CN106960904B - 全相变自旋非易失存储单元 - Google Patents

全相变自旋非易失存储单元 Download PDF

Info

Publication number
CN106960904B
CN106960904B CN201610010917.9A CN201610010917A CN106960904B CN 106960904 B CN106960904 B CN 106960904B CN 201610010917 A CN201610010917 A CN 201610010917A CN 106960904 B CN106960904 B CN 106960904B
Authority
CN
China
Prior art keywords
memory cell
nonvolatile memory
phase transformation
wall
change material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610010917.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106960904A (zh
Inventor
李黄龙
张子阳
施路平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201610010917.9A priority Critical patent/CN106960904B/zh
Publication of CN106960904A publication Critical patent/CN106960904A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106960904B publication Critical patent/CN106960904B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

本发明提供一种全相变自旋非易失存储单元，包括磁固定层、间隔层、磁自由层。所述磁固定层、间隔层以及磁自由层依次层叠设置，所述间隔层设置在所述磁固定层和磁自由层之间，且该间隔层分别与所述磁固定层和磁自由层接触设置。所述磁固定层、所述磁自由层的材料均为界面相变材料，所述界面相变材料包括两种体相变材料交替层叠设置。

Description

全相变自旋非易失存储单元
技术领域
本发明涉及一种相变自旋非易失存储单元。
背景技术
存储器是信息产业中重要的组成部件之一，如何发展新型的低成本、高密度、速度快、长寿命的非易失存储器一直是信息产业研究的重要方向。目前常用的非易失存储器包括相变存储器以及磁存储器。相变存储器是一种非磁性存储器，其在存储过程中，利用相变材料的非晶态（高阻态）和晶态（低阻态）两种状态间阻值的变化进行数据存储。相变存储器虽然能提供比传统DRAM更高的可扩展性，却存在写次数有限、读写性能不对称等问题。而且由于改变相变存储器状态需要的延时和能量都比较高，使得其在写操作性能和功耗方面处于劣势。磁存储器虽然具有高的集成度，却存在读写延迟较高的问题，而且目前磁存储器的材料比较复杂，导致目前磁存储器的成本都较高。
相变材料广泛用于可擦写光盘中，且已经作为新一代非易失随机存储器的主要材料投入生产中。相变材料可以被看作是一种通用存储材料。虽然相变材料在光存储和电存储技术中有广泛的应用，在磁存储技术（利用自旋）中仍没有得到应用。这主要是因为，相变材料本身不具有磁性，但可以通过掺杂磁性元素使得相变材料获得磁性，然而这种方法获得的磁性相变材料居里温度较低（远低于室温），在室温下磁性消失，抑制了这种磁性相变材料在室温下工作的器件中的应用。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可以在室温条件下工作的全相变自旋非易失存储单元。
一种全相变自旋非易失存储单元，包括磁固定层、间隔层、磁自由层；所述磁固定层、间隔层以及磁自由层依次层叠设置，所述间隔层设置在所述磁固定层和磁自由层之间，且该间隔层分别与所述磁固定层和磁自由层接触设置；所述磁固定层、所述磁自由层的材料均为界面相变材料，所述界面相变材料包括两种体相变材料交替层叠设置。
相较于现有技术，本发明提供的全相变自旋非易失存储单元采用界面相变材料作为所述磁固定层及所述磁自由层的材料，该界面相变材料可以在室温条件下保持磁性，从而使该全相变自旋非易失存储单元可以在室温条件下正常工作，易于商业化应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的全相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
图2为本发明实施中界面相变材料结构示意图。
