CN105280214B

CN105280214B - 电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件

Info

Publication number: CN105280214B
Application number: CN201510574526.5A
Authority: CN
Inventors: 万蔡华; 张轩; 韩秀峰
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2018-02-27
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: CN105280214A

Abstract

本发明涉及电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件。一种电流驱动型磁随机存取存储器包括多个存储单元，每个存储单元包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述参考磁层耦接到第一端子；以及与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二、第三、第四和第五端子，连接所述第二和第四端子的假想线与连接所述第三和第五端子的假想线彼此交叉。本发明还提供包括电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件中的至少一种的电子设备。

Description

电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件，其能够在没有外磁场辅助的情况下，用纯电流来翻转其中的磁性隧道结(MTJ)的自由磁层的磁化方向，并且还涉及包括这种电流驱动型磁随机存取存储器和/或自旋逻辑器件的电子设备。

背景技术

磁性隧道结(MTJ)具有广泛的用途，例如用于磁传感器、磁存储器、自旋逻辑器件等等。主要由磁性隧道结构成的磁随机存取存储器(MRAM)是下一代非挥发存储器的强有力竞争者。磁随机存取存储器的存储单元一般包括作为核心元件的磁性隧道结以及其他辅助功能元件。磁性隧道结一般包括自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的隧穿势垒层，自由磁层的磁矩可以自由翻转，而参考磁层的磁矩被固定。隧穿势垒层由诸如金属氧化物之类绝缘材料形成。磁性隧道结的电阻与自由磁层的磁矩和参考磁层的磁矩之间的夹角θ的余弦值cos(θ)成比例。当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩彼此平行排列时，磁性隧道结的电阻最低，处于低电阻态；当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩反平行排列时，磁性隧道结的电阻最高，处于高电阻态。这两种电阻状态可以分别对应于信息0和1，或者可以分别对应于信息1和0。

图1示出一种典型的磁随机存取存储器的存储单元100。如图1所示，存储单元100包括磁性隧道结110，磁性隧道结110包括参考磁层112和自由磁层116，二者可具有箭头所示的磁矩。势垒层114位于参考磁层112和自由磁层116之间。存储单元100还包括位于磁性隧道结110上方并且连接到磁性隧道结110的位线120、以及位于磁性隧道结110下方但是不连接到磁性隧道结110的字线130。位线120和字线130彼此垂直。存储单元100还可以包括与磁性隧道结110串联连接的晶体管102以用于控制流经磁性隧道结110的电流。

存储单元100所存储的信息的读取操作可以通过直接测量磁性隧道结110的电阻即可完成。例如，可以将读取电流I_R施加到磁性隧道结，并且根据读取电流I_R的大小来确定磁性隧道结110的电阻大小，进而得到信息0或1。

当要把预定信息例如0或1写入到存储单元100中时，需要将自由磁层116的磁矩设置到对应的预定方向上，这可以通过由位线120和字线130产生的磁场来进行。例如，可以将第一写入电流I_W1施加到位线120，并且将第二写入电流I_W2施加到字线130。应注意，第一写入电流I_W1和第二写入电流I_W2均不经过磁性隧道结110。由于位线120和字线130彼此垂直，它们在自由磁层116处产生彼此垂直的奥斯特磁场。当位线120和字线130产生的奥斯特磁场满足Stoner-Wohlfarth模型的阈值磁场条件时，自由磁层116的磁矩将发生翻转。为了产生足以使自由磁层116的磁矩发生翻转的奥斯特磁场，流经位线120的第一写入电流I_W1和流经字线130的第二写入电流I_W2必须足够大，因此这种写入方式的功耗比较大。

另一种写入方式是利用自旋转移力矩(STT)效应，也称为电流诱导磁矩翻转效应。当电流流经具有固定磁矩的参考磁层时，相应自旋的电子可以通过，而相反自旋的电子将会被反射，从而产生自旋极化电流。自旋极化电流与纳米尺寸的自由磁层的磁矩发生相互作用，自旋极化电子所携带的自旋角动量转矩转移给自由磁层的磁矩，从而使得自由磁层的磁矩方向发生翻转。STT诱导的翻转的优点在于无需使用外磁场，从而可以消除例如字线130，实现磁随机存取存储器的进一步小型化，并且降低了制造成本。其缺点是功耗较大，并且远大于读取电流的写入电流可能会导致磁性隧道结的意外击穿，从而对存储器造成永久性伤害。

又一种写入方式是利用自旋霍尔效应(SHE)。参照图2，其演示了自旋霍尔效应。当电子201流经特定导体200时，由于自旋轨道耦合，在导体200的各个表面202、204、206和208上的电子是自旋极化的，分别如箭头203、205、207和209所示。应理解，取决于不同的材料，自旋极化方向可能在与图示方向相反的方向上。当导体200与磁性隧道结的自由层直接接触时，所述自旋极化的电子流可促进自由层的磁矩的翻转。不过，为了实现自由层的磁矩翻转，该方案仍需要施加沿电流方向的辅助磁场。虽然也有研究表明，对于合适的楔形自由磁层，磁矩可以在无外加辅助磁场的条件下仅由电流实现翻转，但是楔形自由磁层难以加工制造，因此不适于大规模工业化生产。

此外，上述问题也限制了磁性隧道结在自旋逻辑器件领域的实际应用。

发明内容

为了实现在零磁场条件下用纯电流来实现磁矩翻转，需要有电流产生的自旋转矩以及在合适的方向上施加的等效磁场。该等效磁场的方向需要平行于产生自旋转矩的电流的方向。本发明的实施例提供这样的自旋电子器件，其可以仅用电流来驱动，利用自旋转矩和等效磁场来实现磁矩翻转，而不需要施加外磁场。本发明的自旋电子器件可以是磁随机存取存储器或自旋逻辑器件。本发明还提供包括这样的自旋电子器件的电子设备。

根据本发明一实施例，一种电流驱动型磁随机存取存储器可包括多个存储单元，每个存储单元可包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述参考磁层耦接到第一端子；以及与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二、第三、第四和第五端子，连接所述第二和第四端子的假想线与连接所述第三和第五端子的假想线彼此交叉。

在一些实施例中，连接所述第二和第四端子的假想线与连接所述第三和第五端子的假想线的交叉角度在60度至120度的范围。优选地，连接所述第二和第四端子的假想线与连接所述第三和第五端子的假想线彼此垂直。

在一些实施例中，所述自由磁层具有沿垂直方向的易磁化轴，并且所述自由磁层的磁矩能在所述垂直方向上翻转，所述参考磁层具有沿所述垂直方向的易磁化轴，并且所述参考磁层具有固定磁矩。

在一些实施例中，所述磁随机存取存储器还包括：钉扎层，其形成在所述参考磁层的与所述势垒层相反的一侧以固定所述参考磁层的磁矩。

在一些实施例中，所述SHE层由选自包括以下材料的组的材料形成：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er和Tm，以及它们的任意组合。所述SHE层的厚度在0.5nm至30nm的范围。优选地，所述SHE层的厚度可以在0.6nm至10nm的范围。

在一些实施例中，所述第一端子连接到位线，所述SHE层经所述第二和第四端子连接到第一字线并且用作所述第一字线的一部分，所述SHE层还经所述第三和第五端子连接到第二字线并且用作所述第二字线的一部分。所述第二、第三、第四和第五端子中的一个还经选择晶体管连接到源级线，所述选择晶体管的控制端子连接到选择线。

根据本发明另一实施例，一种电流驱动型磁随机存取存储器可包括多个存储单元，每个存储单元可包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述自由磁层具有从垂直方向偏移预定角度的易磁化轴，所述参考磁层耦接到第一端子；以及与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二和第三端子，所述第二和第三端子关于所述SHE层彼此相对，并且连接所述第二和第三端子的假想线垂直于由所述参考磁层的易磁化轴和所述自由磁层的易磁化轴限定的平面。

在一些实施例中，所述自由磁层的易磁化轴从所述垂直方向的偏移角度在5度至80度的范围。优选地，所述自由磁层的易磁化轴从所述垂直方向的偏移角度可以在25度至45度的范围。

