CN105355778A - 磁电隔离器、磁存储器、磁电流传感器和磁温度传感器 - Google Patents

磁电隔离器、磁存储器、磁电流传感器和磁温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及诸如磁电隔离器、磁存储器、磁电流传感器和磁温度传感器之类的自旋电子学器件。在一些实施例中，一种磁电隔离器可包括：第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号。在另一些实施例中，所述自旋电子学器件还可以是磁存储器、磁电流传感器、磁温度传感器等。

Description

磁电隔离器、磁存储器、磁电流传感器和磁温度传感器
技术领域
本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种能利用磁子来传输信息的自旋电子学器件，所述自旋电子学器件可以是磁电隔离器、磁存储器、磁电流传感器或磁温度传感器。
背景技术
传统的电子学器件都是利用电子的电荷属性来工作的。随着大规模集成电路的集成密度不断提升，单个器件的尺寸不断向更小的方向发展。在纳米尺度下，电子学器件面临很多的挑战，例如，量子效应开始影响电路的行为。因此，开发新型电路对于集成电路的发展具有非常重要的意义。
近二十年来，自旋电子学得到了长足的发展。电子除了电荷自由度之外，还具有自旋自由度。自旋是电子与生俱来的一个角动量，不同自旋的电子在输运过程中表现出不同的行为。通过对电子自旋的操控，已经为理论研究和应用科学开启了另一扇大门，许多新颖的自旋相关物理现象相继被发现，因此也产生了许多新颖的基于自旋自由度的器件。例如，已经提出了磁随机存取存储器、磁传感器、磁振荡器、自旋晶体管等等，并且其中的一些已经被广泛使用。
发明内容
在现有的自旋电子学器件中，自旋仍是借助于电流来传输的，因此只能在导体中传输。通过使用特殊的材料，例如铁磁金属，可以产生自旋极化的电流，一般简称为自旋流。本发明人发现，自旋也可以利用磁子在磁性绝缘材料中传输。磁子，亦称为自旋波，是磁材料基态的元激发，同时携带有一个角动量，因此可以作为信息的载体。与传统的自旋电子学相比，基于磁性绝缘体的磁子流可以实现纯的自旋信息传播，而不会与电子的电荷自由度耦合。由于不包含电荷的输运，所以基于磁子流的信息传递基本不会产生热损耗，从而能够大幅度降低器件的功耗。
本发明的一个方面在于提供一种磁电隔离器，其可包括：第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，例如电压信号或电流信号。
在一些实施例中，所述第一电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电信号沿所述第一方向产生在所述第二电极层上。
在一些实施例中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。所述磁性绝缘层的厚度为1nm至50μm。
在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。所述第一电极层和所述第二电极层之间的间距为3nm至50μm。
在一些实施例中，所述磁性绝缘层由从包括如下材料的组中选择的材料形成：R3Fe5O12，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；MFe2O4，其中M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg或Co；Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19。
在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层中的每个由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应AHE材料形成。
在一些实施例中，所述SHE材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，或它们的组合；IrMn、PtMn、AuMn；Bi2Se3、Bi2Te3。所述AHE材料包括：Fe、Co、Ni、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，或它们的组合。
在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层中的每个的厚度为0.6nm至100nm。
在一些实施例中，所述第一电极层连接到第一电极端子和第二电极端子以用于施加沿所述第一方向的所述第一电流，并且所述第一电极层还连接到第三电极端子和第四电极端子以用于施加沿所述第二方向的第二电流，所述第二电流用于将所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第一方向上，并且当取消所述第二电流时，所述磁性绝缘层的磁化稳定在所述第一方向上。
在一些实施例中，所述磁电隔离器还包括：第三电极层，由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应AHE材料形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上，并且用于施加沿所述第二方向的第二电流，所述第二电流用于将所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第一方向上，并且当取消所述第二电流时，所述磁性绝缘层的磁化稳定在所述第一方向上。
在一些实施例中，所述第一方向是所述磁性绝缘层的易磁化轴方向和形状各向异性方向之一，所述第二方向是所述易磁化轴方向和所述形状各向异性方向中的另一个。