图3为本发明实施例a提供的全相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
图4为本发明实施例b提供的全相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
图5为本发明施例提供的全相变自旋非易失存储单元作为非易失数字存储器写入数据的工作原理示意图。
图6为本发明实施例提供的全相变自旋非易失存储单元作为非易失数字存储器读出数据的工作原理示意图。
图7为本发明实施例提供的全相变自旋非易失存储单元作为忆阻器读写数据的工作原理示意图。
主要元件符号说明
全相变自旋非易失存储单元 10，10a，10b
磁固定层 102
间隔层 104，104a，104b
磁自由层 106
第一电极 108
第二电极 110
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将对本发明实施例提供的全相变自旋非易失存储单元作进一步说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种全相变自旋非易失存储单元10，该全相变自旋非易失存储单元10为一磁存储单元，包括磁固定层102、间隔层104、磁自由层106。所述磁固定层102、间隔层104以及磁自由层106依次层叠设置，所述间隔层104设置在所述磁固定层102和磁自由层106之间，且该间隔层104分别与所述磁固定层102和磁自由层106接触设置。
所述磁固定层102以及所述磁自由层106的材料均为界面相变材料。请参阅图2，所述界面相变材料由两种体相变材料交替层叠而形成。所述体相变材料包括但不限于二元、三元或四元硫系化合物。优选的为(GeTe)x(Sb2Te3)y，其中，x和y为整数。本实施例中，所述界面相变材料由Sb2Te3和GeTe交替层叠而形成。
所述磁固定层102及所述磁自由层106的厚度可以依据实际需求而设定。一般的，所述磁固定层102及所述磁自由层106的厚度应尽可能小，使得磁固定层102及磁自由层106低阻态阻值仍远小于间隔层104的最小阻值。所述磁固定层102的厚度可以稍厚于所述磁自由层106的厚度。本实施例中所述磁固定层102及所述磁自由层106的厚度在15nm-30nm之间。组成磁固定层102以及磁自由层106的两种体相变材料交替堆叠的周期数可以为10-40。随着周期数的增加，每个周期里的单层体相变材料厚度则相应变薄。
所述界面相变材料的相变过程不同于体相变材料，它不需要材料整体由晶相到非晶相（或非晶相到晶相）之间的转变，而只有少数靠近两种体相变材料界面上的原子移动而实现，体相变材料本身仍保持在晶相。所述界面相变材料通过界面原子的移动也存在低阻态和高阻态两种阻变状态。本实施例中由Sb2Te3和GeTe层叠形成的界面相变材料，其中低阻态中存在磁性，这种磁性在室温下仍然保有。
所述全相变自旋非易失存储单元10在使用时，在磁固定层102和磁自由层106两端施加短时电脉冲，脉冲施加时间以及强度保证只有磁固定层102和磁自由层106的阻值状态发生向低阻态的变化。此后的器件工作中，虽然也使用电脉冲调节磁自由层106中的磁化方向，但磁固定层102和磁自由层106的阻值状态不再发生变化，这是因为通常用于调节磁化方向所需的脉冲强度小于使得阻值状态发生变化所需强度。
所述间隔层104用于间隔所述磁固定层102和所述磁自由层106。该间隔层104的材料为相变材料。所述相变材料可以为硫系化合物。所述硫系化合物可以为二元、三元或四元硫系化合物，GexTeySbz，其中，x、y、z为整数，如Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、Ge1Sb4Te7、GeTe、GeSb、Sb2Te3、Sb70Te30、等。
进一步地，所述全相变自旋非易失存储单元10还可以包括一第一电极108与一第二电极110。所述第一电极108和第二电极110为导电材料，可以为但不限于金属、合金以及导电碳材料中的至少一种。
所述第一电极108设置在所述磁固定层102表面与所述间隔层104间隔设置。具体地，所述第一电极108设置在所述磁固定层102远离所述间隔层104的表面。所述第一电极108用于向所述磁固定层102输入或从该磁固定层102读出电流。
所述第二电极110设置在所述磁自由层106表面与所述间隔层104间隔设置。具体地，所述第二电极110设置在所述磁自由层106远离所述间隔层104的表面。所述第二电极110用于向所述磁自由层106输入或从该磁自由层106读出电流。
进一步地，所述全相变自旋非易失存储单元10还可以数据写入电路以及数据读出电路（图未示）。所述数据写入电路和数据读出电路可以根据该全相变自旋非易失存储单元10应用场合的不同分别为恒流信号源和脉冲信号源。