在一些实施例中，所述参考磁层具有沿所述垂直方向的易磁化轴。

在一些实施例中，所述第一端子连接到位线，所述SHE层经所述第二和第三端子连接到字线并且用作所述字线的一部分。所述第二和第三端子中的一个还经选择晶体管连接到源级线，所述选择晶体管的控制端子连接到选择线。

根据本发明又一实施例，一种电流驱动型磁随机存取存储器可包括多个存储单元，每个存储单元可包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述参考磁层耦接到第一端子；与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二和第三端子，所述第二和第三端子关于所述SHE层彼此相对；以及偏置磁层，其设置在所述SHE层的与所述自由磁层相反的一侧，并且通过所述SHE层与所述自由磁层铁磁或反铁磁耦合。

在一些实施例中，所述偏置磁层具有固定的面内磁矩。所述的磁随机存取存储器还可包括：钉扎层，设置在所述偏置磁层的与所述SHE层相反的一侧以固定所述偏置磁层的磁矩。

在一些实施例中，连接所述第二和第三端子的假想线平行于所述偏置磁层的面内磁矩方向。

在一些实施例中，所述自由磁层和所述参考磁层具有沿垂直方向的易磁化轴。

在一些实施例中，所述SHE层的厚度在0.5nm至15nm的范围。

根据本发明再一实施例，一种自旋逻辑器件可包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述参考磁层耦接到第一端子；以及与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二、第三、第四和第五端子，连接所述第二和第四端子的假想线与连接所述第三和第五端子的假想线彼此交叉。

在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“与”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于平行状态，所述第二和第四端子用于施加第一输入电流，所述第三和第五端子用于施加第二输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“非”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于反平行状态，所述第二和第四端子用于施加控制电流，所述第三和第五端子用于施加输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“与非”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于反平行状态，所述第二和第四端子用于施加第一输入电流，所述第三和第五端子用于施加第二输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“或”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于平行状态，所述第二和第四端子用于施加控制电流，所述第三和第五端子用于施加第一输入电流以及第二输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“或非”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于反平行状态，所述第二和第四端子用于施加控制电流，所述第三和第五端子用于施加第一输入电流以及第二输入电流，并且所述第二至第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

根据本发明又另一实施例，一种自旋逻辑器件包括：磁隧道结，具有第一磁层、第二磁层以及位于二者之间的势垒层；与所述第一磁层相邻并且接触的第一自旋霍尔效应SHE层，所述第一SHE层在其周边耦接到第一、第二、第三和第四端子，连接所述第一和第三端子的假想线与连接所述第二和第四端子的假想线彼此交叉；以及与所述第二磁层相邻并且接触的第二自旋霍尔效应SHE层，所述第二SHE层在其周边耦接到第五、第六、第七和第八端子，连接所述第五和第七端子的假想线与连接所述第六和第八端子的假想线彼此交叉。

在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“异或”门，所述第一磁层和所述第二磁层初始处于平行状态，所述第一和第三端子用于施加第一控制电流，所述第二和第四端子用于施加第一输入电流，所述第五和第七端子用于施加第二控制电流，所述第六和第八端子用于施加第二输入电流，并且所述第一至第四端子中的任一个和所述第五至第八端子中的任一个用于施加读取电流。

在一些实施例中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“同或”门，所述第一磁层和所述第二磁层初始处于反平行状态，所述第一和第三端子用于施加第一控制电流，所述第二和第四端子用于施加第一输入电流，所述第五和第七端子用于施加第二控制电流，所述第六和第八端子用于施加第二输入电流，并且所述第一至第四端子中的任一个和所述第五至第八端子中的任一个用于施加读取电流。

根据本发明再又一实施例，一种电子设备可包括：处理模块；以及存储有供所述处理模块进行处理的数据的存储模块，其中，所述处理模块和所述存储模块中的至少一个包括电流驱动型自旋电子学器件，所述自旋电子学器件包括：磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述参考磁层耦接到第一端子；以及与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二、第三、第四和第五端子，连接所述第二和第四端子的假想线与连接所述第三和第五端子的假想线彼此交叉。

在一些实施例中，所述电子设备可以是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。

附图说明

图1是示出一种现有的存储单元的结构的示意图。

图2是演示自旋霍尔效应的示意图。

图3A示出根据本发明一实施例的存储单元的横截面图。

图3B示出图3A的存储单元的俯视图。

图4示出包括图3A和3B所示的存储单元的磁随机存取存储器的示意性电路图。

图5A示出根据本发明另一实施例的存储单元的横截面图。

图5B示出图5A的存储单元的俯视图。

图6示出包括图5A和5B所示的存储单元的磁随机存取存储器的示意性电路图。

图7A示出根据本发明又一实施例的存储单元的横截面图。

图7B示出图7A的存储单元的俯视图。

图8示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件。

图9示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件。

图10示出根据本发明一实施例的电子设备。

具体实施方式

图3A示出根据本发明一实施例的自旋电子器件300的横截面图，图3B示出图3A的自旋电子器件300的俯视图，其中图3A是沿着图3B中的线A-A'截取的横截面视图。这里，将以磁随机存取存储器中的存储单元为背景描述自旋电子器件300。然而，如后面将教导的那样，自旋电子器件300不仅可以用作磁随机存取存储器中的存储单元，还可以用作自旋逻辑器件。图4示出包括多个图3A和3B所示的存储单元的磁随机存取存储器400的示意性电路图。

首先参照图3A，存储单元300包括形成在衬底310上的自旋霍尔效应(SHE)层320、以及设置在SHE层320上的磁性隧道结380。衬底310可以是绝缘衬底，例如SiO₂衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、MgO衬底、Al₂O₃衬底等。衬底310亦可以是半导体基底上的绝缘层，例如Si基底上的SiO₂绝缘层等。衬底310还可以是半导体衬底，例如Si衬底等。

SHE层320由具有强的自旋轨道耦合属性的导体材料形成。如前面参照图2所描述的那样，当电流流过具有强的自旋轨道耦合属性的导体材料时，由于自旋霍尔效应，能在该导体材料的表面上形成自旋极化电流。这样的导体材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn之类的金属或合金，诸如Bi₂Se₃和Bi₂Te₃之类的拓扑绝缘体、以及诸如Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Yi、Lu之类的稀土材料等，其中优选Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er和Tm，因为它们具有较强的自旋轨道耦合，因此具有较大的自旋霍尔角。可用于形成SHE层320的材料的示例不限于上述材料，其它现在已知的或者将来开发的能表现出自旋霍尔效应的材料均可以用于形成SHE层320。此外，SHE层320还可以由这些材料的任意合适组合来形成。在本发明的一些实施例中，SHE层320的厚度可以在0.5nm至30nm的范围，优选地在0.6nm至10nm的范围，以提供良好的电阻特性和表面电流自旋极化特性。

磁性隧道结380设置在SHE层320上方并且与SHE层320接触。具体而言，磁性隧道结380包括自由磁层330和参考磁层350，势垒层340夹在二者之间，其中自由磁层330与SHE层320相邻并且直接接触。自由磁层330和参考磁层350均可由铁磁材料形成，例如Co、Fe、Ni以及包括Co、Fe、Ni的合金，诸如CoFe、NiFe、CoFeB等。自由磁层330可以由具有较低矫顽力的铁磁材料形成，使得自由磁层330的磁矩可以自由翻转，从而写入信息0或1；而参考磁层350的磁矩在磁性随机存取存储器的操作期间不发生改变。在一些优选实施例中，参考磁层350的磁矩可以被固定，例如通过钉扎结构或自钉扎结构来固定。在钉扎结构中，可以在参考磁层350上形成钉扎层360来固定参考磁层350的磁矩。钉扎层360一般由诸如IrMn之类的反铁磁材料形成，其厚度可以在1nm至30nm的范围。或者替代地，参考磁层350可以由具有较高矫顽力的硬磁材料形成，或通过调节参考磁层350的厚度来获得较大的矫顽力，此时可以省略钉扎层360，因此这样的结构也称为自钉扎结构。

继续参照图3A和3B，自由磁层330和参考磁层350二者均可具有沿垂直方向(垂直于层平面，即Z轴方向)的磁矩。换言之，自由磁层330和参考磁层350二者的易磁化轴可以取向在垂直方向上。自由磁层330的厚度可以在0.5nm至16nm的范围，优选在0.8nm至8nm的范围。参考磁层350的厚度可以在0.5nm至20nm的范围，优选0.8nm至10nm的范围。

