横截面积小于所述第一自由层的横截面积；第二自由层和第一自由层一起形成了T犁复合自由层结构；第二自由层用于聚集电流，使得第二自由层处的电流密度大于第一自由层处的电流密度，从而使得第二自由层的磁矩先于第一自由层发生翻转；由于第二自由层和第一自由层之间的交换耦合作用使得第二自由层磁矩的翻转带动了第一自由层磁矩的翻转；提高了MTJ单元中复合自由层的磁化翻转程度，降低了复合自由层的翻转电流密度；并在相同电流密度激励条件下提高了MTJ存储单元的TMR值。
隧道磁阻效应TMR和翻转电流密度是衡量自旋力矩转移磁隧道结单元性能的两个指标，TMR大意味着磁隧道结单元信号可识别度高，翻转电流密度小意味着磁隧道结单元及器件的功耗较低。当磁隧道结单元用于磁随机存储器时，TMR大意味着更高的读出分辨率；当磁隧道结单元用于传感器时，TMR大意味着更大的灵敏度。
本发明在常规STT-MRAM磁隧道结存储单元自由层的上面再加上一个第二自由层，形成T型复合自由层结构。这种新犁的自旋力矩转移MTJ单元结构我们称之为T犁复合自由层自旋力矩转移MTJ单元，其核心部分为第一电极层/T犁复合自由层/非磁性绝缘层/钉扎层/第二电极层。其复合自由层为T型结构，第二自由层的横截面积小于第一自由层横截面积，其膜层结构和横截面形状没有明确限定，可以是单层或多层、矩形、梯形、双矩形等多种变化形式。第二自由层的材料为CoFeB、CoFeSi等Co基或Fe基磁性材料。其余各层的横截面面积和形状可以与第一自由层相同，也可以不相同。
在本发明实施例中，第二自由层的横截面积小于第一自由层横截面积的80％且大于自由层横截面积的10％较优。当第二自由层横截面积取第一自由层横截面积的10％时，存储单元可以在性能和散热之间取得平衡。此时第二自由层的横截面积足够小，此处的电流密度足够大，STT效应对磁矩的翻转效应足够大，同时在较大电流密度作用下，第二自由层及周围会有较大温升，此温升能将复合自由层的垂直磁各向异性降低到一个较小的值，且最高温度低于磁存储单元材料的熔点，此温升在可接受范围之内。
在本发明实施例中，第二自由层的材料为磁性材料，具体可以为CoFeB、CoFe、CoFeSi等Co基或Fe基磁性材料。
在本发明实施例中，T型复合自由层结构MTJ单元还可以包括连接在第一电极层和复合自由层之间的第一磁性层，其中第一磁性层的磁各向异性垂直或平行于第二自由层表面；第一磁性层用于增加自由层的磁各向异性和热稳定性。在自旋力矩转移电子器件中，自由层一般采用CoFeB等自旋极化率较高的材料以获得自旋方向一致的自旋极化电流，但CoFeB等自旋极化率较高的材料一般磁各向异性较小，在扰动外磁场或较高温度条件下，其磁矩方向易发生变化，从而导致存储的信息或信号发生变化。为了提高自由层的磁各向异性及热稳定性，通常采用在电极层和自由层之间加入一硬磁层，该硬磁层具有较高的磁各向异性，通过硬磁层和自由层之间的层间交换耦合作用，提高自由层磁化方向的稳定性。
在本发明实施例中，T型复合自由层结构MTJ单元还可以包括连接在钉扎层和第二电极层之间的第二磁性层，第二磁性层的磁各向异性垂直或平行于所述钉扎层表面，第二磁性层用于增加钉扎层的磁各向异性和热稳定性。在自旋力矩转移电子器件中，钉扎层一般采用CoFeB等自旋极化率较高的材料以获得自旋方向一致的自旋极化电流，但CoFeB等自旋极化率较高的材料一般磁各向异性较小，在扰动外磁场或较高温度条件下，其磁矩方向易发生变化，从而导致钉扎层的磁化方向发生变化。由于在MTJ单元中钉扎层作为参考层其磁化方向不能随着外场或温度发生变化。因此，为了提高钉扎层的磁各向异性及热稳定性，通常采用在电极层和自由层之间加入一硬磁层，该硬磁层具有很高的磁各向异性，通过硬磁层和钉扎层之间的层间交换耦合作用，提高钉扎层磁化方向的稳定性。