所述相变材料具有两种相变状态：晶态（crystalline）和非晶态（amorphous）。该全相变自旋非易失存储单元10中的的间隔层104为晶态相变材料或非晶态相变材料。对应不同的相变状态可形成不同类型的所述全相变自旋非易失存储单元10。需要说明的是，本发明第一实施例中并非利用所述相变材料的工作过程中的相变来实现存储，而是固定选择晶态或非晶态相变材料作为所述间隔层104。具体地，该全相变自旋非易失存储单元10可以为巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节。
请参阅图3，本发明第一实施例a中，所述全相变自旋非易失存储单元10为全相变自旋非易失存储单元10a，该全相变自旋非易失存储单元10a为巨磁阻效应节，或者说，将巨磁阻效应节应用于所述全相变自旋非易失存储单元10a中。其中，该全相变自旋非易失存储单元10a间隔层104a的材料为晶态相变材料。该晶态相变材料呈金属性，具有较高的导电性。
请参阅图4，本发明第一实施例b中，所述全相变自旋非易失存储单元10为全相变自旋非易失存储单元10b，该全相变自旋非易失存储单元10b为隧穿磁阻效应节，或者说，将隧穿磁阻效应节应用于所述全相变自旋非易失存储单元10b中。其中，该全相变自旋非易失存储单元10b间隔层104b的材料为非晶态相变材料。该非晶态相变材料呈绝缘性，导电性弱。
通常所述隧穿磁阻效应节的高磁阻态绝对阻值远大于所述巨磁阻效应节的高磁阻态绝对阻值，根据该特性，所述隧穿磁阻效应节和巨磁阻效应节可应用于不同场合。
由于该全相变自旋非易失存储单元10的间隔层104采用所述相变材料，因此，一个结构即可在不同的应用场合即可来回变换。具体地，可通过采用使所述相变材料在不同相变状态之间的变换即可实现在不同场合下隧穿磁阻效应节和巨磁阻效应节的切换而无需改变该全相变自旋非易失存储单元10的机械结构。此外，所述相变材料可大大简化所述非易失存储单元的制作工艺和制作成本而且可以提高该全相变自旋非易失存储单元10的读写性能。
所述巨磁阻效应节和隧穿磁阻效应节的工作原理为：带负电的电子从所述磁固定层102一侧注入巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，自旋极化电流引起的自旋转移矩(spintransfer torque)使得所述磁自由层106内的磁化方向翻转(假设初始时磁固定层102和磁自由层106中的磁化方向相反)，获得巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节的低磁阻状态。而当电子从所述磁自由层106一侧注入巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，自旋极化电流引起的自旋转移矩使得所述磁自由层106内的磁化方向翻转(假设初始时磁固定层102和磁自由层106中的磁化方向相同)，获得巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节的高磁阻状态。
这两种磁阻效应节处于高低阻状态的判断方法可以为：当电流通过具有相同磁化方向的磁自由层106与磁固定层102的巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，自旋极化与磁层磁化方向相反的电子不受自旋转移矩作用，能无阻碍地通过；而自旋极化方向与磁层磁化方向相同的电子在两个磁层中都受到自旋转移矩作用而发生散射，相当于有阻碍地通过。总体来说，这时巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节磁阻低，两端电压低从而判定为低阻状态。而当电流通过具有相反磁化方向的磁自由层106与磁固定层102的巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，两种自旋极化方向的电子都会在其中一个磁层中受到自旋转移矩作用而发生散射，相当于有阻碍地通过。总体来说，这时巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节磁阻高，两端电压高从而判定为高阻状态。
该全相变自旋非易失存储单元10可为非易失数字存储器或非易失模拟存储器。所述非易失模拟存储器可以为忆阻器。当所述全相变自旋非易失存储单元10为非易失数字存储器时，所述数据写入电路和数据读出电路可以为所述恒流源。当所述全相变自旋非易失存储单元10为所述忆阻器时，所述数据写入电路和数据读出电路为所述脉冲信号源。
