CN107004440A - 基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置 - Google Patents
基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置 Download PDFInfo
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Abstract
通过使用联接到用于各种应用的磁性自由层的自旋霍尔效应(SHE)金属层公开了基于自旋力矩传递(STT)和自旋霍尔效应的装置或电路。基于SHE和STT的这种组合的STT效应的效率或强度可以通过SHE金属层与磁性自由层之间的界面改性增强或通过使SHE金属掺杂有某些杂质来改性或改造SHE金属层或者通过其他手段来增强。
Description
优先权要求和相关专利申请
此专利文件要求以下三个美国临时申请的优先权和权益：(1)2014年7月17日提交的且题为“增强用于薄膜铁磁体的磁激励和磁反转的自旋霍尔效应的效率”的第62/026,012号申请；(2)2014年10月13日提交的且题为“增强用于薄膜铁磁体的磁激励和磁反转的自旋霍尔效应的效率”的第62/063,337号申请；以及2014年11月19日提交的且题为“增强用于薄膜铁磁体的磁激励和磁反转的自旋霍尔效应的效率”的第62/082,048号申请。上述三个在先申请的全部内容通过引用作为本专利文件的公开内容的一部分而并入。
关于联邦赞助的研究或发展的声明
本发明基于国家科学基金会(CCMR)的项目ID.DMR-1120296在政府支持下完成。政府享有本发明的某些权利。
技术领域
本专利文件涉及具有基于电子自旋力矩效应的磁性材料或结构的电路和装置及其应用，包括非易失性磁存储器电路、非易失性逻辑装置和自旋力矩激励的纳米磁体振荡器。
背景技术
电子和其他带电粒子将自旋作为它们的固有粒子性质之一，并且这种自旋与自旋角动量相关联。电子的自旋具有两种不同的自旋状态。电流中的电子可以通过在两种自旋状态中具有相等的概率而为未极化的。电流中的电子通过在一种自旋状态中具有比在另一种自旋状态中的电子更多的电子而自旋极化。自旋极化电流可以通过经由各种方法操纵自旋量来实现，例如通过使电流穿过具有特定磁化的磁性层。在各种磁性微结构中，自旋极化电流可以被引导到磁性层中，以引起自旋极化电子的角动量转移到磁性层，并且该转移可导致将自旋转移矩(STT)施加在磁层中的局部磁矩上以及使磁矩行进到磁层中。在适当的条件下，该自旋转移矩可以引起磁性层的磁化方向的翻转或切换。
上述自旋转移矩(STT)效应可以用于各种应用，包括STT磁性随机存取存储器(MRAM)电路和装置。例如，STT-MRAM电路可以包括作为由两个或更多个薄膜铁磁层或电极形成的磁阻元件的磁性隧道结(MTJ)，薄膜铁磁层或电极通常被称为自由磁性层或具有可切换或改变的磁矩的自由磁性层(FL)以及其磁矩在方向上固定的钉扎磁性层(PL)。自由磁性层(FL)和钉扎磁性层(PL)由绝缘势垒层(例如，MgO层)分离，此绝缘势垒层足够薄以允许当电偏压施加在电极之间时电子经由量子力学隧道传输通过势垒层。穿过MTJ的电阻取决于PL和FL层的相对磁性取向。FL的磁矩可以在FL中的两个稳定取向之间切换。穿过MTJ的电阻在PL和FL层的两个相对磁性取向下表现出两个不同的值，其可用于表示用于二进制数据存储或者可替代地用于二进制逻辑应用的两个二进制状态“1”和“0”。此元件的磁阻用于从存储器或逻辑单元读取此二进制信息。
发明内容
通过使用联接到用于各种应用的磁性自由层的自旋霍尔效应(SHE)金属层公开了基于STT和自旋霍尔效应的装置或电路的各个方面。基于SHE和STT的这种组合的STT效应的效率或强度可以通过SHE金属层与磁性自由层之间的界面改性或通过使SHE金属掺杂某些杂质来改性或改造SHE金属层或者其他手段来增强。
在一个方面，提供了一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的装置，其包括：磁结构，磁结构包括具有可以通过自旋转移矩改变的磁化方向的铁磁层；SHE层，其是导电的并且表现出自旋霍尔效应，以响应于所施加的充电电流而产生垂直于所施加的充电电流的自旋极化电流，SHE层邻近铁磁层定位，以将自旋极化电流注入铁磁层中；以及金属插入层，其与铁磁层和SHE层接触并位于铁磁层与SHE层之间，由SHE层产生的自旋极化电流通过金属插入层进入铁磁层。金属插入层具有小于SHE层的自旋扩散长度的厚度，并且表现出比SHE层的电阻率大的电阻率，以增强通过自旋转移矩效应引起的铁磁层的磁化方向的切换。
在另一方面，提供了一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的装置，其包括：磁结构，磁结构包括具有可以通过自旋转移矩改变的磁化方向的铁磁层；以及SHE层，其是导电的并且表现出自旋霍尔效应，以响应于施加的充电电流产生垂直于所施加的充电电流的自旋极化电流。SHE层邻近铁磁层定位以将自旋极化电流注入到铁磁层中，并且包括SHE金属材料，SHE金属材料在没有任何掺杂或合金化的情况下表现出第一电阻率，以及掺杂在SHE金属材料中或与SHE金属材料合金化的不同的金属元素，以在不降低SHE金属材料的自旋霍尔电导率的情况下引起掺杂或合金化的SHE金属表现出高于第一电阻率的第二电阻率。装置还包括与SHE层的第一位置接触的第一电触点；与SHE层的第二位置接触的第二电触点，以使得第一位置和第二位置在磁结构的两个相对侧上；与磁结构接触的第三电触点；联接在第一电触点和第二电触点中的一个与第三电触点之间的磁性结构电路，以供应跨铁磁层的小电流，小电流与自旋极化电流共同传播，并且在没有自旋极化电流的情况下不足以切换铁磁层的磁化，并且小电流和自旋极化电流一起足以切换铁磁层的磁化；以及联接在第一电触点与第二电触点之间以将充电电流供应到SHE层中的充电电流电路。在此装置中，选择SHE金属材料掺杂的或与SHE金属材料合金化的不同金属元素，以使得当与SHE金属材料没有掺杂不同金属元素或没有与SHE金属材料合金化的不同金属元素的情况下所需的总功率相比时，掺杂或合金化的SHE金属减小切换铁磁层的磁化所需的磁性结构电路的总功率。
在另一方面，提供了一种磁结构，其包括位于衬底上的自旋霍尔效应基层；位于衬底上方并且接触自旋霍尔效应基层的薄的高电阻率普通金属插入层；以及位于衬底上方并且接触薄插入层的磁性自由层。自旋霍尔效应基层包括非磁性导电材料，其表现出大于约0.05的自旋霍尔角，并且具有不大于自旋霍尔衬底层中的非磁性导电材料中的自旋扩散长度的约5倍的厚度。薄的高电阻率普通金属插入层包括具有至少一个原子层厚但不比自旋扩散长度厚的厚度的插入层非磁性金属层。薄的高电阻率普通金属插入层与磁性自由层的界面具有比插入层自身的电导大的自旋混合电导。薄的高电阻率普通金属插入层被配置成表现出是自旋霍尔效应基层的电阻率的大约两倍或更多倍的电阻率。
在另一方面，提供了一种磁结构，其包括位于衬底上的磁性金属层或铁磁绝缘体层；邻近但不与磁性层直接接触的自旋霍尔效应层；以及位于自旋霍尔效应层与磁性自由层之间并与其接触的薄的高电阻率普通金属插入层。包括自旋霍尔效应基层的非磁性导电材料包括：大于约0.05的自旋霍尔角；以及不大于非磁性导体自旋霍尔基层材料中的自旋扩散长度的约5倍的厚度。包括薄插入层的非磁性金属层是至少一个原子层厚，但是不比大约其自旋扩散长度更厚。插入层与磁性自由层的界面具有大于插入层本身的电导的自旋混合电导。插入层的电阻率是自旋霍尔效应基层的电阻率的大约两倍或更多倍。