在本发明实施例中，磁随机存储单元还可以同时包括第一磁性层和第二磁性层；其中第一磁性层或第二磁性层为硬磁薄膜材料；具体可以为FePt、CoPt、IrMn、CoCrPt系、稀土-过渡金属系、Co-Pt多层膜、Co-Pd多层膜中的一种或任意多种组合。
在本发明实施例中，T犁复合自由层结构MTJ存储单元相对于常规结构的存储单元，在相同电流密度激励条件下具有较高的TMR值和自由层的磁化翻转程度，从而有效地降低了自由层的翻转电流密度。
本发明实施例提供的T犁复合自由层结构MTJ存储单元在应用中需要跟外部的电流源和外接电阻连接，具体的连接关系如图3所示。本发明实例中采用微磁模拟的软件magoasis提供的是电流源，在这里并联一个电阻和电流源一起构成一个电压源对MTJ存储单元或器件加载脉冲。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的磁随机存储单元，先结合具体实例详述如下：
为了便于比较，现分别给出现有技术MTJ存储单元对照例和本发明实施例提供的MTJ存储单元的结构、各层的材料及尺寸；
现有技术MTJ存储单元对照例中：第一电极层采用Cu，形状为圆柱体，直径为50nm，厚度为80nm；自由层采用CoFeB，形状为圆柱形，直径为50nm，厚度为1nm；隧道层采用MgO，形状为圆柱形，直径为50nm，厚度为2nm；钉扎层采用CoFeB，圆柱形，直径为50nm，厚度为10nm。为了简化计算，第一电极层与自由层之间、第二电极层与钉扎层之间的第一和第二磁各向异性层在本实施例中略去，但是这两层磁性层分别对自由层及钉扎层所起的增加磁各向异性的功能将通过模拟仿真中对CoFeB自由层及钉扎层磁各向异性能的赋值得到体现。
本发明实施例提供的磁随机存储单元中：第一电极层采用Cu，形状为圆柱体，直径为50nm，厚度为80nm；第二自由层采用CoFeB，形状为圆柱体，直径大小为15.5nm，厚度为5nm；第一自由层采用CoFeB，形状为圆柱形，直径为50nm，厚度为1nm，第二自由层和第一自由层一起组成了T犁复合自由层结构；隧道层采用MgO，形状为圆柱形，直径为50nm，厚度为2nm；钉扎层采用CoFeB，圆柱形，直径为50nm，厚度为10nm。为了简化计算，第一电极层与复合自由层之间、第二电极层与钉扎层之间的第一和第二磁各向异性层在本实施例中略去，但是这两层磁性层分别对自由层及钉扎层所起的增加磁各向异性的功能将通过模拟仿真中对CoFeB自由层及钉扎层磁各向异性能的赋值得到体现。本实施例中，第二自由层横截面积为第一自由层横截面积的10％。
为了方便建模以及简化模犁，在Magoasis建模中，铜电极层的横截面积与钉扎层CoFeB层的面积相同，并且将这个面积取作是存储单元的横截面积。magoasis软件在计算磁层的磁化强度状态时，采用的是有限元的方法来求解LLG方程，在这里将存储单元的横截面划分成316个小方格。第二自由层的横截面划分为31个方格。
仿真中所用到的STT-MRAM磁存储单元各个组成部分的材料参数如表一、表二中所示，表一为常规的三层结构垂直磁各向异性MTJ的材料属性参数，表二为本发明中T型复合自由层结构垂直磁各向异性MTJ的材料属性参数。
表一
表二
本模拟仿真都是基于存储单元的状态从“0”到“1”，即存储单元从低阻态到高阻态。磁存储单元需要相对较大的STT翻转电流来驱动器件的磁化强度状态发生翻转，若所加的翻转电流时间过长，不仅写入速度慢，而且还会导致焦耳热的积累，造成器件的不稳定，所以写电流脉冲的时间越短越好。本次模拟仿真中，所加的写电流的脉冲宽度为1ns，来研究器件的快速翻转过程。根据实验室的制备条件，将CoFeB层的磁化强度定为800emu/cc。
图4是MTJ存储单元的TMR与电流密度之间的关系曲线示意图；其中S1表示现有技术存储单元对照例的TMR与电流密度之间的关系曲线；S2表示本发明实施例提供的T型复合自由层结构MTJ存储单元的TMR与电流密度之间的关系曲线；我们先看T型自由层结构MTJ存储单元的TMR值，可以看到存储单元的TMR值随着翻转电流密度的增大而增大。这种趋势是可以理解的，电流密度越大，电子的自旋力矩转移矩越大，自由层的磁化翻转程度也越大。翻转电流密度达到0.52MA/cm2时，T型自由层结构存储单元的翻转达到饱和，此时的TMR值为73.9％，电流密度的增加再也不能增加存储单元的TMR值。
常规三层结构MTJ存储单元的TMR值也随写入电流密度的增大而增大，在翻转电流密度为0.52MA/cm2时，常规三层结构存储单元的翻转并没有饱和，其TMR值为相同翻转电流密度下T犁自由层存储单元TMR值的59.6％。之后我们又加大了常规三层结构存储单元的翻转电流密度，发现在可以接受的范围内，存储单元的TMR值都没有达到饱和。
STT-MRAM存储单元中，过高的写入电流密度会造成过大的器件功耗，过低的翻转电流密度造会造成过小的TMR值，单元存储信息的读出分辨率会因此而降低，所以翻转电流密度必须取一个适中的值，若考虑存储单元与CMOS的集成，临界电流密度需要降低至5×105A/cm2。所以我们取模拟中写入电流密度为0.52MA/cm2是合适的，在这个写入电流密度下，T犁复合自由层存储单元的翻转程度高于常规三层结构存储单元；反过来，从上图中可以看出，在TMR值都为73.5％的情况下(T型复合自由层存储单元的饱和TMR值)，T犁自由层存储单元需要的写入电流密度更小。
图5是本发明实施例提供的T犁复合自由层结构MTJ存储单元中第二自由层磁矩翻转带动第一自由层磁矩翻转的示意图(加载电流密度为0.52MA/cm2)；(a)表示初始状态，(b)表示0.3ns时的翻转状态，(c)表示1ns后翻转平衡后的状态；参照图5来解释本发明实施例提供的MTJ单元性能的优越性。从物理机制上来说，T犁复合自由层结构MTJ存储单元性能优于常规三层结构MTJ存储单元的主要原因是T犁复合自由层结构MTJ存储单元的第二自由层对电流的聚集作用。本实施例中，T犁复合自由层中第二自由层的横截面积是整个器件横截面积的1/10，电流穿过整个器件时，第二自由层处的电流密度是其他区域电流密度的10倍，电流的STT效应对第二自由层磁矩的翻转效应更加明显，此处的磁矩率先翻转，由于第二自由层和第一自由层之间的交换耦合作用，第二自由层的磁矩的翻转带动了第一自由层磁矩的翻转，使得整个复合自由层的磁化翻转效率提高。图5(a)所示为T犁复合自由层结构MTJ存储单元翻转之前第二自由层与第一自由层磁化矢量示意图。图5(b)所示为T犁复合自由层结构MTJ存储单元中复合自由层在施加0.52MA/cm2的写入电流密度0.3ns后的磁化矢量示意图，此时我们可以看到第二自由层已经完全发生翻转，而第一自由层还没有完全翻转。图5(c)为加载0.52MA/cm2的写入电流密度1ns后复合自由层内部磁化矢量的示意图。第二自由层的磁化矢量方向首先发生翻转，第一自由层靠近第二自由层的区域磁化矢量方向在STT效应和交换耦合的共同作用下也开始发生翻转，之后翻转向四周扩散，最后形成了图5(c)中所示的第一自由层磁化矢量指向中间第二自由层磁化矢量方向的示意图。
图6是加载电流密度为0.52MA/cm2的1ns激励电流脉冲后MTJ存储单元的温度分布示意图，图中的数字表示加载此激励电流脉冲后该点处的温度，单位为摄氏度；(a)表示加载0.52MA/cm2的电流密度之后现有技术MTJ存储单元对照例的内部温度分布，(b)表示本发明实施例提供的T型复合自由层结构MTJ存储单元内部的温度分布；图6(a)的模拟结果显示，常规结构存储单元没有焦耳热聚集效应，加载运行之后的热量很快散掉，器件温度恢复到常温。图6(b)中，本发明实施例提供的T型复合自由层结构MTJ存储单元在加载0.52MA/cm2的翻转电流密度1ns后，第二自由层附近的温度为450摄氏度左右，说明了第二自由层对焦耳热的聚集作用。
图7是本发明实施例提供的T犁复合自由层结构MTJ存储单元最大温度与电流密度之间的关系曲线示意图；S3表示本发明实施例提供的T犁复合自由层结构MTJ存储单元最大温度与电流密度之间的关系曲线；S4表示现有技术MTJ存储单元对照例最大温度与电流密度之间的关系曲线；热模拟结果显示常规三层结构MTJ存储单元没有聚热效应，随着电流密度的增大温度也没有出现明显的升高，始终保持在20摄氏度左右，而T犁复合自由层结构MTJ存储单元的最大温度随着电流密度增大迅速升高。有限元热模拟的结果显示，本发明实施例提供的T犁复合自由层结构MTJ存储单元的第二自由层有聚热效应，产生这个聚热效应的主要原因是由于本发明实施例提供的T犁复合自由层结构MTJ存储单元中第二自由层处具有较大的电流密度。从焦耳热辅助磁翻转的角度来看，第二自由层的聚热效应对提高自旋力矩转移效应有着重要意义。翻转过程中第二自由层局部温度的升高会弱化复合自由层的磁各向异性，使得复合自由层中磁化矢量的翻转变得更容易，从而提高自旋力矩转移磁化反转的效率。这也是T犁复合自由层结构MTJ存储单元相对于常规结构MTJ存储单元性能优越的另一个原因。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合自由层磁隧道结单元结构，包括依次连接的第一电极、第一自由层、非磁性绝缘层、钉扎层和第二电极，其特征在于，还包括连接在所述第一电极与所述第一自由层之间的第二自由层，所述第二自由层的横截面积小于所述自由层的横截面积；第二自由层和第一自由层一起形成了复合自由层结构；第二自由层用于聚集电流，使得第二自由层处的电流密度大于第一自由层处的电流密度，从而使得第二自由层的磁矩先于第一自由层发生翻转；由于第二自由层和第一自由层之间的交换耦合作用使得第二自由层磁矩的翻转带动了第一自由层磁矩的翻转；提高了磁隧道结单元中复合自由层的磁化翻转程度，降低了复合自由层的翻转电流密度，并在相同电流密度激励条件下提高了磁隧道结单元的TMR值。
2.如权利要求1所述的磁隧道结单元，其特征在于，所述第二自由层的横截面积小于第一自由层横截面积的80％且大于第一自由层横截面积的10％。
3.如权利要求1所述的磁隧道结单元，其特征在于，所述第二自由层的材料为磁性材料。
4.如权利要求3所述的磁隧道结单元，其特征在于，所述第二自由层的材料为CoFeB、CoFeSi等Co基或Fe基磁性材料。
5.如权利要求1-4任一项所述的磁隧道结单元，其特征在于，还包括：连接在第一电极层和复合自由层之间的第一磁性层，所述第一磁性层的磁各向异性垂直或平行于所述第二自由层表面。
6.如权利要求1-5任一项所述的磁隧道结单元，其特征在于，还包括：连接在钉扎层和第二电极层之间的第二磁性层，所述第二磁性层的磁各向异性垂直或平行于所述钉扎层表面。
7.如权利要求5或6所述的磁隧道结单元，其特征在于，所述第一磁性层或第二磁性层为硬磁薄膜材料。
8.如权利要求7所述的磁隧道结单元，其特征在于，所述第一磁性层或第二磁性层的材料为FePt、CoPt、IrMn、CoCrPt系、稀土-过渡金属系、Co-Pt多层膜、Co-Pd多层膜中的一种或任意多种组合。
9.一种自旋电子器件，包括一个或多个阵列排布的磁隧道结单元，其特征在于，所述磁隧道结单元为上述权利要求1-8任一项所述的磁隧道结单元。
10.如权利要求9所述的自旋电子器件，其特征在于，所述自旋电子器件包括含有MTJ单元的传感器、逻辑器件或振荡器。
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