该全相变自旋非易失存储单元10作为非易失数字存储器的原理是：写入比特数据过程请参阅图5，当带负电的电子从磁固定层102一侧注入巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，自旋极化电流引起的自旋转移矩使得所述磁自由层106内的磁化方向翻转(假设初始时所述磁固定层102和磁自由层106中的磁化方向相反)，获得巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节的低磁阻状态，也就是为器件写入比特信息0；而当电子从磁自由层106一侧注入巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，自旋极化电流引起的自旋转移矩使得磁自由层106内的磁化方向翻转(假设初始时磁固定层102和磁自由层106中的磁化方向相同)，获得巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节的高磁阻状态，也就是为器件写入比特信息1。
读出比特数据过程进一步参阅图6，当电流通过具有相同磁自由层106与磁固定层102磁化方向的巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，自旋极化与磁层磁化方向相反的电子不受自旋转移矩作用，能无阻碍地通过；而自旋极化方向与磁层磁化方向相同的电子在两个磁层中都受到自旋转移矩作用而发生散射，相当于有阻碍地通过。总体来说，这时巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节磁阻低，读出电压低而被判断为比特0位。而当电流通过具有相反磁自由层106与磁固定层102磁化方向的巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，两种自旋极化方向的电子都会在其中一个磁层中受到自旋转移矩作用而发生散射，相当于有阻碍地通过。总体来说，这时巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节磁阻高，读出电压高而被判断为比特1位。
该全相变自旋非易失存储单元10作为所述忆阻器时可用来模拟生物神经网络中连接两神经元强度可调的突触。请参阅图7，该全相变自旋非易失存储单元10作为所述忆阻器的工作原理为：在写入比特数据时，利用短时强度较小的脉冲电流引起的自旋转移矩使得磁自由层内的磁畴壁（domain wall）连续地移动，从而连续地改变巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节的磁阻大小，实现多值存储（不仅存储0，1两位），同理，也因所处磁阻状态不同而读出不同的比特位。
本发明提供的全相变自旋非易失存储单元10采用界面相变材料作为所述磁固定层102及所述磁自由层106的材料，该界面相变材料可以在室温条件下保持磁性；采用相变材料作为间隔层104的材料，大大地降低了该全相变自旋非易失存储单元的功耗、制作工艺和成本，且有效地提高了该全相变自旋非易失存储单元的读写性能。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种全相变自旋非易失存储单元，包括磁固定层、间隔层、磁自由层；所述磁固定层、间隔层以及磁自由层依次层叠设置，所述间隔层设置在所述磁固定层和磁自由层之间，且该间隔层分别与所述磁固定层和磁自由层接触设置；其特征在于，所述磁固定层、所述磁自由层的材料均为界面相变材料，所述界面相变材料包括两种体相变材料交替层叠设置，所述间隔层工作过程中固定选择晶态或非晶态相变材料。
2.如权利要求1所述的全相变自旋非易失存储单元，其特征在于，所述磁固定层及所述磁自由层的厚度在15nm-30nm之间。
3.如权利要求1所述的全相变自旋非易失存储单元，其特征在于，所述两种体相变材料交替层叠的周期数为10-40。
4.如权利要求1所述的全相变自旋非易失存储单元，其特征在于，进一步包括第一电极与第二电极，所述第一电极设置在所述磁固定层远离所述间隔层的表面，所述第二电极设置在所述磁自由层远离所述间隔层的表面。
5.如权利要求1所述的全相变自旋非易失存储单元，其特征在于，进一步包括数据写入电路以及数据读出电路，所述数据写入电路和数据读出电路为恒流源或脉冲信号源。
6.如权利要求1所述的全相变自旋非易失存储单元，其特征在于，所述界面相变材料处于低阻态。
7.如权利要求1所述的全相变自旋非易失存储单元，其特征在于，所述界面相变材料包括交替层叠设置的体相变材料Sb2Te3和GeTe。
8.如权利要求1所述的全相变自旋非易失存储单元，其特征在于，所述间隔层的材料为GexTeySbz，其中x、y、z为整数。
CN201610010917.9A 2016-01-09 2016-01-09 全相变自旋非易失存储单元 Active CN106960904B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610010917.9A CN106960904B (zh) 2016-01-09 2016-01-09 全相变自旋非易失存储单元