在另一方面，提供了一种磁存储装置，其包括具有可变磁化方向的自由磁性层；包括具有第一电阻率、第一厚度并且具有大于0.05的相对较大的自旋霍尔角的第一材料的自旋霍尔效应层，其中自旋霍尔效应层是非磁性的并且包括表现出大自旋霍尔效应的金属，以对引导到自旋霍尔效应层中的充电电流作出反应，以产生垂直于充电电流的自旋极化电流，自旋霍尔效应层平行于自由磁性层以将在自旋霍尔中产生的自旋极化电流引导至自由磁性层中；以及插入层，其包括具有第二电阻率、第二厚度和电导的第二材料，其中插入层是非磁性的并且联接在自由磁性层与自旋霍尔效应金属层之间，并且其中插入层与自由磁性层之间的自旋混合电导大于该电导。第二厚度为至少一个原子层厚，其中第二厚度小于第一厚度，以及其中第二电阻率为第一电阻率的至少两倍。
在另一方面，提供了一种磁性结构，其包括具有可变磁化方向的自由磁性层；包括具有第一电阻率、第一厚度的第一材料的自旋霍尔效应层，其中自旋霍尔效应层是非磁性的并且包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导到自旋霍尔效应层中的充电电流作出反应，以产生垂直于充电电流的自旋极化电流，自旋霍尔效应层平行于自由磁性层以将在自旋霍尔效应层中产生的自旋极化电流引导至自由磁性层中；以及插入层，其包括具有第二电阻率、第二厚度和电导的第二材料，其中插入层是非磁性的并且联接在自由磁性层与自旋霍尔效应金属层之间，并且其中插入层与自由磁性层之间的自旋混合电导大于该电导。第二厚度最大为第二材料的自旋弛豫长度，其中第二电阻率为第一电阻率的至少两倍。
在另一方面，提供一种磁性结构，其包括磁性隧道结(MTJ)，磁性隧道结包括(1)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，(2)具有可变磁化方向的自由磁性层，以及(3)位于磁性自由层与钉扎磁性层之间并且由足够薄以允许电子在磁性自由层与钉扎磁性层之间隧穿的绝缘体材料形成的非磁性结层；自旋霍尔效应金属层，其是非磁性的并且包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导到自旋霍尔效应金属层中的充电电流作出反应，以产生垂直于充电电流的自旋极化电流，自旋霍尔效应金属层平行于自由磁性层并与其接触，以将在自旋霍尔效应层中产生的自旋极化电流引导至自由磁性层中；以及金属插入层，其定位在自旋霍尔效应金属层与MTJ之间，并且被构造成包括非磁性金属材料，非磁性金属材料的厚度不大于自旋霍尔效应金属层的厚度，并且表现出大于自旋霍尔效应金属层的电阻率的高电阻率。
在另一方面，公开了一种磁性结构，其包括位于衬底上的自旋霍尔效应基层；位于衬底上方并且接触自旋霍尔效应基层的薄的高电阻率普通金属插入层；以及位于衬底上方并且接触薄插入层的磁性自由层。自旋霍尔效应基层包括非磁性导电材料，其表现出大于约0.05的自旋霍尔角，并且具有不大于自旋霍尔基层中的非磁性导电材料中的自旋扩散长度的约5倍的厚度。薄的高电阻率普通金属插入层包括插入层非磁性金属层，其厚度为至少一个原子层厚但不比自旋扩散长度更厚；以及薄的高电阻率普通金属插入层与磁性自由层的界面具有大于插入层本身的电导的自旋混合电导；以及薄的高电阻率普通金属插入层被配置成表现出是自旋霍尔效应基层的电阻率的大约两倍或更多倍的电阻率。
在另一方面，上述磁性结构可用于形成3端子装置或2端子装置。例如，公开了一种基于三端子电路配置的磁性隧道结存储装置，其包括用于存储数据的存储器单元阵列；以及联接到存储器单元阵列并且可操作以在存储器单元中读取或写入数据的存储器控制电路。每个存储单元是3端子电路，并且包括作为上述磁性结构中的任一个的磁性结构，并且还包括：(1)第一电端子，其从具有钉扎磁性层的一侧与MTJ电接触以接收修改流过MTJ的自旋极化电流的电流阈值以用于切换自由磁性层的磁化的栅电压；以及第二电端子和第三电端子，其与自由磁性层的两个相对侧上的自旋霍尔效应金属层的两个接触位置电接触，以在自旋霍尔效应金属层中供应充电电流。例如，公开了一种基于两端子电路配置的磁性隧道结存储装置，其包括用于存储数据的存储器单元阵列；以及联接到存储器单元阵列并且可操作以在存储器单元中读取或写入数据的存储器控制电路。每个存储单元是2端子电路，并且包括作为上述磁性结构中的任一个的磁性结构，并且还包括：(1)第一电端子，其从具有钉扎磁性层的一侧与MTJ电接触以接收修改流过MTJ的自旋极化电流的电流阈值以用于切换自由磁性层的磁化的栅电压；以及(2)第二端子，其与自旋霍尔效应金属层的接触位置电接触。
在又一方面，公开了一种基于自旋霍尔效应磁性电路元件的基于磁结构的装置，其包括具有可变磁化方向的自由磁性层；以及自旋霍尔效应层，其包括具有第一电阻率、第一厚度的第一材料，其中自旋霍尔效应层是非磁性的，并且包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导到自旋霍尔效应层中的充电电流作出反应，以产生垂直于充电电流的自旋极化电流，自旋霍尔效应层平行于自由磁性层，以将在自旋霍尔效应层中产生的自旋极化电流引导至自由磁性层中。此结构还包括插入层，插入层包括具有第二电阻率、第二厚度和电导的第二材料，其中插入层是非磁性的并且联接在自由磁性层与自旋霍尔效应金属层之间。第一材料包括Pt，并且第二材料包括Hf，以使得包括Pt的自旋霍尔效应层和包括Hf的插入层的组合结构形成高电阻率的复合结构。
在附图、说明书和权利要求中更详细地描述了上述和其他方面和特征，以及示例性实施例和应用。
附图说明
图1A示出磁性隧道结(MTJ)装置结构的示例，磁性隧道结装置结构具有自旋霍尔效应(SHE)金属和配置成修改SHE金属与MTJ之间的接合以用于增强STT效应的高电阻率薄插入层。
图1B示出具有被掺杂成表现出高电阻率以用于增强STT效应的自旋霍尔效应(SHE)金属的磁性隧道结(MTJ)装置结构的示例。
图1C示出具有被掺杂成表现出高电阻率以用于增强STT效应的自旋霍尔效应(SHE)金属的MTJ装置结构的另一示例。
图2示出具有垂直磁各向异性的自由磁性层的示例性装置结构的示意图。
图3示出具有平面内自由磁性层的示例性装置结构的示意图。
图4A、图4B和图4C示出用于至少使用来自自旋霍尔效应的垂直自旋力矩来操纵MTJ的磁性自由层内的磁畴壁的MTJ装置结构的示例。
图5描绘用于由高原子序数普通金属底层中的自旋霍尔效应驱动的平面内极化磁性自由层的抗阻尼切换的示意性装置结构的示例。
图6描绘普通金属(NM)的示意性表示的示例，普通金属具有高自旋霍尔角、大约1nm或更小厚度的薄且高电阻率的插入层(IL)以及薄铁磁层(FM)，其中IL位于其他两个层之间并且与两者均电接触。
图7描绘所公开技术的一个实施方式的示意性表示的示例，其中磁性隧道结邻近NM-IL双层和磁性隧道结的自由层(由示意图中的底部橙色层表示，与插入层电接触)形成。
图8描绘示出70nm x 240nm的磁性隧道结的电阻变化的示例，其中1.8nm厚的FeCoB自由层的磁性取向可以通过由自旋电流施加的自旋力矩来从平行于磁性固定的电极的取向可逆地变化到磁性固定的电极的相反的取向，其中，自旋电流从穿过下部4nm Pt层并且扩散通过0.5nm Hf以撞击在自由层上的电流产生。用于可逆所需的电流的小尺寸表明所公开的技术的成功操作。