在一些实施例中，当所述磁性绝缘层的磁化稳定在所述第一方向上时，所述磁性绝缘层的磁化能通过施加大于预定阈值的所述第一电流而恢复到所述第二方向上。
本发明的另一方面提供一种具有多个存储单元的磁存储器，每个存储单元包括：第一电极层，其在施加有沿第一方向的第一电流时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，所述磁性绝缘层的磁化能在所述第一方向与第二方向之间切换，所述第二方向垂直于所述第一方向；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，其中，当所述磁性绝缘层的磁化在所述第二方向上时，所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，且其中，当所述磁性绝缘层的磁化在所述第一方向上时，所述第一电极层产生的自旋流基本不能在所述磁性绝缘层中激发磁子流，从而所述第二电极层不能生成所述电信号。
在一些实施例中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
在一些实施例中，所述第一电极层连接到第一电极端子和第二电极端子以用于施加所述第一电流，并且所述第一电极层还连接到第三电极端子和第四电极端子以用于施加沿所述第二方向的第二电流，当所述第一电流大于一预定阈值时，能使所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第二方向上，当所述第二电流大于一预定阈值时，能使所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第一方向上。
在一些实施例中，所述第一方向是所述磁性绝缘层的易磁化轴方向和形状各向异性方向之一，所述第二方向是所述易磁化轴方向和所述形状各向异性方向中的另一个。
在一些实施例中，所述第一电极层的所述第一电极端子和所述第三电极端子分别通过第一晶体管和第三晶体管连接到第一位线，并且所述第一电极层的所述第二电极端子和所述第四电极端子分别通过第二晶体管和第四晶体管连接到第一源极线，所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端子连接到第一控制线，并且所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端子连接到第二控制线。所述第二电极层通过第五电极端子连接到第二位线，并且通过第六电极端子连接到第二源极线，所述第五电极端子和所述第六电极端子排列在所述第一方向上。在所述第六电极端子和所述第二源极线之间串联连接有第五晶体管，所述第五晶体管的控制端子连接到选择线。
本发明的另一方面提供一种磁电流传感器，其包括：第一电极层，其在待测电流流过时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，所述电信号的幅度大小与所述待测电流成正比。
在一些实施例中，所述待测电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电压信号沿所述第一方向生成在所述第二电极层上。
在一些实施例中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。
本发明的另一方面提供一种磁温度传感器，其包括：第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，所述电压信号的幅度大小与环境温度成正比。
在一些实施例中，所述第一电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电压信号沿所述第一方向生成在所述第二电极层上。
在一些实施例中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
在一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。
本发明的另一方面提供一种自旋电子学器件，其包括：第一电极层，其由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应材料形成；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层；以及第二电极层，其由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应材料形成，接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层间隔开。
本发明的另一方面提供一种自旋电子学器件，其包括：第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号。
附图说明
下面的附图中示出本发明的一些示范性实施例。应注意，附图不是按比例绘制的。
图1示出了演示本发明的基本原理的自旋电子学器件的结构示意图。
图2示出了根据本发明一示范性实施例的磁电隔离器的结构示意图。
图3示出了在图2所示的磁电隔离器中，作为输入电流的函数的输出电信号的曲线图。
图4示出了根据本发明另一示范性实施例的磁电隔离器的结构示意图。
图5示出了根据本发明另一示范性实施例的磁电隔离器的结构示意图。
图6示出了根据本发明一示范性实施例的磁存储器的存储单元的结构示意图。
图7A和7B示出了根据本发明一示范性实施例的磁存储器的示意性电路图。
图8A和8B示出了根据本发明一示范性实施例的磁存储器的示意性电路图。
图9示出了根据本发明一示范性实施例的磁电流传感器的结构示意图。
图10是示出图2所示的磁电隔离器在不同温度下的传输特性的曲线图。
图11示出了根据本发明一示范性实施例的磁温度传感器的结构示意图。