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610010917.9A CN106960904B (zh) 2016-01-09 2016-01-09 全相变自旋非易失存储单元

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106960904A CN106960904A (zh) 2017-07-18
CN106960904B true CN106960904B (zh) 2019-05-31

Family

ID=59480565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610010917.9A Active CN106960904B (zh) 2016-01-09 2016-01-09 全相变自旋非易失存储单元

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106960904B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109935688B (zh) * 2019-03-26 2021-03-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 相变薄膜结构、相变存储单元及其制备方法及相变存储器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102447061A (zh) * 2011-12-12 2012-05-09 华中科技大学 一种高速低功耗相变存储器的制备方法
CN103794224A (zh) * 2014-01-27 2014-05-14 华中科技大学 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法
TW201523604A (zh) * 2013-11-15 2015-06-16 Nat Inst Of Advanced Ind Scien 自旋電子記憶體、資訊記錄方法及資訊再生方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5750791B2 (ja) * 2012-02-21 2015-07-22 国立研究開発法人産業技術総合研究所 スピン電子メモリ及びスピン電子回路

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102447061A (zh) * 2011-12-12 2012-05-09 华中科技大学 一种高速低功耗相变存储器的制备方法
TW201523604A (zh) * 2013-11-15 2015-06-16 Nat Inst Of Advanced Ind Scien 自旋電子記憶體、資訊記錄方法及資訊再生方法
CN103794224A (zh) * 2014-01-27 2014-05-14 华中科技大学 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Electrical-field induced giant magnetoresistivity in (non-magnetic) phase change films;Junji Tominaga等;《APPLIED PHYSICS LETTERS 》;20111011;第99卷;全文
Giant multiferroic effects in topological GeTe-Sb2Te3 superlattices;J Tominaga等;《Science & Technology of Advanced Materials》;20150113;第16卷(第1期);第2页第1栏第2段至第8页第2栏第2段，图1-7

Also Published As

Publication number Publication date
CN106960904A (zh) 2017-07-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zahoor et al. Resistive random access memory (RRAM): an overview of materials, switching mechanism, performance, multilevel cell (MLC) storage, modeling, and applications
Kryder et al. After hard drives—What comes next?
Chen A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and applications
Rozenberg et al. Nonvolatile memory with multilevel switching: a basic model
CN102067230B (zh) 自旋转移矩存储器非破坏性自引用读取方法
US8289746B2 (en) MRAM diode array and access method
US9025370B2 (en) Cross-point memory devices, electronic systems including cross-point memory devices and methods of accessing a plurality of memory cells in a cross-point memory array
Li et al. An overview of non-volatile memory technology and the implication for tools and architectures
CN1881466B (zh) 存储设备和半导体装置
Chen Emerging nonvolatile memory (NVM) technologies
CN105304812B (zh) 相变自旋非易失存储单元
CN101256831A (zh) 包括具有磁阻存储器元件的多位存储器单元的存储器装置及相关方法
CN102326204A (zh) 自旋转移转矩存储器自基准读取方法
CN100550458C (zh) 存储元件和存储器
TR201615482A1 (tr) Saf spi̇n akimlarina dayanan 3 boyutlu manyeti̇k bellek ci̇hazi
Zambelli et al. Phase change and magnetic memories for solid-state drive applications
CN103065679B (zh) 电场写入电阻读出固态存储元器件、存储器及其读写方法
Prall et al. An update on emerging memory: Progress to 2Xnm
Liu et al. Categorization of multilevel-cell storage-class memory: an RRAM example
CN108335716A (zh) 一种基于非易失存储器的内存计算方法
Song et al. What lies ahead for resistance-based memory technologies?
Jangra et al. Performance-based comparative study of existing and emerging non-volatile memories: a review
CN106960904B (zh) 全相变自旋非易失存储单元
CN1612263A (zh) 加热磁随机存取存储单元以易于状态转换
CN103811045A (zh) 一种高可靠性、亦可多比特存储的双功能存储单元

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant