CN106531884B - 电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件。其中，存储单元包括：铁电层，可在其上施加正向或负向的第一电压，以控制磁化的定向翻转；位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，可在该层上施加第二电压，导致自旋轨道耦合层产生自旋流。位于自旋轨道耦合层之上的第一磁性层，所述自旋流可诱导该第一磁性层的磁性随机上下翻转。联合铁电层施加的第一电压，所述自旋流可以诱导第一磁层发生定向翻转。本发明通过对铁电层两端施加电压产生铁电极化，产生非均匀自旋轨道耦合效应，可调制电流诱导磁性薄膜磁性翻转的方向。

Description

电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件
技术领域
本发明属于信息技术及微电子领域，进一步涉及一种电压控制磁随机存储单元，以及包含上述存储单元的存储器及其构成的逻辑器件。
背景技术
信息存储和处理技术是当代信息技术发展的重要基础，对人类社会的进步起到至关重要的作用。磁存储一直以非易失、存储稳定等优点被广泛应用于信息存储领域中。但是通常磁性存储要外加磁场的辅助，不利于存储器件的微型化，会制约着信息技术的进一步发展。利用电场控制磁化的翻转，实现信息存储和处理是信息领域迫切的要求。
在磁隧道结中，利用电流和磁性材料产生的自旋轨道转移矩效应可以实现自由层磁矩的翻转。在这种结构中信息的写和读都在一个通道上，读写信息之间会受到影响。除了自旋转移矩效应，利用自旋轨道耦合效应也可以实现磁性信息的电学写入，这时写入电流沿水平方向，读信息在垂直方向，信息的写和读在不同的通道上，可以不互相影响。但是写入的过程中需要施加外加磁场才能控制磁化方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件，以解决以上所述的至少一项技术问题。
根据本发明的一方面，提供一种电压控制磁随机存储单元，包括：
铁电层，可在其上施加正向或负向的第一电压，以控制磁化的定向翻转；
位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，可在该层上施加第二电压，产生垂直于该层方向的自旋流；
位于自旋轨道耦合层之上的第一磁性层，所述自旋流可诱导该第一磁性层的磁性的随机翻转，联合铁电层施加的第一电压，该自旋流可使第一磁层发生定向翻转。
进一步的，所述铁电层施加的第一电压与所述第二电压的方向相同或者相反或在一个平面内。
进一步的，所述自旋轨道耦合层在所述铁电层上投影呈十字型，在该十字其中一相对的两端可施加进行电流扫描的第二电压，且该第二电压与铁电层施加的第一电压方向相同或者相反或在一个平面内。
进一步的，该十字中在所述相对的两端垂直方向另两端为输出端，通过从该输出端检测反常霍尔电压以输出信号。
进一步的，所述磁性层上具有非磁性的中间层、第二磁性层和反铁磁层，所述反铁磁层连接输出端，通过磁电阻效应从该输出端检测出的电阻变化作为输出信息。
根据本发明的另一方面，提供一种逻辑器件，包括上述的磁随机存储单元，通过控制第一电压和第二电压方向，检测第一磁性磁矩的翻转，相应实现异或门逻辑。
根据本发明的再一方面，提供一种逻辑器件，包括一个上述的磁存储单元，每一磁存储单元包括一检测第一磁性层磁性翻转输出端，两个存储单元的输出端电性连接，通过控制两个磁存储单元中各自第一电压和第二电压方向，实现非、与、或非以及与非逻辑。
根据本发明的又一方面，提供一种磁电阻器件，利用上述的磁随机存储单元形成的外延结构，所述磁电阻器件包括：磁隧道结、巨磁电阻器件或各向异性隧道磁电阻器件。