应理解的是，虽然说明书中以垂直磁化的自由磁层和参考磁层为上下文描述了本发明的各种实施例和示例，但是本发明的原理亦可以应用到自由磁层和参考磁层具有面内磁化的情形。然而与面内磁化相比，垂直磁化允许磁性隧道结形成为具有更小的尺寸，进而能够提高磁性随机存取存储器的存储密度，因而是优选的。

回到图3A和图3B，在钉扎层360上还可以形成有保护层370，以防止下面的各个层受到氧或湿气的侵蚀。保护层370一般由耐侵蚀并且具有良好导电性的材料形成，例如Ta、Ru、Pt等。

虽然这里参照图3A描述了磁性隧道结380的结构，但是本领域技术人员将理解，还可以对磁性隧道结380的结构进行许多变化。例如，虽然图3B示出了磁性隧道结380被图案化成椭圆形状，但是磁性隧道结380也可以被图案化成其他形状，例如圆形、矩形、方形或其它多边形形状。此外，磁性隧道结380也可以用更多或更少的层来形成。本发明旨在涵盖所有这些磁性隧道结的修改或变化，只要其落在所附权利要求及其等价物的范围内。

磁性隧道结380的自由磁层330与SHE层320接触，其参考磁层350所在的一侧，在本实施例中为保护层370，连接到第一端子309。SHE层320在其周边连接到第二端子301、第三端子305、第四端子303和第五端子307。这些端子可以连接到相应的布线，其将在后面参照图4来详细描述。继续参照图3A和3B，连接第二端子301和第四端子303的假想线A-A'与连接第三端子305和第五端子307的假想线B-B'交叉。在本发明的一些实施例中，该交叉角度可以在60度至120度的范围内。在图3B所示的实施例中，该交叉角度为90度，也就是说，假想线A-A'垂直于B-B'。

如前面参照图2所述，当电流流过SHE层320时，由于自旋霍尔效应，会在SHE层320的上表面产生自旋极化电流，且自旋极化电流可以提供使自由磁层330的磁矩翻转的自旋转矩。在本实施例中，可以通过第二端子301和第四端子303施加第一写入电流，并且通过第三端子305和第五端子307施加第二写入电流。所述第一电流和第二电流中的一个就可以提供这样的自旋转矩，而另一个则可以通过奥斯特感生磁场效应或Rashba效应来提供使自由磁层330的磁矩翻转的等效磁场。Rashba效应是指，由于功函数的差异，在SHE层320和自由磁层330之间的界面上会产生电场，电场的方向垂直于该界面。此外，该界面上还有电流，此时在电场矢量和电流矢量的叉乘方向上会产生等效磁场。当第一电流和第二电流彼此垂直时，一个电流产生的Rashba等效磁场的方向可以平行于另一个电流的方向。因此，在自旋转矩和奥斯特磁场或Rashba等效磁场的共同作用下，自由磁层330的磁矩可发生翻转。第一写入电流和第二写入电流优选同时施加，或者二者的持续时间间隔开一非常短的时间，在该非常短的时间内自由磁层330内的磁畴还来不及移动。当如图3B所示，第一电流的方向垂直于第二电流的方向时，此时通过这些端子施加的电流产生的等效磁场最大，所需的临界翻转电流密度最小。

应理解，实际上上述第一电流和第二电流每个均产生了自旋转矩和奥斯特或Rashba等效磁场。但是研究表明，两个自旋转矩或者两个等效磁场均不能使自由磁层330的磁矩发生翻转。要想使自由磁层330的磁矩发生翻转，需要一个电流产生的自旋转矩和另一个电流产生的等效磁场二者的配合，例如第一电流产生的自旋转矩和第二电流产生的等效磁场，或者第一电流产生的等效磁场和第二电流产生的自旋转矩。

可以看出，上述写入过程完全通过施加电流来进行，并且上述第一写入电流和第二写入电流均不经过磁性隧道结380，因此可以避免写入操作时对磁性隧道结380的损害。磁性隧道结380中的信息的读取可以通过在第一端子309与第二至第五端子中的任一个之间施加读取电流来进行。读取电流一般较小，也不会对磁性隧道结380造成损害。因此，本实施例的磁性隧道结300可以具有较长的使用寿命。

下面描述根据本实施例的存储单元300的一些特定示例。

示例1

利用高真空磁控溅射设备在具有SiO₂表面层的Si衬底上依次沉积如下薄膜：Pt(5nm)/Co(1.0nm)/Al₂O₃(3nm)/Co(0.8nm)/Pt(5nm)。在薄膜制备过程中，背景真空优于1.0×10^-5Pa。底层的Pt可用作SHE层，顶层的Pt可用作保护层，Co/Al₂O₃/Co构成磁性隧道结的核心区。底层的Pt/Co/Al₂O₃结构可以保证作为自由磁层的Co膜具有良好的垂直各向异性，而顶层的Al₂O₃/Co/Pt结构可以保证用作参考磁层的Co膜具有良好的垂直各向异性。用作参考磁层的Co层的厚度为0.8nm，其小于用作自由磁层的Co层的厚度1.0nm，从而确保参考磁层具有比自由磁层更大的矫顽力。薄膜制备完成后，将样品于真空退火炉中在300℃和0.8T的磁场下退火1小时，其中磁场方向垂直于膜平面。退火后，样品自然冷却至室温。在升温、保温和冷却过程中，退火炉的真空度保持优于1.0×10^-3Pa。最后，通过光刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化成椭圆形状，椭圆形状的长轴为20μm，短轴15μm，并且形成相应的布线以在第一至第五端子处连接到所形成的存储单元。

示例2

利用高真空磁控溅射设备在具有SiO₂表面层的Si衬底上依次沉积如下薄膜：Ta(5nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.2nm)/MgO(2.5nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.0nm)/Ta(5nm)/Ru(5nm)。薄膜制备过程中，背景真空优于1.0×10^-5Pa。底层的Ta用作SHE层，顶层的Ru层用作保护层。Co₄₀Fe₄₀B₂₀/MgO/Co₄₀Fe₄₀B₂₀构成磁性隧道结的核心区。底层的Ta/Co₄₀Fe₄₀B₂₀/MgO结构可以保证作为自由磁层的Co₄₀Fe₄₀B₂₀膜具有良好的垂直各向异性，而顶层的MgO/Co₄₀Fe₄₀B₂₀/Ta结构可以保证作为参考磁层的Co₄₀Fe₄₀B₂₀膜具有良好的垂直各向异性。薄膜制备完成后，将样品于真空退火炉中在300℃和0.8T的磁场下退火1小时，其中磁场方向垂直于膜平面。退火后，样品自然冷却至室温。在升温、保温和冷却过程中，退火炉的真空度保持优于1.0×10^-3Pa。最后，通过光刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化成方形，方形的边长为30μm，并且形成相应的布线以在第一至第五端子处连接到所形成的存储单元。

虽然在上面描述的实施例及其示例中，磁性隧道结单元380形成在SHE层320上方，但是本发明不限于此。SHE层320亦可形成在磁性隧道结380上方。例如，可以在衬底310上依次形成参考磁层350、势垒层340和自由磁层330，然后直接在自由磁层330上形成SHE层320。SHE层320上可以覆盖有绝缘保护层例如SiO₂层。该结构的其它方面与前面描述的实施例或示例相同，此处不再赘述。

图4示出根据本发明一实施例的磁随机存取存储器400的示意性电路图，该磁随机存取存储器可以包括前面参照图3A和3B所述的存储单元。虽然这里示出的磁随机存取存储器400包括3行4列存储单元的阵列，但是磁随机存取存储器400可以包括更多或更少个存储单元的阵列。

参照图4，磁随机存取存储器400包括存储单元的阵列C11-C34，每行存储单元例如C11-C14连接到同一条第一字线例如WL11，每列存储单元例如C11-C31连接到同一条第二字线例如WL21。例如，存储单元的SHE层320通过其周边的四个端子连接到第一和第二字线，并且SHE层320本身还用作第一和第二字线的一部分(参见图3A和3B)。每一行存储单元还连接到同一条位线，例如存储单元C11-C13每个的参考磁层350或其上的层例如保护层370连接到位线BL1。同一行中的每个存储单元例如C11-C13的SHE层320或者与其相连的字线还通过晶体管T连接到同一条源级线例如源级线SL1，同一列存储单元例如C11-C31的晶体管的控制端(或者说栅极)还连接到同一条选择线例如SEL1。

在进行写入操作时，在第一字线之一和第二字线之一上施加写入电流，即可完成对特定存储单元的写入。例如，当在第一字线WL12和第二字线WL24上施加写入电流时，可以完成对单元C24的写入。此时，存储单元C21、C22、C23、C14和C34由于仅受一个电流产生的自旋转矩或等效磁场的影响，根据Stoner-Wohlfarth模型，它们的自由磁层的磁矩将不会发生翻转。

在进行读取操作时，在位线之一和选择线之一上施加电压，即可完成对特定存储单元的读取。例如，在位线BL2和选择线SEL3上施加电压，即可在源级线SL2上收到流经存储单元C23的读取电流，从而获得存储单元C23中存储的信息。此时，可以通过形成在存储单元的阵列周围的行或列控制器(未示出)将其余的源级线SL1和SL3设置为断开。

应理解的是，上面参照图4描述的电路仅是示意性的，在不违背存储单元300的操作原理的情况下，还可以对电路，尤其是其中的布线的连接方式，进行各种变化。

图5A示出根据本发明另一实施例的存储单元500的横截面图，图5B示出图5A的存储单元500的俯视图，其中图5A是沿着图5B中的线A-A'截取的横截面视图。图6示出包括多个图5A和5B所示的存储单元的磁随机存取存储器600的示意性电路图。在图5A、5B和6描述的实施例中，与图3A、3B和4描述的实施例中相同的元件用相同的附图标记指示，这里将省略对其的详细描述。

首先参照图5A，存储单元500包括形成在衬底310上的自旋霍尔效应(SHE)层320、以及设置在SHE层320上的磁性隧道结580。衬底310可以是绝缘衬底、具有绝缘表面的衬底、或者半导体衬底等。SHE层320由具有强的自旋轨道耦合属性的导体材料形成，从而当电流流过SHE层320时，能在其表面上形成自旋极化电流。

磁性隧道结580设置在SHE层320上方并且与SHE层320接触。具体而言，磁性隧道结580包括自由磁层530和参考磁层350，势垒层340夹在二者之间，其中自由磁层530与SHE层320相邻并且直接接触。自由磁层530和参考磁层350均可由铁磁材料形成，自由磁层530的磁矩可以自由翻转，而参考磁层350的磁矩在磁性随机存取存储器的操作期间不发生改变。在参考磁层350上还可以形成有钉扎层360来固定参考磁层350的磁矩，在一些实施例中，钉扎层360也可以被省略。钉扎层360上可以形成有保护层370。

参考磁层350可具有沿垂直方向(Z轴方向)或者大致上在垂直方向上的磁矩。换言之，参考磁层350的易磁化轴可以取向在垂直方向上。但是应注意的是，在本实施例中，自由磁层530的易磁化轴不是在垂直方向上，也不是在面内方向上，而是在从垂直方向(Z轴)轴偏离一定角度的方向上。在一些实施例中，自由磁层530的易磁化轴的方向可以从垂直方向偏离5度至80度的范围，优选在25度至45度的范围。在图5A所示的实施例中，自由磁层530的易磁化轴是从Z轴方向向Y轴方向偏移。

磁性隧道结580的自由磁层530与SHE层320接触，其参考磁层350所在的一侧，在本实施例中为保护层370，连接到第一端子309。SHE层320在其相对两侧分别连接到第二端子501和第三端子503。这些端子可以连接到相应的布线，其将在后面参照图6来详细描述。继续参照图5A和5B，连接第二端子501和第三端子503的假想线B-B'垂直于自由磁层530的易磁化轴和参考磁层350的易磁化轴所限定的平面，在本实施例中为Y-Z平面。从而，通过第二端子501和第三端子503施加的写入电流可以在垂直于Y-Z平面的方向(即，X轴方向)上。

在本实施例中，当通过第二端子501和第三端子503向SHE层320施加沿X轴方向的写入电流时，由于自旋霍尔效应，会在SHE层320的上表面产生自旋极化电流，该自旋极化电流可以提供使自由磁层530的磁矩发生翻转的自旋转矩。在本实施例中，自由磁层530的易磁化轴在从Z轴向Y轴偏离的方向上，由此产生的各向异性能能够提供使自由磁层530的磁矩发生翻转的等效磁场。因此，当在X轴方向上施加写入电流时，在自旋转矩和各向异性能的共同作用下，能够使自由磁层530的磁矩发生翻转。

可以看出，虽然由于参考磁层350的磁矩大致在垂直方向上，而自由磁层530的磁矩从垂直方向偏离预定角度，因此会损失一部分隧穿磁电阻(TMR)性能，但是上述写入过程可以通过仅施加一个写入电流即可完成，操作上更加简单。此外，该写入电流不经过磁性隧道结580，因此可以避免写入操作时对磁性隧道结580的损害。磁性隧道结580中的信息的读取可以通过在第一端子309与第二和第三端子中的任一个之间施加读取电流来进行。读取电流一般较小，也不会对磁性隧道结580造成损害。因此，本实施例的磁性隧道结500也可以具有较长的使用寿命。

下面描述根据本实施例的存储单元500的一些特定示例。

示例3

利用高真空磁控溅射设备在具有SiO₂表面层的Si衬底上制备如下结构：Ta(5nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.2nm)/MgO(3nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(0.8nm)/Ta(5nm)/Ru(5nm)。在制备过程中，背景真空优于1.0×10^-5Pa。顶层的Ru可用作保护层。Co₄₀Fe₄₀B₂₀/MgO/Co₄₀Fe₄₀B₂₀构成磁性隧道结的核心部分。底层的Ta/Co₄₀Fe₄₀B₂₀/MgO结构可以保证作为自由磁层的Co₄₀Fe₄₀B₂₀具有垂直各向异性，顶层的MgO/Co₄₀Fe₄₀B₂₀/Ta结构可以保证作为参考磁层的Co₄₀Fe₄₀B₂₀层具有垂直各向异性。在薄膜制备完成之后，将样品置于真空退火炉中在325℃和0.8T的磁场中退火1小时。应注意，所述磁场的方向为从Z轴方向向例如Y轴方向偏离，偏离角度可以为例如30°。退火后，样品自然冷却至室温。升温、保温和降温过程中，退火炉的真空度优于1.0×10^-3Pa。这样，可以使得自由磁层的易磁化轴取向在退火器件所施加的磁场的方向上。对于参考磁层，由于其具有更大的矫顽力，所以受退火磁场的影响较小，其易磁化轴可以仍基本保持在垂直方向(Z轴)上，或者在从垂直方向偏离较小角度的方向上，所述偏离角度一般小于10度，此时可以说参考磁层的易磁化轴基本在垂直方向上。最后，通过光刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化成椭圆形状，椭圆形状的长轴为20μm，短轴15μm，并且形成相应的布线以在第一至第三端子处连接到所形成的存储单元。应注意的是，第二和第三端子应排列在X轴方向上，以保证写入电流的方向垂直于自由磁层和参考磁层的易磁化轴方向。

示例4

利用高真空磁控溅射设备在具有SiO₂表面层的Si衬底上制备如下结构：Pt(5nm)/Co(1.0nm)/Al₂O₃(3nm)/Co(0.8nm)/Pt(5nm)。在薄膜制备过程中，背景真空优于1.0×10^- ⁵Pa。顶层的Pt层可用作保护层。Co/Al₂O₃/Co构成磁性隧道结的核心部分。底层的Pt/Co/Al₂O₃结构和顶层的Al₂O₃/Co/Pt结构分别保证下上两层Co薄膜的垂直各向异性。在薄膜制备完成后，将样品于真空退火炉中在300℃和0.8T的磁场中退火1小时，磁场的方向从Z轴方向向Y轴方向偏转40°。退火后，样品自然冷却至室温。升温、保温和降温过程中，退火炉的真空度优于1.0×10^-3Pa。最后，通过光刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化成矩形形状，矩形形状的长度为30μm，宽度为20μm，并且形成相应的布线以在第一至第三端子处连接到所形成的存储单元。应注意的是，第二和第三端子应排列在X轴方向上，以保证写入电流的方向垂直于自由磁层和参考磁层的易磁化轴方向。

图6示出根据本发明一实施例的磁随机存取存储器600的示意性电路图，该磁随机存取存储器可以包括前面参照图5A和5B所述的存储单元。

参照图6，磁随机存取存储器600包括存储单元的阵列C11-C34，每行存储单元例如C11-C14通过其第一端子309连接到同一条第一位线例如BL11，并且每行存储单元例如C11-C14还通过其第二端子501和第三端子503中的一个连接到同一条第二位线例如BL21。每行存储单元例如C11-C14的第二端子501和第三端子503中的另一个还通过晶体管T连接到同一条源级线例如SL1。每列存储单元例如C11-C31的晶体管T的控制端(或者说栅极)连接到同一条选择线例如SEL1。

在进行写入操作时，在第二位线上施加写入电流，并且在选择线上施加预定电压，即可完成对特定存储单元的写入。例如，当在第二位线BL22上施加写入电流，并且在选择线SEL3上施加预定电压时，可以完成对存储单元C23的写入。

在进行读取操作时，在第一位线之一上施加读取电流，并且在选择线之一上施加预定电压，即可完成对特定存储单元的读取。例如，在第一位线BL12上施加读取电流，并且在选择线SEL2上施加预定电压，即可在对应的源级线SL2上收到流经存储单元C22的读取电流，从而获得存储单元C22中存储的信息。在读取操作时，可以通过形成在存储单元的阵列周围的行或列控制器(未示出)将第一位线设置为断开。

应理解的是，上面参照图6描述的电路仅是示意性的，在不违背存储单元500的操作原理的情况下，还可以对电路，尤其是其中的布线的连接方式，进行各种变化。

图7A示出根据本发明另一实施例的存储单元700的横截面图，图7B示出图7A的存储单元700的俯视图，其中图7A是沿着图7B中的线A-A'截取的横截面视图。在图7A和7B描述的实施例中，与图3A、3B和4描述的实施例中相同的元件用相同的附图标记指示，这里将省略对其的详细描述。

首先参照图7A，存储单元700包括形成在衬底310上的偏置磁层710、设置在偏置磁层710上的自旋霍尔效应(SHE)层320、以及设置在SHE层320上的磁性隧道结780。偏置磁层710可以由铁磁材料形成，包括但不限于Co、Fe、Ni以及包括它们的合金。偏置磁层710可以具有面内磁化，在图7A中偏置磁层710的磁化方向示为在Y轴方向上。偏置磁层710的磁化在存储单元700的操作期间保持不变，因此偏置磁层710可以使用具有较大矫顽力的材料形成，或者可以形成为具有较大的厚度。在本发明的一些实施例中，偏置磁层710的厚度可以在1nm至50nm的范围，优选在2nm至20nm的范围。在另一些实施例中，还可以在偏置磁层710与衬底310之间设置反铁磁钉扎层来钉扎偏置磁层710的磁化方向。

SHE层320设置在偏置磁层710上，磁性隧道结780设置在SHE层320上。磁性隧道结780包括与SHE层320接触的自由磁层730、设置在自由磁层730上的势垒层340、以及设置在势垒层340上的参考磁层350。磁性隧道结780还可以包括设置在参考磁层350上的钉扎层360、以及设置在钉扎层360上的保护层370。保护层370可以连接到第一端子309。

参考磁层350可具有沿垂直方向的磁矩。或者说，参考磁层350的易磁化轴可以取向在垂直方向上。在本实施例中，应注意的是，虽然自由磁层730的易磁化轴也可以在垂直方向上(或者在稍微偏离垂直方向的方向上)，但是其磁矩不是在垂直方向上。而是，自由磁层730和偏置磁层710通过由SHE层320所诱导的交换耦合而彼此耦合，该耦合可以是铁磁耦合(平行耦合)，也可以是反铁磁耦合(反平行耦合)。因此，使得自由磁层730的磁矩向偏置磁层710的磁矩方向(或其反方向)偏转。图7A示出铁磁耦合的情况，其中偏置磁层710具有在Y轴方向上的面内磁化，自由磁层730的磁矩从Z轴方向朝向偏置磁层710的磁化方向偏转。在未示出的反平行耦合的情况下，自由磁层730的磁矩从Z轴方向朝向偏置磁层710的磁化方向的反方向偏转。是平行耦合还是反平行耦合取决于SHE层320的材料和厚度。即便对于同一种材料，通过改变其厚度即可产生平行耦合和反平行耦合。因此，本实施例的SHE层320既要由具有较强的自旋轨道耦合特性的材料形成以实现自旋霍尔效应，又要设计有适当的厚度以诱导所需的反平行或平行耦合。在本发明一些实施例中，SHE层320的厚度可以在0.4nm至20nm的范围内，优选在0.8至6nm的范围内。

SHE层320还在其相对两侧分别连接到第二端子701和第三端子703。这些端子可以连接到相应的布线，其将在后面参照图8来详细描述。继续参照图7A和7B，连接第二端子701和第三端子703的假想线A-A'平行于偏置磁层710的磁化方向，在本实施例中为Y轴方向。从而，通过第二端子701和第三端子703施加的写入电流可以在与偏置磁层710的磁化方向平行的方向(即，Y轴方向)上。

在本实施例中，当通过第二端子701和第三端子703向SHE层320施加沿Y轴方向的写入电流时，由于自旋霍尔效应，会在SHE层320的上表面产生自旋极化电流，该自旋极化电流可以提供使自由磁层730的磁矩发生翻转的自旋转矩。在本实施例中，偏置磁层710和自由磁层730交换耦合，这相当于向自由磁层730施加一个Y轴方向(偏置磁层710的磁化方向)上的等效磁场。在该自旋转矩和等效磁场的共同作用下，能够使自由磁层730的磁矩发生翻转。应注意，当自由磁层730的磁场发生翻转之后，其仍受到与偏置磁场730的交换耦合的作用。在图7A所示的平行耦合的情况中，自由磁层730的磁矩朝向偏置磁层710的磁化方向偏转，因此最终稳定在虚线箭头所示的方向上。

可以看出，虽然由于参考磁层350的磁矩大致在垂直方向上，而自由磁层730的磁矩从垂直方向偏离预定角度，因此会损失一部分隧穿磁电阻(TMR)性能，但是上述写入过程可以通过仅施加一个写入电流即可完成，操作上更加简单。此外，该写入电流不经过磁性隧道结780，因此可以避免写入操作时对磁性隧道结780的损害。磁性隧道结780中的信息的读取可以通过在第一端子309与第二和第三端子中的任一个之间施加读取电流来进行。读取电流一般较小，也不会对磁性隧道结780造成损害。因此，本实施例的磁性隧道结700也可以具有较长的使用寿命。此外，各个磁层的易磁化轴在垂直方向或面内方向上，这可以在沉积用于形成各个磁层的薄膜时即可实现，而不需要额外的退火工艺，因此制作工艺更简单，进而能节省成本。

下面描述根据本实施例的存储单元700的一些特定示例。

示例5

利用高真空磁控溅射设备在具有SiO₂表面层的Si衬底上制备如下结构Ta(5nm)/MgO(1nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2nm)/Ta(1.3nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.2nm)/MgO(2nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.0nm)/Ta(5nm)/Ru(5nm)。顶层的Ru用作保护层。最下面的2nm厚的Co₄₀Fe₄₀B₂₀层具有面内磁化，其用作偏置磁层。中间的1.2nm厚的Co₄₀Fe₄₀B₂₀层用作自由磁层，其易磁化轴在垂直方向上，并且其通过1.3nm厚的Ta层与偏置磁层反铁磁耦合，使得其磁化方向从垂直方向朝向偏置磁层的磁化方向的反方向倾斜，从而具有面内分量。最上面的1.0nm厚的Co₄₀Fe₄₀B₂₀层用作参考磁层，其具有垂直磁化。薄膜制备完成后，通过光刻和蚀刻工艺来将磁性隧道结图案化成椭圆形状，椭圆形状的长轴为20μm，短轴15μm，并且形成相应的布线以在第一至第三端子处连接到所形成的存储单元。

示例6

利用高真空磁控溅射设备在具有SiO₂表面层的Si衬底上制备如下结构Ta(5nm)/MgO(1nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2nm)/Pt(2nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.2nm)/MgO(2nm)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(1.0nm)/Ta(5nm)/Ru(5nm)。应注意，示例6与示例5基本相同，除了将用作SHE层320的1.3nm厚的Ta层用2nm厚的Pt层替换之外。2nm厚的Pt层可以诱导产生铁磁耦合，使得用作自由层的中间的Co₄₀Fe₄₀B₂₀层的磁化方向从垂直方向朝向用作偏置磁层的Co₄₀Fe₄₀B₂₀层的磁化方向偏转。示例6的其他方面与示例5相同，此处不再详细描述。

可以看出，存储单元700的端子设置与前面描述的存储单元500相同，因此存储单元700也可以在图6所示的磁随机存取存储器600中用作存储单元C11-C34。包括存储单元700的磁随机存取存储器600的操作与前面描述的包括存储单元500的磁随机存取存储器600的操作相似，此处不再重复描述。

上面在磁随机存取存储器的上下文中描述了本发明的一些实施例和示例，但是本发明并不局限于此。可以理解的是，本发明的原理还可以应用到自旋逻辑器件。

图8示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件800。如图8所示，自旋逻辑器件800包括形成在衬底(未示出)上的自旋霍尔效应SHE层320和形成在SHE层320上的磁性隧道结380，磁性隧道结380包括依次形成在SHE层320上的自由磁层330、势垒层340、参考磁层350、钉扎层360和保护层370。保护层370可连接到第一端子309，SHE层320可以在其周边连接到第二端子301、第三端子305、第四端子303和第五端子307。可以看出，自旋逻辑器件800的结构与上面参照图3A和3B描述的存储单元300相同，因此此处将省略对其的进一步详细描述。

下面将继续参考图8来描述自旋逻辑器件800的操作。如前所述，自旋逻辑器件800可以具有与高电阻态对应的反平行状态和与低电阻态对应的平行状态。这里，将高电阻态定义为逻辑“1”，将低电阻态定义为逻辑“0”。应理解，在另一些实施例中，将高电阻态定义为逻辑“0”，并且将低电阻态定义为逻辑“1”，也是可行的。在第二端子301和第四端子303之间施加第一输入电流I₁，且图示箭头方向定义为正，在第三端子305和第五端子之间施加第二输入电流I₂，且图示箭头方向定义为正。将大于翻转临界电流I_C的输入电流定义为逻辑输入“1”，将小于翻转临界电流I_C的输入电流定义为逻辑输入“0”。此外，还跨磁性隧道结380施加读取电流I_R，例如在第一端子309与SHE层320或SHE层320上的第二至第五端子中的任何一个之间施加读取电流I_R。

在第一操作示例中，自旋逻辑器件800可以用作逻辑“与”(AND)门。初始时，可以将自旋逻辑器件800设置成平行状态，如实线箭头所示。当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均低于翻转临界电流I_C，即都为逻辑“0”时，磁性隧道结380保持为平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“0”；当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂中的一个大于翻转临界电流I_C而另一个小于翻转临界电流I_C，即一个为逻辑“0”而另一个为逻辑“1”时，磁性隧道结380仍保持为平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出仍为“0”；当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均高于翻转临界电流I_C，即二者都为逻辑“1”时，磁性隧道结380发生翻转，变为反平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“1”。因此，自旋逻辑器件800可以操作为“与”门，并且符合表1所示的“与”门的真值表。应注意的是，磁性隧道结380(或者更具体地，自由磁层330)的翻转会影响“与”门的进一步操作，因此在每次逻辑运算之后，或者至少在检测到逻辑输出“1”之后，需要对自旋逻辑器件800进行复位操作以恢复到初始状态。具体而言，可以施加电流I₁和I₂，其中I₁和I₂中的一个大于I_C，另一个小于负I_C，或者说在负方向上大于I_C，即可使磁性隧道结380恢复到初始平行状态。

表1：“与”门的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			0	0	0

1	0	0
			0	1	0
1	1	1

在第二操作示例中，自旋逻辑器件800还可以用作逻辑“非”(NOT)门。此时，可以将磁性隧道结380的初始状态设置为反平行(例如，自由磁层330的磁矩初始如虚线箭头所示)，将电流I₁视为逻辑输入，将电流I₂用作控制电流，并且将I₂固定为在负方向上大于翻转临界电流I_C，即I₂<-I_C。当I₁＝“0”时，通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“1”；当I₁＝“1”时，磁性隧道结380翻转到平行状态，此时逻辑输出为“0”。因此，自旋逻辑器件800可以操作为逻辑“非”门，并且符合表2所示的“非”门的真值表。

同样，在每次逻辑运算之后，或者至少在检测到逻辑输出“0”之后，需要对自旋逻辑器件800进行复位操作以恢复到初始状态。具体而言，可以保持I₂固定不变，施加在负方向上大于I_C的电流I₁，即可使磁性隧道结380恢复到初始反平行状态。

表2：“非”门的真值表

输入电流I₁	输出
		0	1
1	0

应理解，除了图8所示的自旋逻辑器件800以外，这里描述的“非”门还可以利用图5A、5B和图7A、7B所示的结构来实现，其原理上面的描述类似，只是用各向异性等效磁场(图5A、5B)和交换耦合等效磁场(图7A、7B)代替了控制电流I₂。因此，这里不再对其进行详细描述。

在第三操作示例中，自旋逻辑器件800还可以用作逻辑“与非”(NAND)门。此时，可以将磁性隧道结380的初始状态设置为反平行(例如，自由磁层330的磁矩初始如虚线箭头所示)。此时，将第一输入电流I₁和第二输入电流I₂中的一个的正方向定义为图示方向，另一个的正方向定义为与图示方向相反的方向。当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均低于翻转临界电流I_C，即都为逻辑“0”时，磁性隧道结380保持为反平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“1”；当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂中的一个大于翻转临界电流I_C而另一个小于翻转临界电流I_C，即一个为逻辑“0”而另一个为逻辑“1”时，磁性隧道结380仍保持为反平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出仍为“1”；当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均高于翻转临界电流I_C，即二者都为逻辑“1”时，磁性隧道结380发生翻转，变为平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“1”。因此，自旋逻辑器件800可以操作为“与非”门，并且符合表3所示的“与非”门的真值表。应注意的是，磁性隧道结380(或者更具体地，自由磁层330)的翻转会影响“与非”门的进一步操作，因此在每次逻辑运算之后，或者至少在检测到逻辑输出“0”之后，需要对自旋逻辑器件800进行复位操作以恢复到初始状态。具体而言，可以施加电流I₁和I₂，其中I₁和I₂中的一个大于I_C，另一个小于负I_C，或者说在负方向上大于I_C，即可使磁性隧道结380恢复到初始反平行状态。

表3：“与非”门的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			0	0	1
1	0	1
			0	1	1
1	1	0

在第四操作示例中，自旋逻辑器件800还可以用作逻辑“或”(OR)门。此时，可以将磁性隧道结380的初始状态设置为平行状态。此时，将电流I₂用作控制电流，并且其保持固定为大于临界电流I_C。将电流I₁用两个输入电流，即第一输入电流I_1a和第二输入电流I_1b代替。也就是说，第一输入电流I_1a和第二输入电流I_1b都施加在端子301和303上。在一些实施例中，端子301和303中的一个可以被两个彼此临近的端子代替，以分别接收电流I_1a和I_1b。当第一输入电流I_1a和第二输入电流I_1b均低于翻转临界电流I_C，即都为逻辑“0”时，磁性隧道结380保持为平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“0”；当第一输入电流I_1a和第二输入电流I_1b中的一个大于翻转临界电流I_C或者两者均大于临界电流I_C，即一个为逻辑“1”或者两者均为逻辑“1”时，磁性隧道结380翻转为反平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“1”。因此，自旋逻辑器件800可以操作为“或”门，并且符合表4所示的“或”门的真值表。应注意的是，磁性隧道结380(或者更具体地，自由磁层330)的翻转会影响“或”门的进一步操作，因此在每次逻辑运算之后，或者至少在检测到逻辑输出“1”之后，需要对自旋逻辑器件800进行复位操作以恢复到初始状态。具体而言，可以将电流I_1a和/或I_1b设置为在反方向上大于I_C，即可使磁性隧道结380恢复到初始平行状态。

表4：“或”门的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			0	0	0
1	0	1
			0	1	1
1	1	1

在第五操作示例中，自旋逻辑器件800还可以用作逻辑“或非”(NOR)门。此时，可以将磁性隧道结380的初始状态设置为反平行状态。此时，将电流I₂用作控制电流，并且其保持固定为大于临界电流I_C。将电流I₁用两个输入电流，即第一输入电流I_1a和第二输入电流I_1b代替。也就是说，第一输入电流I_1a和第二输入电流I_1b都施加在端子301和303上。在一些实施例中，端子301和303中的一个可以被两个彼此临近的端子代替，以分别接收电流I_1a和I_1b。输入电流的正方向可以设置为与上面“或”门的情况相反。当第一输入电流I_1a和第二输入电流I_1b均低于翻转临界电流I_C，即都为逻辑“0”时，磁性隧道结380保持为反平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“1”；当第一输入电流I_1a和第二输入电流I_1b中的一个大于翻转临界电流I_C或者两者均大于临界电流I_C，即一个为逻辑“1”或者两者均为逻辑“1”时，磁性隧道结380翻转为平行状态，此时通过读取电流I_R获得的逻辑输出为“0”。因此，自旋逻辑器件800可以操作为“或非”门，并且符合表5所示的“或非”门的真值表。应注意的是，磁性隧道结380(或者更具体地，自由磁层330)的翻转会影响“或非”门的进一步操作，因此在每次逻辑运算之后，或者至少在检测到逻辑输出“0”之后，需要对自旋逻辑器件800进行复位操作以恢复到初始状态。具体而言，可以将电流I_1a和/或I_1b设置为在反方向上大于I_C，即可使磁性隧道结380恢复到初始平行状态。

表5：“或非”门的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			0	0	1
1	0	0
			0	1	0
1	1	0

可以看出，通过不同地配置自旋逻辑器件800，可以将其操作为逻辑“与”门、逻辑“非”门、逻辑“或”门、逻辑“与非”门和逻辑“或非”门。因此，本实施例的自旋逻辑器件800是可编程的。此外，还可以使用多个自旋逻辑器件800来实现更复杂的逻辑运算，进而实现全部由自旋逻辑器件构成的逻辑电路。

图9示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件900。在自旋逻辑器件900中，与图8的自旋逻辑器件800相同的元件用相同的附图标记指示，这里将省略对其的重复描述。

如图9所示，自旋逻辑器件900包括形成在衬底(未示出)上的第一自旋霍尔效应SHE层320和形成在第一SHE层320上的磁性隧道结980，磁性隧道结980包括依次形成在第一SHE层320上的第一磁层330、势垒层340和第二磁层950。应注意，第一磁层330和第二磁层950均可以是自由磁层，其磁化可以根据本发明所公开的原理而被翻转。第一SHE层320可以在其周边连接到第一端子301、第二端子305、第三端子303和第四端子307。第一至第四端子的设置可以与前面的描述相同，因此此处将省略对其的进一步详细描述。

在第二磁层950上还可以设置有第二SHE层960。虽然图9示出了第二SHE层960具有与磁性隧道结980相同的椭圆图案，但是第二SHE层960也可以具有与磁性隧道结980不同的图案。例如，在一些实施例中，第二SHE层960可以被图案化成矩形，其覆盖下面的具有椭圆图案的磁性隧道结980。第二SHE层960可以在其周边连接到第五端子901、第六端子905、第七端子903和第八端子907。第五至第八端子的设置可以与第一至第四端子类似，因此此处将省略对其的进一步详细描述。

下面将描述自旋逻辑器件900的操作。首先，自旋逻辑器件900可以像自旋逻辑器件800那样操作，此时只需要使用第五至第八端子中的一个来施加读取电流IR，而另外三个可以不被使用。其它操作与自旋逻辑器件800相同，即可将自旋逻辑器件900操作为逻辑“与”门、逻辑“非”门、逻辑“或”门、逻辑“与非”门和逻辑“或非”门。

在又一示例中，自旋逻辑器件900还可以操作为逻辑“异或”(XOR)门。此时，电流I₁可以施加在第一端子301和第三端子303之间，并且用作第一控制电流。第一控制电流I₁的大小保持为大于翻转临界电流I_C。第一输入电流I₂可以施加在第二端子305和第四端子307之间。类似地，第二控制电流I₃可以施加在第五端子901和第七端子903之间，并且其大小保持为大于翻转临界电流I_C；第二输入电流I₄可以施加在第六端子905和第八端子907之间。此外，在第一至第四端子301至307中的任一个与第五至第八端子901至907中的任一个之间施加读取电流I_R。

初始时，第一磁层330和第二磁层950设置为平行状态。当第一输入电流I₂和第二输入电流I₄均为“0”时，第一磁层330和第二磁层950均不发生翻转，因此磁性隧道结980保持为平行状态，输出逻辑“0”。当第一输入电流I₂和第二输入电流I₄中的一个为“0”，而另一个为“1”时，第一磁层330和第二磁层950中的一个不发生翻转，而另一个发生翻转，因此磁性隧道结980变为反平行状态，输出逻辑“1”。当第一输入电流I₂和第二输入电流I₄均为“1”时，第一磁层330和第二磁层950均发生翻转，因此磁性隧道结980仍保持为平行状态，输出逻辑“0”。因此，自旋逻辑器件900可以操作为“异或”门，并且符合表6所示的“异或”门的真值表。应注意的是，磁性隧道结980的翻转会影响“异或”门的进一步操作，因此在每次逻辑运算之后，或者至少在检测到逻辑输出“1”之后，需要对自旋逻辑器件900进行复位操作以恢复到初始平行状态。

表6：“异或”门的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			0	0	0
1	0	1
			0	1	1
1	1	0

在又一示例中，自旋逻辑器件900还可以操作为逻辑“同或”(XNOR)门。此时，电流I₁、I₂、I₃和I₄可以如上面描述的那样施加，只是初始时第一磁层330和第二磁层950设置为反平行状态。当第一输入电流I₂和第二输入电流I₄均为“0”时，第一磁层330和第二磁层950均不发生翻转，因此磁性隧道结980保持为反平行状态，输出逻辑“1”。当第一输入电流I₂和第二输入电流I₄中的一个为“0”，而另一个为“1”时，第一磁层330和第二磁层950中的一个不发生翻转，而另一个发生翻转，因此磁性隧道结980变为平行状态，输出逻辑“0”。当第一输入电流I₂和第二输入电流I₄均为“1”时，第一磁层330和第二磁层950均发生翻转，因此磁性隧道结980仍保持为反平行状态，输出逻辑“1”。因此，自旋逻辑器件900可以操作为“同或”门，并且符合表7所示的“同或”门的真值表。应注意的是，磁性隧道结980的翻转会影响“同或”门的进一步操作，因此在每次逻辑运算之后，或者至少在检测到逻辑输出“0”之后，需要对自旋逻辑器件900进行复位操作以恢复到初始反平行状态。

表7：“同或”门的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			0	0	1
1	0	0
			0	1	0
1	1	1

可以看出，通过进行不同的配置，单个自旋逻辑器件900可以操作为逻辑“与”门、逻辑“非”门、逻辑“或”门、逻辑“与非”门、逻辑“或非”门、逻辑“异或”门和逻辑“同或”门，因此可以简化逻辑电路的结构，并且减小电路面积，进一步提高电路的集成度。而且，与普通的半导体逻辑器件相比，这里描述的自旋逻辑器件具有许多优点，例如可高频操作、可编程、防辐射、与磁随机存取存储器兼容等。

图10示出根据本发明一实施例的电子设备1000，其中可以使用上述实施例中描述的磁随机存取存储器和自旋逻辑器件。如图10所示，电子设备1000包括输入模块1010、处理模块1020、存储模块1030和输出模块1040。

输入模块1010可以配置为接收用户的输入。例如，输入模块1010可以是键盘、麦克风、触摸屏等。处理模块1020可以对数据进行处理。例如，处理模块1020可以是中央处理单元。处理模块1020可以包括逻辑电路，其包括多个上面参照图8和9描述的自旋逻辑器件，以进行逻辑运算等。存储模块1030可以包括上面描述的磁随机存取存储器，其用于存储供处理模块1020使用的数据，诸如操作系统、指令、文档、音频和视频数据等等。处理模块1020可以将处理之后的数据传输至输出模块1040以供输出。输出模块1040可以是例如扬声器、显示器等。在一些实施例中，输出模块1040和输入模块1010可以集成为一个模块，例如为触摸屏显示器。输入模块1010、处理模块1020、存储模块1030和输出模块1040可以通过总线1050彼此通信。可以理解的是，电子设备1000可以是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。

尽管已经图示并描述了本申请的具体实施例和应用，但是要理解，所述实施例不限于在这里公开的确切结构和组件，并且可以在本申请的方法和设备的安排、操作和细节上做出对于本领域技术人员而言明显的各种修改、改变和变化，而没有脱离如在所附权利要求中限定的本公开的精神和范围。

Claims

1.一种电流驱动型磁随机存取存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：

磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述参考磁层耦接到第一端子；以及

与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二端子、第三端子、第四端子和第五端子，连接所述第二端子和所述第四端子的假想线与连接所述第三端子和所述第五端子的假想线彼此交叉。

2.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，连接所述第二端子和所述第四端子的假想线与连接所述第三端子和所述第五端子的假想线的交叉角度在60度至120度的范围。

3.如权利要求2所述的磁随机存取存储器，其中，连接所述第二端子和所述第四端子的假想线与连接所述第三端子和所述第五端子的假想线彼此垂直。

4.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，所述自由磁层具有沿垂直方向的易磁化轴，并且所述自由磁层的磁矩能在所述垂直方向上翻转，所述参考磁层具有沿所述垂直方向的易磁化轴，并且所述参考磁层具有固定磁矩。

5.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，还包括：

钉扎层，其形成在所述参考磁层的与所述势垒层相反的一侧以固定所述参考磁层的磁矩。

6.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，所述SHE层由选自包括以下材料的组的材料形成：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er和Tm，以及它们的任意组合。

7.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，所述SHE层的厚度在0.5nm至30nm的范围。

8.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，所述第一端子连接到位线，所述SHE层经所述第二端子和所述第四端子连接到第一字线并且用作所述第一字线的一部分，所述SHE层还经所述第三端子和所述第五端子连接到第二字线并且用作所述第二字线的一部分。

9.如权利要求8所述的磁随机存取存储器，其中，所述第二端子、所述第三端子、所述第四端子和所述第五端子中的一个还经选择晶体管连接到源级线，所述选择晶体管的控制端子连接到选择线。

10.一种电流驱动型磁随机存取存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：

磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述自由磁层具有从垂直方向偏移预定角度的易磁化轴，所述参考磁层耦接到第一端子；以及

与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二端子和第三端子，所述第二端子和所述第三端子关于所述SHE层彼此相对，并且连接所述第二端子和所述第三端子的假想线垂直于由所述参考磁层的易磁化轴和所述自由磁层的易磁化轴限定的平面。

11.如权利要求10所述的磁随机存取存储器，其中，所述自由磁层的易磁化轴从所述垂直方向的偏移角度在5度至80度的范围。

12.如权利要求10所述的磁随机存取存储器，其中，所述参考磁层具有沿所述垂直方向的易磁化轴。

13.如权利要求10所述的磁随机存取存储器，其中，所述第一端子连接到位线，所述SHE层经所述第二端子和所述第三端子连接到字线并且用作所述字线的一部分。

14.如权利要求13所述的磁随机存取存储器，其中，所述第二端子和所述第三端子中的一个还经选择晶体管连接到源级线，所述选择晶体管的控制端子连接到选择线。

15.一种电流驱动型磁随机存取存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：

磁隧道结，具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，所述参考磁层耦接到第一端子；

与所述自由磁层相邻并且接触的自旋霍尔效应SHE层，所述SHE层在其周边耦接到第二端子和第三端子，所述第二端子和所述第三端子关于所述SHE层彼此相对；以及

偏置磁层，其设置在所述SHE层的与所述自由磁层相反的一侧，并且通过所述SHE层与所述自由磁层铁磁或反铁磁耦合。

16.如权利要求15所述的磁随机存取存储器，其中，所述偏置磁层具有固定的面内磁矩。

17.如权利要求16所述的磁随机存取存储器，还包括：

钉扎层，设置在所述偏置磁层的与所述SHE层相反的一侧以固定所述偏置磁层的磁矩。

18.如权利要求16所述的磁随机存取存储器，其中，连接所述第二端子和所述第三端子的假想线平行于所述偏置磁层的面内磁矩方向。

19.如权利要求15所述的磁随机存取存储器，其中，所述自由磁层和所述参考磁层具有沿垂直方向的易磁化轴。

20.如权利要求15所述的磁随机存取存储器，其中，所述SHE层的厚度在0.5nm至15nm的范围。

21.一种自旋逻辑器件，包括：

22.如权利要求21所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“与”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于平行状态，所述第二端子和所述第四端子用于施加第一输入电流，所述第三端子和所述第五端子用于施加第二输入电流，并且所述第二端子、所述第三端子、所述第四端子和所述第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

23.如权利要求21所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“非”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于反平行状态，所述第二端子和所述第四端子用于施加控制电流，所述第三端子和所述第五端子用于施加输入电流，并且所述第二端子、所述第三端子、所述第四端子和所述第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

24.如权利要求21所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“与非”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于反平行状态，所述第二端子和所述第四端子用于施加第一输入电流，所述第三端子和所述第五端子用于施加第二输入电流，并且所述第二端子、所述第三端子、所述第四端子和所述第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

25.如权利要求21所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“或”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于平行状态，所述第二端子和所述第四端子用于施加控制电流，所述第三端子和所述第五端子用于施加第一输入电流以及第二输入电流，并且所述第二端子、所述第三端子、所述第四端子和所述第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

26.如权利要求21所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“或非”门，所述自由磁层和所述参考磁层初始处于反平行状态，所述第二端子和所述第四端子用于施加控制电流，所述第三端子和所述第五端子用于施加第一输入电流以及第二输入电流，并且所述第二端子、所述第三端子、所述第四端子和所述第五端子中的任一个和所述第一端子用于施加读取电流。

27.一种自旋逻辑器件，包括：

磁隧道结，具有第一磁层、第二磁层以及位于二者之间的势垒层；

与所述第一磁层相邻并且接触的第一自旋霍尔效应SHE层，所述第一SHE层在其周边耦接到第一端子、第二端子、第三端子和第四端子，连接所述第一端子和所述第三端子的假想线与连接所述第二端子和所述第四端子的假想线彼此交叉；以及

与所述第二磁层相邻并且接触的第二自旋霍尔效应SHE层，所述第二SHE层在其周边耦接到第五端子、第六端子、第七端子和第八端子，连接所述第五端子和所述第七端子的假想线与连接所述第六端子和所述第八端子的假想线彼此交叉。

28.如权利要求27所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“异或”门，所述第一磁层和所述第二磁层初始处于平行状态，所述第一端子和所述第三端子用于施加第一控制电流，所述第二端子和所述第四端子用于施加第一输入电流，所述第五端子和所述第七端子用于施加第二控制电流，所述第六端子和所述第八端子用于施加第二输入电流，并且所述第一端子、所述第二端子、所述第三端子和所述第四端子中的任一个与所述第五端子、所述第六端子、所述第七端子和所述第八端子中的任一个用于施加读取电流。

29.如权利要求27所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件被配置为逻辑“同或”门，所述第一磁层和所述第二磁层初始处于反平行状态，所述第一端子和所述第三端子用于施加第一控制电流，所述第二端子和所述第四端子用于施加第一输入电流，所述第五端子和所述第七端子用于施加第二控制电流，所述第六端子和所述第八端子用于施加第二输入电流，并且所述第一端子、所述第二端子、所述第三端子和所述第四端子中的任一个与所述第五端子、所述第六端子、所述第七端子和所述第八端子中的任一个用于施加读取电流。

30.一种电子设备，包括：

处理模块；以及

存储有供所述处理模块进行处理的数据的存储模块，

其中，所述处理模块和所述存储模块中的至少一个包括电流驱动型自旋电子学器件，所述自旋电子学器件包括：

31.如权利要求30所述的电子设备，其中所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。