图12示出了图11的磁温度传感器的作为温度的函数的传输系数的曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的示范性实施例。通过结合附图阅读下面的详细描述，本发明的基本原理将对本领域技术人员变得显而易见。应理解的是，本发明不限于下面描述的示范性实施例，而是可以进行形式和细节上的许多变化。
自旋电子学器件
图1示出了演示本发明的基本原理的自旋电子学器件100的结构示意图。如图1所示，自旋电子学器件100包括第一电极层110、磁性绝缘层120和第二电极层130。
第一电极层110和第二电极层130二者都可以由具有强的自旋轨道耦合(SOC)的材料形成。典型地，第一电极层110和第二电极层130二者都可以由具有自旋霍尔效应(SHE)或反常霍尔效应(AHE)的材料形成。具有自旋霍尔效应的材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y之类的单质金属，或者它们的合金，诸如IrMn、PtMn、AuMn之类的反铁磁材料，以及诸如Bi2Se3、Bi2Te3之类的拓扑绝缘体材料。具有反常霍尔效应的材料的示例包括但不限于诸如Fe、Co、Ni之类的铁磁金属，诸如Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er之类的稀土材料，以及前述铁磁金属和稀土材料的任意组合等。磁性绝缘层120可以由具有铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性或超顺磁性的绝缘材料形成。可用于形成磁性绝缘层120的材料的示例包括但不限于：R3Fe5O12，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；MFe2O4，其中M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg或Co；Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19。虽然这里列出了这些材料的理想化学配比分子式，但是应理解的是，根据实际应用的需要，这些材料还可以包含有适当的掺杂物，以实现例如稳定的相和期望的晶格参数等。例如，在Y3Fe5O12(YIG)中可以掺杂有适量的La元素以调制YIG的晶格参数，从而实现与其下面的层的晶格匹配。
当在例如第一电极层110中注入沿例如Y方向(包括正Y方向或负Y方向)的电流时，由于自旋霍尔效应或反常霍尔效应，在第一电极层110中会产生自旋流，例如一种自旋的电子流向第一电极层110的上表面，而相反自旋的电子流向第一电极层110的下表面，从而在第一电极层110的上下表面处产生自旋积累，自旋方向在X轴方向上(包括正X方向和负X方向)。虽然未示出，但是在第一电极层110的两个侧表面处也会产生彼此相反的自旋积累，自旋方向在Z轴方向上(包括正Z方向和负Z方向)。
磁性绝缘层120示为具有磁化M。由于第一电极层110中的传导电子与磁性绝缘层120中的磁化之间的s-d电子的相互交换作用，第一电极层110和磁性绝缘层120之间的界面处的自旋积累会激发磁性绝缘层120中的非平衡磁子，引起磁矩的进动，从而产生磁子流122。磁性绝缘层120中的磁子流122传输到磁性绝缘层120和第二电极层130之间的界面，然后又被转变成第二电极层130中的自旋流，通过逆自旋霍尔效应转换成电信号而被检测出来。该电信号可以是电压信号或电流信号，并且如图1所示，其也产生在Y轴方向上。
图1示出了磁性绝缘层120的磁化M为沿X轴方向，即平行于第一电极层110和磁性绝缘层120的界面处的自旋积累的自旋角动量方向。此时，磁性绝缘层120中的磁子流的激发和传输的系数最大，在第二电极层130处检测到的电信号的幅度或强度也最大。当磁性绝缘层120的磁化M为沿Y轴方向，即垂直于第一电极层110和磁性绝缘层120的界面处的自旋积累的自旋角动量方向时，磁性绝缘层120中的磁子流的激发和传输的系数最小，在第二电极层130处检测到的电信号的幅度或强度也最小。
如上所述，在图1所示的自旋电子学器件100中，第一电极层110中产生的自旋流激发磁性绝缘层120中的磁子流，磁性绝缘层120中的磁子流又转变成第二电极层130中的自旋流，进而转变为电信号。可以看出，磁性绝缘层120利用磁子流来传输信息，而没有产生电流。因此，磁性绝缘层120可以隔离第一电极层110和第二电极层130中的电信号。图1所示的自旋电子学器件100可以应用到许多实际应用中，下面将参照附图来描述这种自旋电子学器件的实际应用的一些示例。
磁隔离器
图2示出根据本发明一示范性实施例的磁隔离器200的结构示意图。如图2所示，磁隔离器200包括第一电极层110、磁性绝缘层120和第二电极层130。磁性绝缘层120位于第一电极层110和第二电极层130之间，从而将二者电隔离开。第一电极层110、磁性绝缘层120和第二电极层130可以由前面参照图1描述的那些材料形成，此处不再赘述。
第一电极层110可以连接到第一电极端子112和第二电极端子114，以施加沿第一方向(例如Y轴方向)的第一电流I。虽然图2示出了电流I沿正Y方向，但是电流I也可以沿负Y方向。第一电极层110的厚度可以为例如大约0.6nm至大约100nm。
磁性绝缘层120具有沿与第一方向垂直的第二方向(例如X轴方向)的磁化M。虽然图2示出了磁化M为沿负X轴方向，但是磁化M也可以沿正X轴方向。如前所述，磁性绝缘层120可以感测第一电极层110中的自旋流并且生成磁子流。磁性绝缘层120的厚度应足够大以能够形成连续的层，从而将第一电极层110和第二电极层130充分地电隔离开。另一方面，磁性绝缘层120的厚度不应超过磁子流的衰减长度，否则磁性绝缘层120的磁子流将不能把来自第一电极层110的自旋信息传递到第二电极层130。在一些示范性实施例中，磁性绝缘层120的厚度可以在大约1nm至大约50μm的范围，或者优选地，在大约1.2nm至大约20μm的范围。
在图2中，示出了第一电极层110、磁性绝缘层120和第二电极层130具有相同的矩形形状，但是本发明不限于此。例如，磁性绝缘层120可以构图为具有与第一和第二电极层110、130不同的形状和大小。在一些实施例中，例如，磁性绝缘层120可以具有椭圆形状、正方形状等。
第二电极层130可以连接到第一电极端子132和第二电极端子134以测量第二电极层130通过感测磁性绝缘层120中的磁子流而生成的电压信号。如前所述，此电压信号产生在与第一电极层110中的第一电流相同的方向上，因此第一电极端子132和第二电极端子134也沿Y轴方向排列。
在磁隔离器200中，通过在第一电极层110上施加第一电流，可以在与之电隔离的第二电极层130上检测到相应的电压信号，该电压信号亦可在闭合回路中形成电流。图3示出第一电极层110上的第一电流I的大小与第三电极层130上的电压V(或者更准确地说，电压V在电阻为R的闭合回路中形成的电流)之间的关系的曲线图。该曲线图是在室温条件下，在具有图2所示结构的如下样品上测量得到的：第一电极层110和第二电极层130每个都由Pt形成为具有1000μm长度、120μm厚度、10nm厚度的矩形体，磁性绝缘层120由Y3Fe5O12(YIG)材料形成为具有1000μm长度、120μm厚度、60nm厚度的矩形体。由图3可以看出，第三电极层130上生成的电压信号与第一电极层110上施加的电流信号基本成正比。
本实施例的磁隔离器200利用磁性绝缘层120来隔离第一和第二电极层110、130上的电信号，避免了第一和第二电极层110、130上的电信号的相互干扰。与传统的光电隔离器、基于电感器的隔离器和基于电容器的隔离器相比，本实施例的磁隔离器200具有更简单的结构，而且不包括诸如电感器和电容器之类的在小型化方面存在困难的元件，因此能更容易地集成在现有的集成电路中。
图4示出根据本发明另一示范性实施例的磁电隔离器300的结构示意图。与图2所示的磁电隔离器200不同的是，在磁电隔离器300中，第一电极层110和第二电极层130可以形成在磁性绝缘层120的同一个表面上。
参照图4，第一电极层110和第二电极层130二者都形成在磁性绝缘层120的上表面上，并且彼此间隔开。为了确保第一电极层110和第二电极层130之间的电隔离，并且考虑到为了使第一电极层110和第二电极层130彼此分隔开的蚀刻工艺以及磁性绝缘层120中的磁子流的衰减长度，第一电极层110和第二电极层130之间的间隔可以在大约3nm至大约50μm的范围，或者更优选地，在大约4nm至大约20μm的范围。在磁电隔离器300中，由于磁子流是沿磁性绝缘层120的上表面传播，而不是如磁电隔离器200中那样沿其厚度传播，因此磁性绝缘层120的厚度可以不受特殊限制而能在较大范围内改变。
磁电隔离器300的其他方面基本与磁电隔离器200基本相同，因此此处将省略对其的重复描述。
图5示出根据本发明另一示范性实施例的磁电隔离器400的结构示意图。磁电隔离器400与图2所示的磁电隔离器200基本相同，除了以下描述的方面之外。
如图5所示，磁性绝缘层120被构图为椭圆形状。虽然图5示出椭圆形的磁性绝缘层120的长轴为Y轴方向，即与第一电极层110上施加的第一电流的方向相同，短轴为X轴方向，但是在另一些实施例中，椭圆形的磁性绝缘层120的长轴亦可以沿X轴方向，而其短轴亦可以沿Y轴方向。虽然示为椭圆形，但是磁性绝缘层120亦可具有其他形状，例如矩形等。
第一电极层110还连接到第三电极端子116和第四电极端子118以用于施加第二电流。第二电流的方向可以与前述第一电流垂直，即沿X轴方向。
如前面参照图2所述，磁性绝缘层120可以具有沿X轴方向的磁化M。当在第一电极层110中施加沿X轴方向的第二电流时，在第一电极层110和磁性绝缘层120之间的界面处将会积累沿Y轴方向的自旋，并且自旋的角动量将通过自旋转移力矩(STT)效应而转移给磁性绝缘层120的磁矩。当第二电流的电流密度足够大时，这种自旋转移力矩效应将使得磁性绝缘层120的磁化M排列成与界面处的自旋相同的方向，即沿Y轴方向。当磁性绝缘层120的磁化M排列成沿Y轴方向时，如前所述，磁性绝缘层120中的磁子流响应于第一电极层110中的第一电流的激发和传输的系数最小。此时，即使在第一电极层110上施加第一电流，在第二电极层130处检测到的电压信号也最小，或者几乎检测不到电压信号。
虽然这里描述了利用自旋转移力矩的翻转机制，但是应理解，从另一个方面来说，该翻转操作同时还利用了所述电流产生的奥斯特磁场。具体而言，当所述第二电流沿X轴方向流过第一电极层110时，该电流在磁性绝缘层120处产生大致上沿Y轴方向的奥斯特磁场，该奥斯特磁场也有助于将磁性绝缘层120的磁矩M翻转到Y轴方向上来。
为了使磁性绝缘层120的磁化M可以稳定在前述X轴方向和Y轴方向，可以设计磁性绝缘层120使得其具有X轴方向和Y轴方向两个磁化稳定方向。例如，在图5所示的实施例中，可以使磁性绝缘层120的易磁化方向为椭圆形的短轴方向，并且沿X轴方向，形状各向异性方向，即椭圆形的长轴方向，为Y轴方向。在另一些实施例中，亦可以使磁性绝缘层120的易磁化方向为Y轴方向，形状各向异性方向，即椭圆形的长轴方向，为X轴方向。在磁性绝缘层120形成为矩形的另一些实施例中，可以使磁性绝缘层120的易磁化方向为矩形的宽度方向，并且沿X轴方向，形状各向异性方向，即矩形的长度方向，为Y轴方向。在另一些实施例中，亦可以使磁性绝缘层120的易磁化方向(即矩形的宽度方向)为Y轴方向，形状各向异性方向，即矩形的长度方向，为X轴方向。
当磁性绝缘层120的磁化M通过施加第二电流而稳定在Y轴方向上时，通过施加前述第一电流，并且所述第一电流的电流密度大于预定阈值，又可以使磁性绝缘层120的磁化M偏转九十度而恢复到X轴方向上来。同样，该翻转过程也利用了前面关于第二电流所描述的自旋转移力矩机制和奥斯特磁场机制。因此，这相当于磁电隔离器400具有一个控制开关，其能够开启和关闭磁电隔离器400。
虽然图5示出了用自旋转移力矩效应来翻转磁性绝缘层120的磁化，但是本发明不限于此。例如，还可以利用电流产生的奥斯特磁场来翻转磁性绝缘层120的磁化。在该实施例中，可以在磁电隔离器200上下两侧分别形成彼此正交的两条电流线，这两条电流线可以分别沿X轴方向和沿Y轴方向，或者沿与X和Y轴成例如45度角的方向等。利用这种电流线产生的奥斯特磁场来使磁性绝缘层120的磁化翻转到Y轴方向和X轴方向上。或者，在另一些实施例中，还可以采用自旋转移力矩和奥斯特磁场组合的方案。例如，可以通过向第一电极层110施加沿Y轴方向的第一电流而将磁性绝缘层120的磁化翻转到X轴方向上来，并且通过在磁电隔离器200上方或下方形成的沿X轴方向延伸的电流线产生的奥斯特场而将磁性绝缘层120的磁化翻转到Y轴方向上来。
磁电隔离器400的其他方面基本与磁电隔离器200基本相同，因此此处将省略对其的重复描述。
磁存储器
本发明的原理除了应用于磁电隔离器之外，还可以应用于磁存储器。下面将参照附图描述磁存储器的实施例。
图6示出根据本发明一实施例的可用于磁存储器的磁存储单元500的结构示意图。磁存储单元500具有与磁电隔离器400相同的结构，除了磁性绝缘层120形成为矩形体形状之外。虽然图6示出了磁性绝缘层120形成为矩形体形状，但是本发明不限于此。磁性绝缘层120亦可以具有其他形状，例如椭圆形状等。
如前所述，通过在第一电极层110上施加沿Y轴方向的大于预定阈值的第一电流(利用第一电极端子112和第二电极端子114)和沿X轴方向的大于预定阈值的第二电流(利用第三电极端子116和第四电极端子118)，可以利用前述自旋转移力矩翻转机制和奥斯特场翻转机制而使磁性绝缘层120的磁矩M在X轴方向和Y轴方向之间切换。例如，磁性绝缘层120的沿X轴方向的磁化M可以对应于逻辑“1”，而磁性绝缘层120的沿Y轴方向的磁化M可以对应于逻辑“0”。
当进行读取操作时，可以在第一电极层110的第一电极端子112和第二电极端子114之间施加作为读取电流的第一电流。应注意，不同于上述作为写入电流的大于预定阈值的第一电流，作为读取电流的第一电流应小于所述预定阈值，以避免改变存储在存储单元500中的逻辑数据。如前所述，当磁性绝缘层120的磁矩M在X轴方向上时，第二电极层130可以响应于第一电极层110上的第一电流而产生电压信号，这对应于逻辑“1”。当磁性绝缘层120的磁矩M在Y轴方向上时，由于磁性绝缘层120中的磁子流响应于第一电极层110中的第一电流的激发和传输的系数最小，所以第二电极层130响应于第一电极层110上的第一电流而产生电压信号最小，或者甚至几乎不产生电压信号，这对应于逻辑“0”。因此，根据第二电极层130上产生的电压信号，就可以判断存储单元500中存储的逻辑数据是“1”还是“0”。
与包括具有两个铁磁层的磁隧道结的传统磁随机存取存储器(MRAM)相比，本发明的磁存储单元500只包括一个磁层，因此结构和制造工艺更简单。而且，与传统MRAM中写入操作涉及磁矩的180度翻转相比，本发明的磁存储单元500的写入只涉及磁矩的90度翻转，因此写入操作更加简单和容易。
磁存储单元500的其他方面基本与磁电隔离器400基本相同，因此此处将省略对其的重复描述。但是应理解，磁存储单元500不限于图5所示的磁电隔离器400的结构，而是与其类似地，可以进行形式和细节上的各种改变。
图7A和7B示出根据本发明一实施例的磁存储器600的等效电路图，其中图7A示出与存储单元500的第一电极层110相关的电路600A，图7B示出与存储单元500的第二电极层130相关的电路600B。磁存储器600包括电路600A和600B二者。
如图7A的电路600A所示，第一电极层110的第一电极端子112和第三电极端子116可分别通过第一晶体管602和第三晶体管606连接到沿行方向(例如Y轴方向)延伸的下位线BLb，第一晶体管602和第三晶体管606的控制端子(例如栅极)可分别连接到沿列方向(例如X轴方向)延伸的第一控制线Ctrl_1和第二控制线Ctrl_0。第一电极层110的第二电极端子114和第四电极端子118可分别通过第二晶体管604和第四晶体管608连接到沿行方向(例如Y轴方向)延伸的下源极线SLb，第二晶体管604和第四晶体管608的控制端子(例如栅极)可分别连接到第一控制线Ctrl_1和第二控制线Ctrl_0。虽然图7A仅示出了一个存储单元500的第一电极层110，但是磁存储器600可以包括多个存储单元500，其可以排列成行和列的阵列。
参照图7B所示的电路600B，存储单元500的第二电极层130的第一电极端子132可连接到沿行方向(例如Y轴方向)延伸的上位线BLt，第二电极端子134可通过第五晶体管612连接到沿行方向(例如Y轴方向)延伸的上源极线SLt，第五晶体管612的控制端子(例如栅极)可连接到沿列方向(例如X轴方向)延伸的选择线SEL。
在进行写入操作时，参照图7A，可以在下位线BLb和下源极线SLb之间施加写入电流，并且通过第一控制线Ctrl_1和第二控制线Ctrl_0来控制第一至第四晶体管602至608的导通和截止，以控制写入数据是“1”还是“0”。具体而言，当要写入数据“1”时，第一控制线Ctrl_1使得第一晶体管602和第二晶体管604导通，并且第二控制线Ctrl_0使得第三晶体管606和第四晶体管608截止，从而写入电流作为前面描述的第一电流沿Y轴方向通过第一电极端子112和第二电极端子114流经第一电极层110，使得磁性绝缘体120(图7A未示出)的磁化M排列到X轴方向上。另一方面，当要写入数据“0”时，第一控制线Ctrl_1使得第一晶体管602和第二晶体管604截止，并且第二控制线Ctrl_0使得第三晶体管606和第四晶体管608导通，从而写入电流作为前面描述的第二电流沿X轴方向通过第三电极端子116和第四电极端子118流经第一电极层110，使得磁性绝缘层120(图7A未示出)的磁化M排列到Y轴方向上。
当进行读取操作时，第一控制线Ctrl_1使得第一晶体管602和第二晶体管604导通，并且第二控制线Ctrl_0使得第三晶体管606和第四晶体管608截止。在下位线BLb和下源极线SLb之间施加读取电流，读取电流将如同前述第一电流那样沿Y轴方向通过第一电极端子112和第二电极端子114流经第一电极层110。应注意，读取电流的电流密度应小于预定阈值，从而不会引起磁性绝缘层120中的磁化方向的改变。同时，参照图7B，通过选择线SEL使得第五晶体管612导通，并且测量上位线BLt和上源极线SLt之间的电压或电流。当磁性绝缘层120的磁化M为沿X轴方向时，如前所述，能在上位线BLt和上源极线SLt之间测量到显著的电压或电流信号，其对应于逻辑“1”。另一方面，当磁性绝缘层120的磁化M为沿Y轴方向时，如前所述，在上位线BLt和上源极线SLt之间只能测量到非常小的电压或电流信号，或者测量不到任何电信号，其对应于逻辑“0”。
图8A和8B示出根据本发明另一实施例的磁存储器700的等效电路图，其中图8A示出与存储单元500的第一电极层110相关的电路700A，图8B示出与存储单元500的第二电极层130相关的电路700B。磁存储器700包括电路700A和700B二者。与图7A和7B所示的磁存储器600不同的是，图8A和8B所示的磁存储器700利用奥斯特磁场来实现磁矩的翻转，即写入操作。
如图8A所示，下位线BLb可以形成在存储单元500的上方并且沿行方向例如Y轴方向延伸，字线WL可以形成在存储单元500的下方并且沿列方向例如X轴方向延伸，存储单元500位于下位线BLb与字线WL的交叉位置处。在另一些实施例中，下位线BLb亦可以形成在存储单元500下方，而字线WL可以形成在存储单元500的上方。虽然图8A仅示出一个存储单元500，但是多个存储单元500可以沿行和列方向排列成阵列。这里应注意的是，存储单元500的长轴方向不是排列在行或列方向上，而是与行和列方向成一角度，例如45度。存储单元500的第一电极层110的第一电极端子112连接到下位线BLb，第二电极端子114通过晶体管604连接到下源极线SLb，晶体管604的控制端子例如栅极连接到控制线Ctrl。
如图8B所示，与第二电极层130相关联的电路与图7B所示的电路图600B基本相同，除了存储单元500布置为其长轴与行和列方向成例如45度角之外。
写入操作时，如图8A所示，控制线Ctrl使晶体管604断开，在下位线BLb和字线WL上施加电流，二者分别产生的奥斯特场的合成磁场的方向取决于所施加电流的方向而可以在磁性绝缘层120的长轴或短轴方向上，使得磁性绝缘层120的磁矩M可以在长轴和短轴方向之间翻转，从而写入输入“0”或“1”。
读取操作时，参照图8A，控制线Ctrl使晶体管604导通，在下位线BLb和下源极线SLb之间施加第一电流，并且如图8B所示，选择线SEL使晶体管612导通，测量上位线BLt和上源极线SLt之间的电压或电流信号，从而读出存储单元500中存储的数据。
与每个单元使用五个晶体管的磁存储器600相比，磁存储器700的每个单元仅使用两个晶体管，因此结构和操作更加简单。
与传统的基于包括两个磁层的磁性隧道结的磁存储器相比，本发明的磁存储器只具有一个磁层，结构更加简单。而且，在进行读取操作时，输入到第一电极层110的读取电流与第二电极层130上得到的代表存储数据的电信号彼此电隔离，因此能避免第一电极层110的读取电流对第二电极层130上的电信号的干扰，从而实现非常高的信噪比。
磁电流传感器
返回参照图3，其示出了在图2所示的磁电隔离器200中，第一电极层110上的第一电流I的大小与第三电极层130上的电压V(或者更准确地说，电压V在电阻为R的闭合回路中形成的电流)之间的关系的曲线图。由图3可以看出，第三电极层130上生成的电压信号与第一电极层110上施加的电流信号基本成线性正比。利用磁电隔离器200的该属性，其还可以用作磁电流传感器。
图9示出根据本发明一实施例的磁电流传感器800。如图9所示，磁电流传感器800具有与图2所示的磁电隔离器200基本相同的结构，因此这里讲省略对其的重复描述。但是应理解，磁电流传感器800不限于图2所示的磁电隔离器200的结构，而是与其类似地，可以进行形式和细节上的各种改变。
操作时，将待测电流(或者待测电流的预定分量)通过第一电极端子112和第二电极端子114引入到第一电极层110中。于是，如前所述，可以在第二电极层130中测量得到相应的电压信号。由于第三电极层130上生成的电压信号与流经第一电极层110的电流信号成正比，因此可以得到流经第一电极层110的待测电流(或其预定分量)的大小。
在一些实施例中，还可以使用多个图9所示的单元800来感测电流。例如，可以使用四个单元800，使同一待测电流作为前述第一电流依次流过四个单元800的第一电极层110，并且将四个单元800的第二电极层130连接成惠斯通电桥式的结构。这样，可以抵消外部环境诸如温度对测量结果的影响，提高测量精度。因为惠斯通电桥结构及其使用是电子电路领域已知的，所以这里将省略对其的进一步详细描述。
在本发明的磁电流传感器800结构简单，测量精度高。并且，磁电流传感器800可以制作成非常小的尺寸，因此尤其适合于集成到集成电路中。
磁温度传感器
本发明人还研究了图2所示的磁电隔离器200在不同的温度下，作为第一电极层110上施加的电流I的函数的、在第二电极层130上生成的电压信号(或者更确切地，其在电阻为R的闭合回路中产生的电流信号)的曲线图，其结果示于图10中。如图10所示，随着温度上升，第二电极层130对第一电极层110上的电流信号I更敏感，或者更具体地，第二电极层130上生成的电压信号越大，并且其随温度上升而上升。也就是说，当第一电极层110上的电流信号I固定时，第二电极层130上生成的电压信号与环境温度成正比。利用磁电隔离器200的该属性，其还可以用作磁温度传感器。
图11示出根据本发明一示范性实施例的磁温度传感器900的结构示意图。如图11所示，磁温度传感器900可以具有与磁电隔离器200基本相同的结构，因此这里将省略对其的详细描述。但是应理解，磁温度传感器900不限于图2所示的磁电隔离器200的结构，而是与其类似地，可以进行形式和细节上的各种改变。
对于图11所示的磁温度传感器900，当通过第一电极端子112和第二电极端子114在第一电极层110上施加预定大小的第一电流I时，可以在第二电极层130上测量得到相应的电压信号。由于该电压信号与环境温度成正比，因此通过该电压信号即可得到环境温度。
继续参照图10，将某一温度下的曲线的斜率定义为传输系数a，其是在该温度下在第二电极层130上产生的电流与在第一电极层110上施加的电流之间的比值，该传输系数a反应了第二电极层130对第一电极层110上施加的电流的灵敏程度。本发明人研究了磁温度传感器900的传输系数a随温度的变化，其结果示于附图12中。如图12所示，随着温度从310K上升到400K，磁温度传感器900的传输系数a呈幂指数增长。具体而言，拟合曲线表明传输系数a与温度(T)的二分之五次方(T2/5)成比例。这表明磁温度传感器900具有良好的温度灵敏性，能够实现高精度的温度测量。
此外，磁温度传感器900的结构简单，能制作成具有非常小的尺寸，因此尤其适合于集成到集成电路中以确定集成电路的环境温度。
上面描述了本发明的原理及其一些特定应用示例。但是应理解，本发明的原理不限于上述应用，而是还可以应用到许多其他场合。此外，本发明不限于上述具体实施例的精确形式，而是可以在不脱离本申请的思想的情况下，做出在这里描述的特征的形式上的各种省略、替换和改变。附图和它们的等效物意欲涵盖如将落入本公开的范围和精神内的这种形式或修改。

Claims (28)

1.一种磁电隔离器，包括：
第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；
磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及
第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号。
2.如权利要求1所述的磁电隔离器，其中，所述第一电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电信号沿所述第一方向产生在所述第二电极层上。
3.如权利要求2所述的磁电隔离器，其中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
4.如权利要求3所述的磁电隔离器，其中，所述磁性绝缘层的厚度为1nm至50μm。
5.如权利要求2所述的磁电隔离器，其中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。
6.如权利要求5所述的磁电隔离器，其中，所述第一电极层和所述第二电极层之间的间距为3nm至50μm。
7.如权利要求1所述的磁电隔离器，其中，所述磁性绝缘层由从包括如下材料的组中选择的材料形成：R3Fe5O12，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；MFe2O4，其中M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg或Co；Fe3O4、BaFe12O19、SrFe12O19。
8.如权利要求1所述的磁电隔离器，其中，所述第一电极层和所述第二电极层中的每个由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应AHE材料形成。
9.如权利要求8所述的磁电隔离器，其中，所述SHE材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，或它们的组合；IrMn、PtMn、AuMn；Bi2Se3、Bi2Te3；且
其中，所述AHE材料包括：Fe、Co、Ni、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，或它们的组合。
10.如权利要求1所述的磁电隔离器，其中，所述第一电极层和所述第二电极层中的每个的厚度为0.6nm至100nm。
11.如权利要求3所述的磁电隔离器，其中，所述第一电极层连接到第一电极端子和第二电极端子以用于施加沿所述第一方向的所述第一电流，并且所述第一电极层还连接到第三电极端子和第四电极端子以用于施加沿所述第二方向的第二电流，所述第二电流用于将所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第一方向上，并且当取消所述第二电流时，所述磁性绝缘层的磁化稳定在所述第一方向上。
12.如权利要求11所述的磁电隔离器，其中，所述第一方向是所述磁性绝缘层的易磁化轴方向和形状各向异性方向之一，所述第二方向是所述易磁化轴方向和所述形状各向异性方向中的另一个。
13.如权利要求11所述的磁电隔离器，其中，当所述磁性绝缘层的磁化稳定在所述第一方向上时，所述磁性绝缘层的磁化能通过施加大于预定阈值的所述第一电流而恢复到所述第二方向上。
14.一种磁存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：
第一电极层，其在施加有沿第一方向的第一电流时产生自旋流；
磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，所述磁性绝缘层的磁化能在所述第一方向与第二方向之间切换，所述第二方向垂直于所述第一方向；以及
第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，
其中，当所述磁性绝缘层的磁化在所述第二方向上时，所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，且
其中，当所述磁性绝缘层的磁化在所述第一方向上时，所述第一电极层产生的自旋流基本不能在所述磁性绝缘层中激发磁子流，从而所述第二电极层几乎不能生成所述电信号。
15.如权利要求14所述的磁存储器，其中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上，并且
其中，所述第一方向是所述磁性绝缘层的易磁化轴方向和形状各向异性方向之一，所述第二方向是所述易磁化轴方向和所述形状各向异性方向中的另一个。
16.如权利要求14所述的磁存储器，其中，所述第一电极层连接到第一电极端子和第二电极端子以用于施加所述第一电流，并且所述第一电极层还连接到第三电极端子和第四电极端子以用于施加沿所述第二方向的第二电流，当所述第一电流大于一预定阈值时，能使所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第二方向上，当所述第二电流大于一预定阈值时，能使所述磁性绝缘层的磁化翻转到所述第一方向上。
17.如权利要求16所述的磁存储器，其中，所述第一电极层的所述第一电极端子和所述第三电极端子分别通过第一晶体管和第三晶体管连接到第一位线，所述第一电极层的所述第二电极端子和所述第四电极端子分别通过第二晶体管和第四晶体管连接到第一源极线，所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端子连接到第一控制线，所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端子连接到第二控制线，所述第二电极层通过第五电极端子连接到第二位线，并且通过第六电极端子连接到第二源极线，所述第五电极端子和所述第六电极端子排列在所述第一方向上，并且在所述第六电极端子和所述第二源极线之间串联连接有第五晶体管，所述第五晶体管的控制端子连接到选择线。
18.如权利要求14所述的磁存储器，其中，所述多个存储单元沿行方向和与所述行方向垂直的列方向排列成阵列，每个存储单元的长轴方向排列为与所述行方向和列方向成大约45度角，并且每个存储单元的第一电极层连接到第一电极端子和第二电极端子以用于沿所述长轴方向施加所述第一电流，所述磁存储器还包括：
沿所述行方向延伸的第一位线和沿所述列方向延伸的字线，所述存储单元位于所述第一位线和所述字线的交叉位置处，所述存储单元的第一电极层的第一电极端子连接到所述第一位线；
沿所述行方向延伸的第一源极线，所述存储单元的第一电极层的第二电极端子通过第一晶体管连接到所述第一源极线；
沿所述列方向延伸的控制线，所述第一晶体管的控制端子连接到所述控制线；
沿所述行方向延伸的第二位线，所述存储单元的第二电极层通过第三电极端子连接到所述第二位线；
沿所述行方向延伸的第二源极线，所述存储单元的第二电极层的第四电极端子通过第二晶体管连接到所述第二源极线，所述第三和第四电极端子排列在所述存储单元的长轴方向上；
沿所述列方向延伸的选择线，所述第二晶体管的控制端子连接到所述选择线。
19.一种磁电流传感器，包括：
第一电极层，其在待测电流流过时产生自旋流；
磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及
第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，所述电信号的幅度大小与所述待测电流成正比。
20.如权利要求19所述的磁电流传感器，其中，所述待测电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电信号沿所述第一方向生成在所述第二电极层上。
21.如权利要求19所述的磁电流传感器，其中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
22.如权利要求19所述的磁电流传感器，其中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。
23.一种磁温度传感器，包括：
第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；
磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及
第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号，所述电信号的幅度大小与环境温度成正比。
24.如权利要求23所述的磁温度传感器，其中，所述第一电流在第一方向上，所述磁性绝缘层的磁化在第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，并且所述电信号沿所述第一方向生成在所述第二电极层上。
25.如权利要求23所述的磁温度传感器，其中，所述第一电极层形成在所述磁性绝缘层的第一表面上，所述第二电极层形成在所述磁性绝缘层的与所述第一表面相反的第二表面上。
26.如权利要求23所述的磁温度传感器，其中，所述第一电极层和所述第二电极层二者都形成在所述磁性绝缘层的第一表面上并且彼此间隔开。
27.一种自旋电子学器件，包括：
第一电极层，其由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应AHE材料形成；
磁性绝缘层，其接触所述第一电极层；以及
第二电极层，其由自旋霍尔效应SHE材料或反常霍尔效应AHE材料形成，接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层间隔开。
28.一种自旋电子学器件，包括：
第一电极层，其在施加有第一电流时产生自旋流；
磁性绝缘层，其接触所述第一电极层，并且所述第一电极层产生的自旋流在所述磁性绝缘层中激发磁子流；以及
第二电极层，其接触所述磁性绝缘层，并且与所述第一电极层电隔离开，所述第二电极层将所述磁性绝缘层中传输的磁子流转变为所述第二电极层中的自旋流，进而生成电信号。
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