根据本发明的还一方面，提供一种磁随机存储器，包括多个上述的磁随机存储单元组成的阵列，其中，对每一磁随机存储单元独立输入第一电压和第二电压，以及独立输出所检测的每一磁随机存储单元中第一磁性层的磁性翻转。
进一步的，读取信息时，所述磁随机存储单元的第一电压的方向也产生转向。
通过上述技术方案，可知本发明的有益效果在于：
(1)通过对铁电层两端施加电压产生铁电极化，在铁电层和自旋轨道耦合薄膜层界面层处，沿施加电压的方向形成垂直梯度电场，导致非均匀自旋轨道耦合效应，它可以调制电流诱导磁性薄膜磁性翻转的方向；
(2)利用室温零磁场下电压可控的磁化定向翻转实现了磁随进存储单元；
(3)利用磁随机存储单元构建可编译逻辑功能以及磁随机存储器；
(4)本发明的存储单元、逻辑器件和存储器具有工作在室温下，无外加磁场依赖、可编译、低功耗、响应时间短、集成度高等优点；可应用于非易失高密度存储、高速非易失逻辑计算等领域。
附图说明
图1为本发明实施例的一种电压控制磁随机存储单元结构示意图；
图2为本发明实施例的另一种电压控制磁随机存储单元结构示意图；
图3为本发明实施例的两个磁随机存储单元组成的可编译逻辑器件示意图；
图4为本发明实施例的电压控制磁随机存储单元构成的加密磁随机存储器示意图；
图5为本发明实施例的磁随机存储器构架图示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。为了清楚起见，附图中的元器件可能并未依照比例绘示。此外，可能从附图中省略一些元器件。可以预期的是，一实施例中的元器件和特征，可以有利地纳入于另一实施例中，而未再加以阐述。
“之上”一词意指在垂直及/或侧面方向上不完全以及完全覆盖。例如，位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，该自旋轨道耦合层可以部分或者完全覆盖该铁电层。
本发明基本构思在于提供一种磁随机存储单元，磁随机存储单元具有基本的多层膜结构：铁电层/强自旋轨道耦合材料层/铁磁层。通过对铁电层两端施加电压产生铁电极化，导致在铁电层和自旋轨道耦合薄膜层界面层处，沿施加电压的方向形成垂直梯度电场，导致非均匀自旋轨道耦合效应，它可以调制电流诱导磁性薄膜磁性翻转的方向。
本发明的膜层结构在上述基本的多层膜结构基础上，根据读取方式的不同可以延伸出至少两种结构的膜层堆叠方式。一种是采用反常霍尔效应读出信息的结构，参见图1所示：依次往上生长有铁电层、自旋轨道耦合层、第一磁性层和保护层。另一种是采用磁电阻效应读出信息，参见图2所示，依次往上生长有铁电层、自旋轨道耦合层、第一磁性层、中间层非磁层、第二磁性层、反铁磁层以及保护层。上述两种方式只是读出方式存在差别，以下将对第一种方式进行详细说明，本领域技术人员可根据第一种方式的具体技术特征和细节相应的应用至第二种方式中。
图1为本发明实施例的一种电压控制磁随机存储单元结构示意图。该单元基本结构的一种典型制备方法是：
步骤一：在一衬底上外延生长或者旋涂一定厚度的铁电材料薄膜。
铁电材料可以是现有技术已知的铁电晶体材料，优选的为BTO(钛酸钡，BaTiO3)、PZT(锆钛酸铅，Pb(Zr1-xTix),0＜x＜1)，或者PMN-PT(化学式为(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]·x[PbTiO3])，进一步优选的为PMN-PT晶体。对于PMN-PT晶体，优选的铁电材料的厚度为0.01-0.5mm，优选的PMT-PT的生长方向为(001)晶面进行后续层的生长。衬底的选择上应该是与铁电材料晶格相匹配的材料，以减少内部应力和提高结合力。选用的生长方式可以是物理气相沉积方式。
步骤二：然后依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层和保护层。
对于自旋轨道耦合层，可以由自旋轨道耦合效应强的非磁性材料制备，例如Pt或Ta，优选采用磁控溅射方式制备。自旋轨道耦合层为自旋轨道耦合强的金属、拓扑绝缘体、或半导体材料，在该层中通入电流，由于强自旋轨道耦合效应产生自旋流。利用此自旋流可以实现磁性层的翻转。
然后继续生长垂直方向各向异性的第一磁性层，第一磁性层的材料可以选取为CoNiCo，也可以通过溅射方式进行生长。所述第一磁性层具有垂直磁各向异性的磁性金属、合金和磁性金属多层膜、磁性半导体等所有具有铁磁性的材料。
最后，可以进一步的在第一磁性层上生长一层保护层，以保护该第一铁磁层。
应当说明的是，采用磁电阻效应读出信息的结构中其它生长工艺参照步骤一和步骤二，不同之处在于在第一磁性层和保护层中间还进一步生长有中间层非磁层、第二磁性层和反铁磁层。
步骤三：刻蚀形成存储单元结构。
对步骤二生成的结构进行微加工处理。利用离子束刻蚀把整个薄膜结构刻蚀至衬底，薄膜被刻蚀成方形，接着在方形的中间刻蚀出铁电层的电极(正负电极的方向优选的沿着铁电层的[110]晶向)，可在两电极之间施加有第一电压U1。可以利用在两电极间施加的电压对铁电材料进行极化，控制铁电层和强自旋轨道耦合材料层的自旋轨道耦合效应。铁电层施加电压的方向可调，在水平面或垂直面或其他角度都可使铁电层极化，并能控制铁磁层的定向翻转。
铁电层的电压可改变自旋轨道耦合矩引起的磁化翻转的方向，实现可控的、可编译的磁化状态改变。
进一步刻蚀器件的十字结构，此次刻蚀到铁电层和自旋轨道耦合层之间，使自旋轨道耦合层在铁电层上的投影呈一十字结构。十字的其中一相对端优选的沿着铁电层中正负电极的连接方向设置，可在该相对端施加有第二电压U2，十字的另外一相对端可以连接输出端，通过检测相应的反常霍尔电压获取输出信号。
最后一步对第一磁性层进行刻蚀，在十字结构的中央刻蚀出纳米级别的磁性单元，器件结构如图1所示。整体的存储单元结构为一对称结构，可以降低体系中的Rashba效应。
应当说明的是，采用磁电阻效应读出信息的结构中其它微加工处理工艺参照步骤三，不同之处在于在自旋轨道耦合层在铁电层上的投影呈“一”字结构，由于不需要测量相应的反常霍尔电压，所以原有的十字另外一相对端可以省略设置，另外中间层非磁层、第二磁性层和反铁磁层与所述第一磁性层的结构可以相同(即在铁电层上的投影重合)，在反铁磁层上连接输出端。
根据上述制备的存储单元结构，可进行相应的信息存储和读取。具体原理在于(仍然仅以第一种结构方式进行说明)：
在十字电极处通入第二电压U2脉冲，十字通道中产生电流，由于电流通过自旋轨道耦合层，由自旋霍尔效应，在其表面会产生自旋流，自旋流扩散到上面磁性层中，从而改变磁性层中材料的磁矩的方向。磁矩的方向可以用反常霍尔电阻测到，即可读出输出信号。但此时第二电压U2脉冲不能对磁矩翻转方向产生决定性的影响，即磁矩在电压脉冲过后可能向上，也可能向下。当对铁电层用第一电压U1进行极化时，铁电基片和自旋耦合材料层界面处，会沿着外加电场方法产生梯度电场，电子在梯度电场的中运动受到了自旋轨道耦合作用，从而自旋流密度在水平电场方向产生了梯度。这种梯度和自旋霍尔效应叠加在一起，使得磁矩向上和向下的翻转不简并，导致了电流诱导磁化定向翻转，从而可以对信息进行写入。
本发明实施例的另一方面，还提供一种利用上述存储单元实现的逻辑器件。
异或门逻辑的功能的实现：磁随机存储单元的输入电压端是十字的两端和铁电层的两端，分别对应为U2和U1。在十字两端输入电压U2，作为信息的写入方式。正电压为1，负电压为0。测量十字另两端的反常霍尔电压V读出信息。磁性材料磁矩的上和下会使霍尔电压发生变化，分别代表实际应用中的高电平和低电平，即1和0。铁电层在未施加电压的情况下，输入电压U2不能引起磁矩的定向翻转，即读出的信号是0和1随机的。在铁电层施加正电压U1的情况下，U2为正时输出低电平，U2为负号的时候输出V为高电平1。在铁电层施加负向电压U1时，第二电压U2为正时输出为高电平1，第二电压U2为负号的时候输出低电平0。这种表现是异或门功能，所以利用单个器件即可实现异或门。
图3为本发明实施例的两个磁随机存储单元组成的可编译逻辑器件示意图。
利用两个上述磁随机存储单元可以实现或非门或与门。或非门实现方法：两个器件如图3中所示排列连接，输出端为两个磁随机存储单元的串联。两个磁随机存储单元的铁电层U1和U3都用正电压进行极化，两个单元都输出高电平时为1，其他情况都为0。例如当第二电压U2和U4都输入1，1时，两个磁随机存储单元都输出低电压，所以最终输出是0。当第二电压U2和U4都输入1，0或0，1时，两个随机存储单元输出一个高电平和一个低电平、或一个低电平和一个高电平，叠加起来抵消，所以输出还是0。当第二电压U2和U4都输入0，0时，两个单独的磁性存储单元都输出高电平，叠加之后还是高电平，所以输出为1。此功能是或非门功能。
与门实现方法：上述两个磁随机存储单元的铁电层第一电压U1和U3都用负电压进行极化，两个存储单元都输出高电平时为1，其他情况都为0。例如当第二电压U2和U4都输入1，1时，两个磁随机存储单元都输出高电压，所以最终输出是1。当U2和U4都输入1，0或0，1时，两个磁随机存储单元输出一个高电平和一个低电平、或一个低电平和一个高电平，叠加起来抵消，所以输出还是0。当第二电压U2和U4都输入0，0时，两个磁随机存储单元都输出低电平，所以输出为0。此功能是或非门功能。
或非门和与非门功能可以同样两个磁随机存储单元实现，即改变铁电层电压可实现两种逻辑功能的转换。这极大的提高了逻辑的可编译特性，提高运算效率和逻辑器件密度。
本发明实施例的其它一方面，提供一种磁电阻器件，利用上述的磁随机存储单元形成的外延结构，所述磁电阻器件包括：磁隧道结、巨磁电阻器件或各向异性隧道磁电阻器件。
本发明实施例的再一方面，还提供一种磁随机存储器，包括多个上述磁随机存储单元组成的阵列，其中，对每一磁随机存储单元独立输入第一电压和第二电压，以及独立输出所检测的每一磁随机存储单元中第一磁性层的磁性翻转。利用储存单元可实现加密磁随机存储器，图4给出了加密随机存储器的示意图。对铁电层施加电压之后，可用正负电流改变磁化方向达到写入的目的。我们定义在铁电层施加负电压条件下，即第一电压U1＝0，这时输入第二电压U2为0时，单元改变到0的状态，输入第二电压U2为1时，单元改变到1的状态。即输入为01001时，磁随机存储器写入的信息为01001，这是一般的存储器功能。当对磁随机存储单元进行写入的同时如果改变铁电层的电压，例如铁电层的电压为11001，那么写入的信息就是10000(即读取信息时，所述磁随机存储单元的第一电压的方向也产生转向，可以读出真实信息)。这就掩盖了真实的01001信息，达到了加密的目的。只能有知道铁电层的电压信息反算才能知道真实信息，铁电层的电压相当于一种密钥。
磁随机存储器的构架图如图5所示，其中铁电层划分为多个单元块，每个单元块对应独立的磁性薄膜结构，且每个单元块能够被独立施加电压第二电压U2和第一电压U1，每个单元也独立输出V。非加密存储可以使每个单元的U1施加负电压，加密存储可以对每个单元的第一电压U1施加不同方向的电压。
通过上述存储单元、存储器和逻辑器件的实施例，通过对铁电层两端施加电压产生铁电极化，导致在铁电层和自旋轨道耦合薄膜层界面层处，沿施加电压的方向形成垂直梯度电场，导致非均匀自旋轨道耦合效应，可以调制电流诱导磁性薄膜磁性翻转的方向。并且利用室温零磁场下电压可控的磁化定向翻转实现了磁随机存储单元。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电压控制磁随机存储单元，其特征在于包括：
铁电层，可在其上施加正向或负向的第一电压，以控制磁化的定向翻转，所述铁电层为铁电材料薄膜；
位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，可在该层上施加第二电压，产生垂直于该层方向的自旋流；
位于自旋轨道耦合层之上的第一磁性层，所述自旋流可诱导该第一磁性层的磁性的随机翻转，联合铁电层施加的第一电压，该自旋流可使第一磁层发生定向翻转；
铁电层的电极，所述电极方向沿着铁电层的[110]晶向，以在两电极间施加有第一电压。
2.根据权利要求1所述的电压控制磁随机存储单元，其特征在于，所述铁电层施加的第一电压与所述第二电压的方向相同或者相反或在一个平面内，或施加第一电压引起的电场有水平面的分量。
3.根据权利要求1所述的电压控制磁随机存储单元，其特征在于，所述自旋轨道耦合层在所述铁电层上投影呈十字型，在该十字其中一相对的两端可施加进行电流扫描的第二电压。
4.根据权利要求3所述的电压控制磁随机存储单元，其特征在于，该十字中在与所述相对的两端相垂直的方向上的另两端为输出端，通过从该输出端检测反常霍尔电压以输出信号。
5.根据权利要求1所述的电压控制磁随机存储单元，其特征在于，所述磁性层上具有非磁性的中间层、第二磁性层和反铁磁层，所述反铁磁层连接输出端，通过磁电阻效应从该输出端检测出的电阻变化作为输出信息。
6.一种逻辑器件，其特征在于，包括一个权利要求1-5中任一项所述的磁随机存储单元，通过控制第一电压和第二电压方向，检测第一磁性层的磁性的翻转，相应实现异或门逻辑。
7.一种逻辑器件，其特征在于，包括一个权利要求1-5中任一项所述的磁随机存储单元，每一磁存储单元包括一检测第一磁性层磁性翻转输出端，两个存储单元的输出端电性连接，通过控制两个磁存储单元中各自第一电压和第二电压方向，实现非、与、或非以及与非逻辑。
8.一种磁电阻器件，利用权利要求1-5中任一项所述的磁随机存储单元形成的外延结构，所述磁电阻器件包括：磁隧道结、巨磁电阻器件或各向异性隧道磁电阻器件。
9.一种磁随机存储器，包括多个如权利要求1-5中任一所述的磁随机存储单元组成的阵列，其中，对每一磁随机存储单元独立输入第一电压和第二电压，以及独立输出所检测的每一磁随机存储单元中第一磁性层的磁性翻转。
10.根据权利要求9所述的磁随机存储器，其特征在于，读取信息时，所述磁随机存储单元的第一电压的方向也产生转向。
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CN1308317A (zh) * 1999-09-16 2001-08-15 株式会社东芝 磁电阻元件和磁存储装置

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Title
Electric field control of deterministic current-induced magnetization switching in a hybrid ferromagnetic/ferroelectric structure;Kaiming Cai 等;《arxiv.org》;20160430;正文第2页倒数第4行-第15页，附图1-4 *

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