图9、图10、图11和图12示出基于现有的HM的FM-HM界面的所公开的修改以增强其固有SHE的有效性而对样品进行的各种试验的测量。
图13A和图13B示出实现用于将自旋极化电流提供到MTJ的自由磁化层中的自旋霍尔效应金属层的3端子电路配置中的磁性隧道结(MTJ)电路的示例。
图14A和图14B示出用于将自旋极化电流提供到自由磁化层中的自旋霍尔效应金属层的操作，其中示出平面内充电电流Jc(或Je)和平面外自旋极化电流Js的流动方向和注入自旋σ的方向。
图15示出具有联接到自旋霍尔效应金属层的电流源和联接在MTJ两端的电压源的3端子MTJ电路的示例。
图16A示出表示三端子ST-MRAM装置单元的示意性立体图的示例，三端子ST-MRAM装置单元采用自旋霍尔效应(SHE)和跨过MTJ的栅电压以用于写入操作，其中ST-MRAM单元包括具有位于STT-MRAM装置结构的底部上的平面内磁性层和SHE导电带的磁性隧道结。
图16B示出三端子ST-MRAM装置单元的另一示例，三端子ST-MRAM装置单元采用自旋霍尔效应(SHE)和跨过MTJ的栅电压以用于写入操作，其中磁性隧道结具有平面内磁性层，并且SHE导电带位于STT-MRAM装置结构的顶部上。
图17A示出三端子ST-MRAM装置单元的示例，三端子ST-MRAM装置单元采用自旋霍尔效应(SHE)和跨过MTJ的栅电压以用于写入操作，其中FL和PL的磁矩的平衡位置垂直于膜平面。
图17B示出采用自旋霍尔效应(SHE)和跨过MTJ的栅电压以用于写入操作的三端子ST-MRAM装置单元的示例，其中FL和PL的磁矩的平衡位置垂直于膜平面，并且附加的平面内磁化铁磁材料层被设置在MTJ叠层中以产生平面内偏置磁场，以用于限定自由磁性层的垂直磁化的确定切换方向。MTJ叠层中的该平面内磁化铁磁材料层(例如，如图所示在第一电端子与自旋霍尔效应金属层之间)消除了单独的磁性机构，以在自由磁性层处产生偏置磁场。非磁性分隔层可以被设置成与钉扎磁性层接触，并且磁性层与非磁性分隔层接触并配置成在磁性层中具有磁化方向以在自由磁性层中产生偏置磁场。
图17C示出表示在FL磁矩的不同取向下的有效自旋力矩场BST的方向的图示。注入的自旋被假定为沿着例如-x方向。
图17D示出表示有效自旋力矩场BST的方向与施加的场Bext的方向之间的关系的图示。
图18A示出用于演示磁各向异性(VCMA)的电压控制的效应的能力以调节MTJ的FL的自旋霍尔力矩切换的示例性3端子MTJ装置。
图18B和图18C示出施加在3端子SHE装置中的隧道结端子两端的偏置电压VMTJ的操作，以基本上改变通过自旋霍尔层所需的电流ITa，从而实现平行到反平行(P到AP)切换(图18A)或反平行到平行(AP到P)切换(图18B)，其中阴影区域指示其中ON状态(VMTJ＝-400mV)和OFF状态(VMTJ＝0mV)将切换概率从100％改变至零的电流范围。
图18D示出在一系列10μs脉冲下的选通自旋霍尔力矩切换，其中RMTJ是MTJ(数据状态)的电阻。为了使选通切换实现为高电阻状态，VMTJ在0mV与-400mV之间切换，而自旋霍尔电流ITa在0mA与-0.55mA之间切换。为了使选通切换实现为低电阻状态，VMTJ在0mV与-400mV之间切换，而自旋霍尔电流ITa在0mA与.35mA之间切换。除非施加VMTJ＝-400mV的脉冲，否则不会发生切换。
图19提供交叉点存储器架构的示例，其基于MTJ与自旋霍尔效应金属层之间的联接通过用于3端子存储器单元阵列的选通自旋霍尔力矩切换来启用，其中晶体管开关是共享的并联接到MTJ单元的三个端子。
图20A和图20B示出可以用于图19中的选通自旋霍尔力矩交叉点存储器架构中的写入和读取操作的偏置配置的晶体管切换操作状态的示例。
图21示出可以用于激励3端子SHE/VCMA装置中的磁振荡并输出相关联的微波功率以实现自旋力矩纳米振荡器性能的振荡电路的示例。黑色箭头表示三端子SHE装置内部的电流分布，并且自旋霍尔电流ITa和隧道结偏置电流IMTJ分别来自电流源1和电流源2。
图22示出当MTJ偏置电流为IMTJ＝60μA，并且自旋霍尔金属(Ta)带中的自旋霍尔电流在ITa＝-0.8mA与+0.8mA之间变化时，在磁性隧道结中由自旋霍尔力矩激励的FL产生的微波谱。为了便于比较，不同电流下的频谱垂直移位。功率谱密度(PSD)是装置的输出微波功率的度量。
图23A示出如图21中示意性表示的SHE驱动的自旋力矩纳米振荡器的集成输出微波功率。红色三角形表示微波功率对施加的MTJ电流。蓝色圆圈表示由和对应电流的磁阻归一化的微波功率。
图23B示出作为施加的MTJ电流的函数的、图21中的SHE激励和VCMA调谐的自旋力矩纳米振荡器的中心振荡频率。
图24示出在自由磁性层与SHE金属层之间具有薄的过渡金属层以用于增强自由磁性层中的垂直磁各向异性的3端子MTJ装置的示例。
具体实施方式
在该文件中公开的技术和装置经由通过使用自旋霍尔效应(SHE)金属层中的充电电流来注入自旋极化电子或带电粒子而提供基于自旋转移矩(STT)效应的磁性电路和装置，自旋霍尔效应(SHE)金属层联接到用于各种应用(包括非易失性存储器功能、逻辑功能等)的磁性自由层。自旋霍尔效应金属层可以邻近自由磁性层定位或者与磁性自由层直接接触。充电电流经由自旋霍尔效应金属层的两个不同位置处的第一电端子和第二电端子而施加到自旋霍尔效应金属层，以经由自旋霍尔效应产生自旋极化电流来进入磁性自由层。磁性自由层中注入的自旋极化电流可以导致磁性自由层的磁化方向基于自旋转移矩(STT)效应而改变。
在自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)和STT磁性逻辑装置中，垂直和平面内磁各向异性结构均可以使用。例如，具有垂直磁各向异性(PMA)的磁性自由层可以有利地用于某些电路或装置应用。对于给定的热稳定性程度，具有PMA的自由层可以经历抗阻尼切换，抗阻尼切换由自旋转移矩使用更小值的施加的自旋力矩(与具有平面内各向异性的层相比)来驱动。这是因为对于具有PMA的装置，用于切换的临界力矩通常与确定热稳定性的各向异性能量势垒成正比，而对于具有平面内磁各向异性的装置，用于切换的临界力矩通常增加与去磁场成比例的附加项(该项对热稳定性没有贡献)。这种差异使得具有PMA的装置原则上更节能。对于另一个示例，PMA结构也可以按比例缩小成比具有平面内各向异性的装置更小的尺寸，同时保持热稳定，这将使得具有更大密度的存储器和逻辑电路成为可能。
用于将自旋转移矩施加到磁性层的一种有效方式是在具有强自旋轨道联接的材料中使用自旋霍尔效应，以产生垂直于所施加的充电电流流动的电流，并且使该自旋极化电流由相邻的磁性层吸收以施加自旋力矩。此效应可以用于通过抗阻尼机制来切换平面内极化磁性层。这种基于SHE的STT与使用固定或钉扎铁磁层作为自旋极化层来控制穿过固定或钉扎铁磁层的注入电流的自旋的STT过程不同，并且特别地可以具有更高的传输效率并且在磁性自由层中产生更强的自旋转移矩。因此，可以在基于SHE的STT设计中使用较低的充电电流以实现相同的STT效应，其在使用固定或钉扎铁磁层作为自旋极化层的STT过程中需要更高的驱动电流。基于SHE和STT的这种组合的STT效应的效率或强度可以通过SHE金属层与磁性自由层之间的接合修改或通过使SHE金属掺杂有某些杂质来修改或设计SHE金属层或者其他手段来增强。
图1A示出具有表现出自旋霍尔效应的导电SHE层和用于改善MTJ与SHE层之间的对接的插入层的磁性隧道结(MTJ)装置结构100A的示例。装置结构100包括与MTJ 102接触的顶部电触点101、导电SHE层104和联接在MTJ 102与导电磁性层104之间的薄插入层106。MTJ102还包括钉扎(或“参考”)磁性层108、与电触点101接触的自由磁性层110以及夹在钉扎磁性层与自由磁性层之间并与其接触的隧道势垒层112。具有特定选择的材料和尺寸的MTJ102、导电SHE层104和插入层106中的多个层被配置来在自由磁性层与导电SHE层104之间提供期望的界面电子联接，以响应于注入到导电SHE层104中的给定充电电流而允许自旋极化电子或带电粒子在导电SHE层104中的大流动，并且提供所产生的自旋极化电子或带电粒子到MTJ 102的自由磁性层中的有效注入。两个电触点121和122被放置在导电SHE层104的两个位置处，并且联接到充电电流电路120以将充电电流116供应给导电SHE层104。在各实现方式中，自由磁性层108和钉扎磁性层110可以具有垂直于层的磁化或平行于层的磁化。
除了由两个电触点121和122形成的两个电端子之外，图1A中的基于SHE的MTJ装置结构100A还通过MTJ 102的顶部上的电触点101具有第三电端子。因此，与使用固定铁磁层或钉扎铁磁层作为自旋极化层的其他STT-MTJ装置不同，基于SHE的MTJ装置结构100是具有两个电路的三端子装置—第一电路是充电电流电路120，其由具有导电SHE层104的两个端子121和122形成，并且第二电路是经由MTJ 102的顶部上的第一电触点101以及触点121和122中的任一个联接到MTJ 102的MTJ电路。
在一些实现方式中，图1A中的两个电路可以彼此独立地操作。例如，充电电流电路被激活以执行写入操作，以通过使用SHE充电电流来翻转自由层110来将新数据写入MTJ102中，而MTJ电路在读取MTJ 102中存储的数据时用作感测电路，MTJ 102具有在不改变MTJ102中的自由层110的磁化的情况下流过MTJ 102的低读取电流。
在其他实现方式中，图1A中的两个电路可以一起操作或者同时共同实现期望的操作。例如，图1A中的3端子磁性电路可以经由以下各项的组合来实现增强的自旋转移矩(STT)：(1)通过使用自旋霍尔效应金属层中的充电电流来注入自旋极化电子或带电粒子，以及(2)对自由磁性层应用栅电压以操纵自由磁性层的磁化以用于各种应用，包括非易失性存储器功能、逻辑功能等。
所公开的采用SHE作为写入机制的MRAM单元在图1A的示例中避免使大的写入电流流过MTJ 102的隧道势垒，因为导电SHE层106中的充电电流106主要负责在写入操作中翻转自由层110的磁化。此特征可以大大增加存储器单元的寿命，并极大地减轻实现可靠读取和写入所需的再现性裕度。在基于使用固定铁磁层或钉扎铁磁层作为自旋极化层的STT过程的许多二端子ST-MRAM装置中，写入和读取操作都依赖于使电流流过隧道势垒，并且这具有不期望的折衷以便获得大的隧道磁阻并且同时允许大电流流过势垒。在许多情况下，可能难以同时满足这两个要求。使用SHE作为写入机制的三端子MRAM单元避免了这类问题，并且使得能够最优化单独用于读取操作的MTJ的装置性能，而不影响写入操作。因此，所公开的使用基于SHE的SST的3端子装置在MTJ的设计中提供了相当大的自由度，例如可以调节隧道势垒的厚度以获得最佳隧道磁阻和与提供写入电流和读取感测电压的电路匹配的适当阻抗。
在图1A中，联接在触点121与122之间的充电电流电路120在SHE金属层104(在一些实现方式中诸如Pt、W或Ta)中注入充电电流116。这可以产生将通过自旋转移在相邻的铁磁薄膜层(例如，自由层110)或薄膜图案化的纳米磁性元件上施加磁力矩的横向自旋电流，由此铁磁层的磁性结构或者纳米磁性元件的磁性取向可以为了非易失性信息存储、执行非易失性逻辑运算或通过驱动磁振荡产生微波信号的目的而改变。
具体地，图1A中的示例性装置100A使用接近原子厚度的薄金属插入层106来改善界面的自旋透明度(减少当自旋电流从自旋霍尔金属的表面经过进入铁磁性金属的表面中时否则会发生的任何自旋衰减)。例如，Hf插入层可以用作层106。也可以使用抑制有害混合或者在界面处导致增强的自旋散射的任何其他过程的其他插入材料，只要这种插入层不会增加其自身的任何显著的自旋散射。
在大多数应用中，插入层106应当是自旋霍尔金属104与铁磁层110(例如，自由层)之间的另一导电材料的一至多达五个原子厚的超薄层。如果适当选择，此插入层106可以实质上减少将自旋电流从层110中的自旋力矩激励的铁磁材料或纳米磁性元件不期望地“泵送”回SHE层104的自旋霍尔材料中。这种自旋泵送否则将增加铁磁层110的磁阻尼，并且因此否则导致需要增加通过铁磁层110的电流111以执行期望的自旋力矩动作；磁反转或持续的磁激励在铁磁层110上。增加的工作电流111等效于具有较低能量效率的自旋霍尔装置。因此，期望最小化电流111和所需的总电能(例如，还减小SHE金属层104中的充电电流116)，以实现对铁磁元件的期望的自旋力矩动作，并且这对于在磁性存储器和非易失性逻辑应用中实现自旋霍尔装置是最重要的。
插入层106还可以被构造成通过产生更理想的界面来改善MTJ 102与SHE金属层104之间的界面的整体自旋透明度，由自旋霍尔金属104中的自旋霍尔效应产生的作为流过MTJ 102的电流111的一部分的自旋电流可以以自旋翻转散射的降低的概率(即，具有显著减小的自旋电流衰减)通过此界面。插入层106的这个方面可以用于导致在自旋霍尔层104中产生的更多的初始自旋电流撞击在铁磁层110或元件102上，并且在铁磁层110或元件102上施加其自旋力矩效应。界面的自旋透明度的这种改善也将直接增加装置100A的能量效率。
为了抑制自旋泵送，插入层106应当具有在插入层106与铁磁层110之间的界面处导致低自旋混合电导的电子结构。一种有效的方式是使用与低电阻率的自旋霍尔金属(诸如Pt)而不是与自旋霍尔金属(诸如W的β相)的组合，低电阻率的自旋霍尔金属具有相对高的Sharvin电导，其导致在Pt铁磁界面处的高自旋混合电导，而自旋霍尔金属具有高电阻率并因此具有低的Sharvin电导。进行试验以表明无定形、高电阻率Hf的薄层可以非常有效地用作插入层106。具有低自旋散射速率的其他无定形和/或高电阻率材料的金属层也可以有效地用于插入层106。
为了增强界面自旋透明度，插入层106可以配置成抑制自旋霍尔金属104与铁磁材料110的混合，在不存在插入层106的情况下，该结构将以其他方式在自旋霍尔金属–铁磁金属界面处具有过度的自旋散射。这种散射使穿过界面的自旋电流衰减，并且因此是期望的。此外，插入层106可以被配置成使得其自身不具有高自旋散射速率，或者当与铁磁层或自旋霍尔金属混合时不具有高自旋散射速率，以使得包括插入层的界面的整体自旋透明度实质上高于插入层不存在时的整体自旋透明度。进行试验以表明插入在Pt与FeCo合金之间的约0.5nm的Hf层可以有效地抑制这种混合并且导致增强的界面自旋透明度。具有用于与自旋霍尔金属(高的生成热)反应的高负焓的金属元素，诸如具有Pt的Hf或具有Pt的Al，可以有效地抑制与铁磁材料的混合并且增强界面的自旋透明度。
图1B示出通过增强自旋霍尔金属本身中的自旋霍尔角或自旋霍尔比率，通过增加自旋霍尔金属的平均电阻率来改善SHE-STT效应的另一种方法。在自旋霍尔效应的固有极限中，在SHE金属中产生的自旋电流密度的强度随着金属的自旋霍尔电导率乘以其电阻率而变化。通过经由表面散射和杂质散射来增加SHE金属(例如，Pt)的电阻率，自旋电流密度可以增加至少二并且可能更多的因数。
进行试验以表明增加低电阻率自旋霍尔金属膜的电阻率以增强由施加的电流产生的自旋电流的幅值的这种用途。对于Pt和技术兴趣的其他自旋霍尔金属，自旋霍尔效应处于“固有”极限。在这种情况下，自旋霍尔电导率由SHE金属的电子能带结构确定，缺陷和声子散射决定金属的电阻率。由于由自旋霍尔效应产生的自旋电流密度的幅值由自旋霍尔电导率乘以自旋霍尔金属的电阻率的乘积来确定，所以增加自旋霍尔金属的电阻率可以提高自旋霍尔效应的效率以用于实现自旋力矩操作。这是因为自旋霍尔效应的能量效率将标度为自旋电流密度的平方除以电阻率，并且因此在固有极限中，能量效率将与自旋霍尔金属的电阻率相反地变化。然而，需要用于增加电阻率的任何手段不降低自旋霍尔电导率，或者实质上增加自旋霍尔金属内的自旋翻转散射率。
可以通过使用表面增强散射或在膜的大部分中使用杂质来增加自旋霍尔金属膜(诸如Pt)的电阻率。我们的试验表明，对于厚度为约5nm或更小的Pt膜，高电阻率金属(诸如Ta或邻近Pt的一侧或两侧的另一种合适金属)的放置可实质上增加Pt层的平均电阻率，其中该增加与Pt厚度大致相反地增长。在我们的试验中，通过自旋霍尔效应在Pt层内产生的横向自旋电流密度随着此增强的电阻率而线性地变化。
将杂质引入SHE金属层(例如，Pt)还可以增加Pt的电阻率，并且因此提高其产生自旋电流的效率。我们的试验已表明，混合到Pt中的1％Hf浓度可以使膜的电阻率大约加倍，并且与由流过未掺杂的Pt层的相同电流产生的自旋电流密度相比，使自旋电流密度增加二的因数。掺杂剂材料应被选择成使得由于其类型或浓度，掺杂剂材料不会降低主自旋霍尔金属的自旋霍尔电导率，或者增加金属中的自旋弛豫速率。
图1C示出基于SHE-STT效应的另一示例性装置，其通过使用图1A中的插入层和图1B中的SHE金属的掺杂或合金化来增强自旋霍尔效应。
如下文将更详细描述的，可以基于自旋霍尔效应来构造三端子装置配置，以可逆地切换邻近自旋霍尔效应金属层放置的薄膜铁磁元件的磁性取向，而铁磁元件的磁性取向通过可逆铁磁元件形成磁性电极中的一个的磁性隧道结的电阻来确定。值得注意的是，这种三端子装置使得写入电流路径与读取电流路径分离，在读取时写入的错误可以被显著地减少或消除，如在重复写入周期期间的隧道势垒磨损。此外，这种三端子装置配置允许使用具有明显降低的隧道结电击穿风险的更高的写入电流脉冲。这使得能够使用三端子自旋霍尔装置作为高速(例如，在某些情况下为2ns)非易失性存储器单元。此外，三端子自旋霍尔装置允许使用更高电阻的隧道结以用于读取，这将改善在低电阻(零)和高电阻(一)状态之间的电压信号变化。此特征使得读取时间比各种二端子SST-MRAM电路快得多。高性能自旋霍尔存储器的非易失性和高能量效率将是用于移动应用和高性能数字应用的“绿色”电子器件的开发的主要推动者。
在装置100A、100B或100C中，自由磁性层或钉扎磁性层中的每一个可以是合适的磁性材料的单层或者具有两个或更多层的不同材料的复合层。自由磁性层和钉扎磁性层可以是导电的，而它们之间的势垒层是电绝缘的并且足够薄以允许电子经由隧道穿过。导电磁性层104可以邻近自由磁性层或者与自由磁性层直接接触，以允许在充电电流下经由自旋霍尔效应产生的自旋极化电流进入自由磁性。此外，导电磁性层104可以实现为表现出自旋霍尔效应的合适磁性材料的单层，或者具有两个或更多个不同材料层的复合层。
此专利文件中公开的各种实施方式提供了被配置成利用异常霍尔效应的装置结构，其将自旋霍尔效应的物理学与铁磁性或亚铁磁性结合，以产生有效的SHE-STT操作。下文结合图2、图3、图4A和图4B的实施方式提供了基于图1A中的装置结构100A的不同实施方式。类似地，可以基于图1B中的装置结构100B或图1C中的装置结构100C来实现那些实施方式。
图2示出支持具有垂直磁各向异性的磁性自由层的SHE-STT切换的示例性装置结构200的示意图。更具体地，图2提供同一个装置结构200的两个视图：显示SHE层的长侧的图2的顶部上的一个侧视图和显示SHE层的短侧的图2的底部处的一个端视图。如在装置结构200的侧视图中可以看到的，装置结构200包括与MTJ 202、SHE层204和插入层206接触的顶部电触点201。MTJ 202还包括钉扎(或“参考”)磁性层208、与顶部电触点201接触的自由磁性层210，磁性层208和210都被构造成具有垂直磁各向异性，并且隧道势垒层212夹在钉扎磁性层与自由磁性层之间并与其接触。在所示的实施方式中，钉扎磁性层208也具有指向上(但是在其他实施方式中也可以指向下)的垂直磁化。自由磁性层210也具有垂直磁化，但是其取向可以根据所施加的自旋转移矩在向上状态与向下状态之间改变。
SHE层204定位在装置结构200的底部，并且通过设置在SHE层204与自由磁性层210之间的插入层206而联接到MTJ 202的自由磁性层210。为了在装置结构200中引起自旋霍尔效应，可以使用沿着装置的长侧穿过导电磁性层204的示例性平面内充电电流216(在装置结构200的端视图中示出为虚线黑色箭头)。
对于高速和低总能量磁性存储器和逻辑应用，可能有利的是使用平面内极化的磁性自由层，并且通过施加垂直定向的自旋力矩(或垂直力矩和平面内力矩的组合)的短脉冲来驱动切换以实现自由层的旋进逆转。图3示出具有平面内自由磁性层的示例性装置结构300的示意图。与图2类似，图3提供同一个装置结构300的两个视图：显示SHE层的长侧的图3的顶部上的一个侧视图和显示SHE层的短侧的图3的底部处的一个端视图。侧视图还示出穿过SHE 304的平面内充电电流316。装置结构300还具有与装置结构200基本相同的多层结构，其包括顶部电触点301、MTJ 302、SHE层304以及插入层306。MTJ 302还包括钉扎磁性层308和自由磁性层310，以及夹在钉扎磁性层与自由磁性层之间并与其接触的隧道势垒层312。在装置结构300中，钉扎磁性层308具有指向右(但是在其他实施方式中也可以指向左)的平面内磁化。自由磁性层310也具有平面内磁化，但其取向可以取决于所施加的自旋转移矩而在与层308的磁化平行与反向平行之间改变。可以使用由霍尔效应产生的自旋转移矩以在低电流水平(相对于常规磁性隧道结)下驱动自由磁性层310的平面内磁化的切换。磁矩314可以通过施加正或负平面内电流的脉冲而在其两个稳定的平面内取向之间来回切换。
在图2和图3的示例中，自由层被示出为具有一个磁畴。在一些实现中，基于图1A或图1B中的设计的ST-MRAM磁性存储器装置可使用包括两个或更多个不同磁畴的磁性自由层，其中相邻磁畴被构造成具有相反的磁化方向，并且在两个相邻磁畴之间的磁畴壁的位置在磁性自由层内是可变的。这种磁畴可以具有平行于磁性自由层或垂直于磁性自由层的磁化方向。SHE注入的自旋极化电流可以用于通过在MTJ结下的一个磁化中使一个畴移位来实现一个数字状态并在MTJ结下的相反磁化中使相邻畴移位来实现另一个数字状态，而使这样的磁畴的位置移位。
图4A示出用于使用自旋霍尔效应来操纵在平面内自由层内的磁畴壁的示例性装置结构400的示意图。这种装置结构还可以用于基于将磁畴壁位置从磁性自由层的一侧改变到磁性自由层的另一侧来构建磁性存储器。装置结构400具有与装置结构300基本上相同的多层结构，其包括顶部电触点401、MTJ 402、SHE金属层404和插入层406。MTJ 402还包括钉扎磁性层408和自由磁性层410，以及夹在钉扎磁性层与自由磁性层之间并与其接触的隧道势垒层412。在装置结构400中，钉扎磁性层408具有指向右(但是在其他实施方式中也可以指向左)的平面内磁化。自由磁性层410也具有平面内磁化。然而，平面内磁化被配置成相反磁化的两个相反的磁畴和在两个磁畴之间形成的畴壁424。为了维持两个相反的平面内磁化的稳定性，例如通过在磁化方向上使用大尺寸(如图4A所示)来将自由磁性层410配置成具有高平面内磁各向异性。在一些实施方式中，自由磁性层410利用磁线实现。
图4A示出基本上在隧道结正下方的自由磁性层410的中间的畴壁位置。在这种情境下，两个相反的磁畴的磁化基本上彼此抵消。然而，SHE金属层404中的充电电流可以用于将畴壁位置一直移动到左侧或者一直移动到右侧以实现受控切换。例如，当充电电流416在图4A所示的方向上流动时，所产生的自旋转移矩将使畴壁424在自由磁性层410中一直移动到右侧，从而产生平行于钉扎磁性层408的磁化的净磁化。在这种情境下，MTJ 402可以处于低电阻状态。接下来，当充电电流416在与图4A所示的方向相反的方向上流动时，所产生的自旋转移矩的方向被反转，并且自旋转移矩将使畴壁424在自由磁性层410中一直移动到左侧，从而产生反向平行于钉扎磁性层408的磁化的净磁化。在这种情境下，MTJ 402可以处于高电阻状态。因此，畴壁可以在两个稳定状态中可控地且有效地来回移动。因为充电电流不用于在每个畴中切换磁化，所以充电电流的幅值可以比当用于切换自由磁性层410中的磁化时更小。
在一些实现中，具有不同畴的自由层可以被配置成长线或线段，其中经由将具有不同磁化方向的畴分离的磁畴壁的位置来存储信息。来自SHE产生的自旋极化电流的力矩可以用于通过使用其中磁自由层线与非磁性薄膜接触的样品来增强电流操纵磁畴壁的位置的能力，所述非磁性薄膜表现出强SHE，结合钉扎磁性层以读取自由层的磁性取向，如图4B和图4C所示。电流可以横向平行于样品平面流动，或者横向电流可以与垂直电流结合施加。来自SHE效应的力矩可以直接有助于移动畴壁，并且它还可以稳定畴壁的构造，以使得其能够以与单独的常规自旋转移矩效应的影响相比更大的速度和提高的效率来移动。
以下部分提供用于实现图1A中的插入层设计的各种示例。
自旋霍尔效应源于在由具有高原子序数Z的某些金属形成的普通金属(NM)薄膜带中流动的电流，其中由于导电电子与金属内的离子的强自旋轨道相互作用，具有一个自旋取向的电子优先在横向于电子电流流动方向的一个方向上偏转，并且在相反取向上具有其自旋取向的那些电子在相反的横向方向上偏转。结果是反向自旋极化的电子扩散到普通金属带的两个相对表面。这种横向“自旋电流”的产生被称为自旋霍尔效应。如果这种自旋电流撞击到放置在薄膜微带(在其中产生自旋电流)的表面上的铁磁薄膜的表面上，那么此自旋电流可以通过现在公知的自旋转移现象而在铁磁体上施加磁力矩。这在图5中示出。这是因为从纳米磁体进入或反射的横向于纳米磁体的局部磁矩的电子的量子力学的自旋角动量必须由此力矩吸收。根据自旋霍尔效应的强度和铁磁体的构造，这种自旋转移矩可以有效地驱动相邻铁磁体(FM)中的磁畴壁的横向移位，由于自旋转移矩的抗阻尼性质而在铁磁结构中产生持续的磁激励，并且在小的纳米级铁磁体与普通金属带相邻放置并与其电接触的情况下，在两个双稳态取向之间有效地驱动磁矩的磁反转，其中磁矩的最终取向取决于作为自旋电流的起源的电流的方向。
薄膜NM带内的纵向电流产生横向自旋电流的效率的特征在于自旋霍尔角θSH＝Js/Je，其中Js是横向自旋电流密度，并且Je是施加的纵向电流密度。来自实验研究的θSH的当前可接受的值可以从对于Pt的大于或约0.06到对于其高电阻率β-Ta相的Ta的约0.12，并且当处于其高电阻率β-钨相时对于W为约0.3。一旦产生，自旋电流的幅值就可以随着距源的距离指数地减小，并且该减小由自旋弛豫长度λs表征，自旋弛豫长度根据自旋霍尔金属的不同而变化，但是对于诸如上面列出的材料，其中θSH的大值通常可以在约1纳米至几纳米的范围内。为了以有效的方式获得最大自旋电流密度，自旋霍尔层的厚度可以是此自旋弛豫长度的2至3倍。
相比于如通过NM层的电导率σNM除以其自旋弛豫长度λs来确定的每单位面积的NM层的电导率，影响自旋电流在铁磁体上施加自旋转移矩的效率的另一个因素可以是NM与FM之间的界面的自旋混合电导GSM的相对幅值。当界面的自旋混合电导远高于GNM＝σNM/λs，入射自旋电流可能对FM具有最大影响，但是如果GSM≤GNM，那么将存在来自界面的自旋电流的显著回流和自旋的构建、在紧邻FM的NM层中的自旋累积。这可以被理解为降低由自旋霍尔效应产生的自旋电流的自旋力矩有效性。
影响入射自旋电流激励或反转FM元件的磁矩的能力的另一因素可以是FM的总有效磁阻尼率。对于隔离的FM层，所谓的固有Gilbert阻尼参数可以表征此磁阻尼率αG。如果FM与NM电接触，那么磁阻尼率可以通过所谓的自旋泵送效应来增强，由此磁进动引起自旋跨它们可以弛豫的界面被“泵送”。此自旋泵送的有效性还可以取决于FM-NM界面GSM的自旋混合电导以及NM层在自旋弛豫长度GNM内的电导的相对值，但是以与这些参数的相对值对入射自旋电流的影响略有不同的方式。具体地，分析和实验表明阻尼ΔαSP的增强可以如ΔαG～GSM/(1+GSM/GNM)变化。因此，如果GNM<<GSM，那么可能几乎没有阻尼的增强。这对于抗阻尼自旋力矩激励和/或铁磁体的反转可能是最佳的，因为有效的是，磁激励的速率必须超过磁阻尼的速率，并且因此用于开始磁反转的临界电流与铁磁体的整体磁阻尼率αG+ΔαSP成反比。对于具有高自旋霍尔角的一些NM，电导率可能相当低，并且因此GNM<<GSM并且几乎没有阻尼增强。然而，低的GNM对于在磁性装置技术中成功实现自旋霍尔现象提出了不同的挑战。这个挑战可以是实现铁磁元件的激励或反转所需的电能成本。
实现例如热稳定铁磁元件的磁性反转所需的NM层中的电流密度Je可以与NM的自旋霍尔角成反比地减小。这种反转所需的电能ER可以与此电流密度的平方乘以NM的电导率的倒数或成比例。因此，虽然低σNM且因此低GNM可能有益于减少自旋泵送，但是它也可能是有害的，因为其在反转过程期间增加了电阻能量损失。此外，能量损失的这种增加可以通过远离铁磁层位于其上的区域的NM带中的寄生欧姆损耗来放大。最佳情况将因此是NM具有相对高的自旋霍尔角和相对高的电导率，但是也具有低的有效自旋混合电导。
本公开提供一种用于显著改善自旋霍尔效应的电效率的新技术，以用于通过薄膜铁磁元件的磁矩的磁性取向的自旋转移矩进行反转，薄膜铁磁元件可以是自旋力矩磁随机存取存储器装置中和非易失性逻辑装置中的活动数据元素。此技术还可以将纳米级磁结构的磁化的自旋转移矩激励的电效率提高为用于自旋力矩纳米级振荡器的应用的持续微波振荡。这种新技术可以实现具有自旋霍尔系统的目标，其中自旋电流可以在具有相对低的电阻率和显著的自旋霍尔角的普通金属层中产生，但是同样其中普通金属—铁磁体界面可以具有比在垂直于普通金属的FM-NM界面的方向上测量的有效电导GNM更高的自旋混合电导。
所公开的技术可以如图6所示通过在NM层与FM层之间插入薄的、高电阻率的普通金属层而使NM层与FM层分离来实现，在NM层中，通过自旋霍尔效应产生横向自旋电流。可能的插入层(IL)材料可以包括但不限于Hf、Ta、W、Re、Ir、Nb，Ti以及非磁性的任何其他3d、4d或5d金属元素或其合金，并且当与合适的FM层接触时具有低的自旋混合电导GSM，并且可以具有更低的电导GIL＝σIL/λs,IL，其中λs,IL可以是IL材料中的自旋弛豫长度。FM层可以是但不限于Fe、Co或Ni，或Fe-Co合金，Fe-Co-B合金或Fe-Co-Al合金或者包括过渡金属组分的任何其他铁磁层。FM层也可以是均匀的，或者由不同组分的多层组成。FM/IL界面的低自旋混合电导可以但不需要由FM金属的电子带结构与插入层IL的电子带结构之间的强烈差异产生。IL层的低电导率可以源于带结构或此材料的无定形性质，如对于薄的溅射沉积的Hf和Ta层可能是这种情况。
在各实现中，IL的厚度tIL可以小于其自旋弛豫长度，以使得源自下伏高电导率NM层中的自旋霍尔效应的自旋电流基本上不衰减。IL的厚度也可能必须足够厚以使得自旋混合电导由IL而不是下伏NM来确定。这可以意味着IL为至少一个原子层厚。总之，要求可以大约是0.2nm≤tIL≤λs,IL。IL的纵向电导和下伏NM层的纵向电导的差异可以足够大，以使得大部分施加的电流流过NM层而不流过IL。IL层的电阻率与NM自旋霍尔材料的电阻率之间的2.5或更大的电阻率已经被示出足以实现此标准。然而，IL可能必须足够厚，以使得IL/NM双层的有效普通电导比FM/IL界面的自旋混合电导小得多。用Hf作为IL并且Pt作为自旋霍尔金属层的实验已经表明tIL的范围从0.25到1.0nm及以上可以提供这个结果。其他材料和其他厚度也可以是有效的。
为了表明本文公开的技术的有效性，首先制备由通过直流磁控管溅射顺序地沉积在氧化的Si晶片上并用由薄的MgO和Ta层覆盖以保护其不受大气影响的3nm厚的Pt膜、0.5nm厚的Hf层和4nm厚的Fe60Co20B20组成的薄膜三层结构。将三层膜结构图案化成微带，并且在存在平面内施加的磁场的情况下将微波电流施加到微带。在适当的微波频率处建立谐振条件，其中普通金属层中的rf电流由于在FeCoB层上施加平面外磁矩的安培定律而产生平面内rf奥斯特场，并且Pt层中的自旋霍尔效应产生横向微波频率自旋电流，其通过自旋转移效应在FeCoB上施加平面内力矩。这种称为自旋力矩铁磁谐振(ST-FMR)的技术可以使得能够确定结构的横向自旋电流幅值和有效磁阻尼。
与分离的FeCoB膜获得的0.006的值对照，测量的ST-FMR显示Pt/FeCoB双层的有效Gilbert阻尼参数为0.015。这可以指示由于跨Pt/FeCoB界面的自旋泵送导致的强阻尼增强。然而，具有0.5nm的Hf插入层的装置表现出仅为0.01的阻尼参数值，从而表明仅有0.004的小得多的阻尼增强，这表明Hf插入层可以起到减少自旋泵送效应的作用。同时，对于Pt/Hf(0.5nm)/FeCoB三层样品，自旋霍尔角减小较小的百分比—表明强的自旋霍尔产生的自旋电流仍然可以通过Hf层并且在FM上施加强的自旋转移矩。具有较厚Hf插入层的后续测量表明Hf的自旋弛豫长度为约1.5nm。与Pt层(＝25x10-6Ohm-cm)相比，FeCoB层(≈160x10- 6Ohm-cm)和Hf层(≈60x10-6Ohm-cm)的测量电阻率证实大多数偏置电流流过Pt层，如所设计的。
为了完成本文公开的技术的有效性的演示，以通过在FM层与NM层之间插入非常薄的、高电阻率层来增强抗阻尼自旋力矩效应，其中NM具有大的自旋霍尔角但是相对低的电阻率，三端子自旋霍尔装置以与先前针对使用高电阻率(≈180x10-6Ohm-cm)Ta NM层的三端子自旋霍尔装置的情况相同的方式来制造。在这种情况下，通过磁控管溅射沉积生产Pt(4)/Hf(0.5)/FCB(1.8)/MgO(1.6)/FCB(3.8)/Hf(5)多层薄膜叠层，其中括号中的数字表示每层的厚度，单位为nm，并且其中包括顶部两个层以保护磁性隧道结(MTJ)层(FCB/MgO/FCB)免受大气影响。采用电子束光刻和离子束蚀刻将除了底部两个膜之外的所有膜结构化成在Pt/Hf微带的顶部上的细长的～70nm x 240nm MTJ，如图7中示意性所示。作为纵向流过Pt/Hf双层的电流的函数测量的MTJ的磁阻在图8中示出。通过测量MTJ的磁阻值来观察MTJ的底部磁性层的清晰的确定性反转。Pt/Hf装置可以表明Pt/Hf双层在提供由于Pt的低电阻率自旋霍尔材料和由于Hf IL的高电阻率的低有效阻尼的组合方面的有效性。
通过ST-FMR测量当底部FeCoB自由层与Pt/Hf基层接触时底部FeCoB自由层的有效阻尼参数αeff，通过振动样品磁力计确定1.8-nm FeCoB自由层的去磁场Meff，并且在没有热波动效应的情况下自旋霍尔切换电流密度Jc0通过标准斜坡率技术来测量。随后使用切换电流密度的标准方程来确定此系统中的有效自旋霍尔角为近似θSH≈0.08。这里，Ms是FeCoB自由层的饱和磁化，t是其厚度，并且Hc是自由层的平面内矫顽场。此结果可以类似于Ta的单层的结果，但是可以利用具有低七倍的电阻的自旋霍尔金属来实现。这表明本公开的NM/IF结构的价值可能是对高电阻率NM自旋霍尔装置的主要改进。虽然上述示例是Pt(4nm)/Hf(0.5nm)双层，但是也可以分别使用具有适当高的自旋霍尔角的其他相对低电阻率的NM和其他高电阻率插入层，而不是Pt和Hf。
例如，在用作NM的材料是铂(Pt)的情况下，其迄今是在室温下具有约25微欧姆厘米的最低电阻率的自旋霍尔金属，我们可以能够实现比我们在使用坡莫合金和Co40Fe40B20铁磁层(如果我们使用Fe60Co20B20)之前所观察到的高得多的自旋霍尔角。这可能是有用的，因为较低的Pt电阻率可以使其比具有较高的自旋霍尔效应但是大约高9倍的电阻率的Ta更合适。在富Fe铁磁层的情况下，Pt情况下的自旋霍尔效应可以大约等于Ta情况下的自旋霍尔效应。反转铁磁自由层的取向所需的切换电流可以相反地取决于自旋霍尔效率，并且线性地取决于自由层的磁矩、其磁各向异性或去磁场以及磁阻尼参数。在此后一类别中，Pt在一些情况下可以通过所谓的自旋泵送效应来增强相邻铁磁体的阻尼。Ta和W可以具有弱的自旋泵送，并且因此在那些情况下阻尼较低，接近铁磁体的固有值。例如，可以在Pt与FeCoB层之间插入非常薄的0.5nm的Hf层。这可以弱抑制自旋霍尔效应的强度，但是可能强烈降低自旋泵送效应。这种Hf的插入的结果显示在电流密度下的三端子装置中的自旋力矩切换可以与利用Ta的先前工作几乎相同，但是具有约8倍的更小的电阻并且因此具有能量损失。
对修改现有HM的FM-HM界面的上述公开的技术进行各种试验，以增强其固有SHE的有效性。通过在Pt膜与大约或小于2nm的薄Fe60Co20B20铁磁(FM)层之间插入薄的Hf无定形层(约0.5nm)，所进行的试验显示Pt的有效自旋霍尔角的强烈增强，结合自旋泵送的显著抑制。当铁磁层是磁性隧道结中的自由电极时，这些效应由自旋力矩铁磁谐振并通过测量切换电流密度来进行量化。结果被定性地解释为FM普通金属界面的自旋混合电导与Hf|Pt双层的自旋电导的增加比率的结果。这种界面修改使得Pt-Hf双层作为三端子自旋逻辑装置和需要低写入能量的磁性存储器单元中的自旋霍尔元件的具有吸引力的候选者。
通过AJA ATC2200溅射系统从2英寸平面磁控管源DC溅射(用于MgO层的射频溅射)到具有小于4x10-8托的基本压力的近UHV真空系统中的热氧化的Si衬底上来产生在进行的试验中使用的多层膜。靶与衬底分离约43cm。这种分离与靶到衬底的倾斜取向一起导致在所采用的DC溅射条件为2m托Ar和30瓦的功率的情况下的低沉积速率(Pt：0.017nm/s，Hf：0.021nm/s，FeCoB：0.0077nm/s)，并且还可以用于在沉积期间减少衬底的能量离子和能量中性轰击。通过从倾斜枪到固定衬底的溅射，Hf膜沉积有“楔形结构”，所述楔形结构跨晶片的厚度从0.33nm到0.76nm变化。其他层利用旋转衬底生长。
用于ST-FMR、异常霍尔和SQUID磁力测量准备的多层叠层||Ta(1)|Pt(4)|Hf(tHf)|FeCoB()|MgO(1.6)|Ru(2)通过使用GCA6300 5X g-线步进机的常规光刻法而图案化成10μm x 20μm的微带。为电流切换准备的叠层||Ta(1)|Pt(4)|Hf(tHf)|FeCoB(tFeCoB)|MgO(1.6)|FeCoB(4)|Hf(5)|Ru(5)通过使用JEOL6300系统进行电子束光刻图案化成3端子SHE-MTJ装置，3端子SHE-MTJ装置由宽度从0.6μm至1.2μm的Hf|Pt|Ta通道的顶部上的典型尺寸为50nm×80nm的椭圆形FeCoB|MgO|FeCoB磁性隧道结组成。通过装备有质谱系统的Intlvac10232离子减薄仪系统来对膜进行蚀刻。一些样品在背景压力小于10-7托的Lindberg真空管炉中在300C下退火30分钟。
通过频率相关的自旋力矩铁磁共振(ST-FMR)技术测量阻尼参数，其中由GMW5201投射场电磁体产生的外部磁场在平面内与微带呈45度施加。由安捷伦(Agilent)20GHz PSG信号发生器产生的功率12dBm和频率5-10GHz的射频信号被发送到微带，并且通过信号恢复7265DSP锁入的偏置电源拾取输出信号。通过取决于线宽的频率f，通过线性拟合计算阻尼系数。通过由昆腾设计(Quantum Design)PPMS6000产生的扫描垂直外部磁场达到1.5T的异常霍尔测量来确定去磁场。磁矩通过具有平面内外部场的昆腾设计MPMS-XL SQUID磁力计来测量。三端子装置上的电流切换测量是通过施加外部磁场来执行，此外部磁场来自由平行于纳米柱的主轴的Kepco BOP20-20M双极性工作电源控制的赫姆霍兹(Helmholtz)电磁体。来自日本横河(Yokogawa)7651直流电源的直流电流通过Pt通道发送。隧道结与10MΩ电阻串联连接，并且总差分电阻通过信号恢复7265DSP锁入来测量。
图9示出||Ta(1)|Pt(4)|Hf(tHf)|FeCoB(tFeCoB)|MgO(1.6)样品的磁特性的测量。图9(a)示出生长(实心圆)和退火(空心正方形)样品的每单位面积的磁矩对0.5nm tHf的FeCoB厚度。通过线性拟合(线)，FeCoB的死层的饱和磁化强度和厚度对于生长的样品分别为1.12+/-0.07x106A/m和0.3+/-0.1nm，并且对于退火样品分别为1.56+/-0.06x106A/m和0.7+/-0.1nm。图9(b)示出作为FeCoB有效厚度的函数的磁各向异性能。通过线性拟合(线)，界面和体积各向异性能量密度分别为0.45+/-0.03mJ/m2和0.60+/-0.03mJ/m3。图9(c)示出有效场对1.6nm退火(实心圆)和生长(空心圆)的样品的Hf厚度以及1.8nm退火(实心正方形)样品的FeCoB厚度。虚线表示零(无间隔物)Hf厚度值和1.8nm退火样品的FeCoB厚度。实线用来连接数据点。
图10示出通过频率相关ST-FMR测量的||Ta(1)|Pt(4)|Hf(tHf)|FeCoB(tFeCoB)|MgO(1.6)样品的阻尼参数α的测量。图10(a)示出对于退火样品，阻尼系数对0.5nm厚度的FeCoB的有效厚度的测量。实线示出拟合结果，根据该拟合结果估计分离的FeCoB膜的固有磁阻尼系数为0.006(虚线)。图10(a)中的插图示出对于具有1.6nm的FeCoB和0.5nm的Hf的退火样品，线宽Δ对通过ST-FMR测量确定的频率的典型曲线图。实线示出线性拟合结果。图10(b)示出对于退火样品(实心圆)和生长样品(空心圆)的阻尼系数对1.6nm的Hf厚度的测量值，以及1.8nm的FeCoB厚度(实心正方形)的测量值。虚线表示分离的FeCoB的估计阻尼系数。实线用来连接数据点。
图11示出用于退火三端子装置的||Ta(1)|Pt(4)|Hf(tHf)|FeCoB(tFeCoB)|MgO(1.6)|FeCoB(4)样品的电流切换行为的测量。图11(a)示出三端子SHE-MTJ装置结构的示意性结构。图11(b)示出对于50nm×180nm至1.2μm的装置，以斜坡率0.0013mA/s的差分电阻对电流的测量。切换电流被确定为+/-0.4mA。虚线用来连接数据点。图11(c)示出此装置的不同斜坡速率下的切换电流的曲线图。实线示出拟合结果。图11(d)示出70nm×240nm的装置的I0对沟道宽度w的测量。虚线用于引导眼睛。图11(d)中的插图示出切换电流密度对沟道宽度w的测量，其与1.55+/-0.12x1011A/m2的平均值一致。
图12示出切换电流密度和有效自旋霍尔角对1.6nm的FeCoB的Hf厚度的退火样品(实心圆)和生长样品(空心圆)和具有1.8nm的FeCoB(实心正方形)的退火样品的测量。切换电流密度达到最小值，并且有效自旋霍尔角在Hf厚度为0.5nm时达到最大值。实线连接数据点。
以下部分提供用于实现基于掺杂或合金化SHE金属的设计以实现图1B中的改善的SHE-STT性能的各种细节。所公开技术的这个方面涉及具有基于从传导电子到局部磁矩的自旋角动量的转移而操作的磁性材料或结构的装置和电路，这种现象被称为自旋转移矩。应用包括经由磁矩的受控反转而操作的非易失性磁存储器电路和非易失性磁逻辑装置、通过磁畴壁的受控位移操作的存储器和逻辑装置、以及在微波和毫米波状态中操作的自旋力矩激励的纳米尺度磁振荡器。
具体地，图1B中的设计可用于提供一种方法和系统，其基本上提高了在某些高原子序数金属中流动的电流经由自旋霍尔效应(SHE)产生横向流动自旋电流的效率，其中在传导电子与离子晶格之间存在强的自旋轨道相互作用。此横向自旋电流可以通过自旋转移矩的机制有效地实现存储装置或非易失性逻辑装置中的双稳态磁性元件的磁性取向的反转，有效地驱动磁畴壁在薄膜纳米结构中的快速位移，并且还可以在薄膜铁磁体中在微波频率处产生持久的稳态磁激励。可以实现图1B中的设计以实现更有效率和有效的磁随机存取存储器电路以及通过利用电流驱动自旋霍尔效应来致使纳米级铁磁薄膜元件的磁矩的双稳态取向的反转来操作的非易失性逻辑电路。图1B中的设计还可以用于基本上提高装置和电路的能量效率，其中装置和电路通过用于逻辑和存储器操作的纳米结构化磁性薄膜中的磁畴壁的自旋转移矩的快速和有效的移位来操作。此外，图1B中的设计可以用于实现更高功效和更通用的自旋力矩纳米级振荡器。因为从纳米磁体进入或反射的横向于纳米磁体的局部磁矩的电子的量子力学的自旋角动量必须由此力矩吸收，图1B中的自旋转移发生。根据自旋霍尔效应的强度和铁磁体的构造，这种自旋转移矩可以有效地驱动相邻铁磁体(FM)中的磁畴壁的横向移位，由于自旋转移矩的抗阻尼性质而在铁磁结构中产生持续的磁激励，并且在小的纳米级铁磁体与普通金属带相邻放置并与其电接触的情况下，在两个双稳态取向之间有效地驱动磁矩的磁反转，其中磁矩的最终取向取决于作为自旋电流的起源的电流的方向。
薄膜NM带内的纵向电流密度产生横向自旋电流密度的效率的特征在于自旋霍尔角其中Js是横向自旋电流密度，并且Je是自旋霍尔金属中的施加的纵向电流密度。可替代地，自旋霍尔角可以表征为金属σSH的自旋霍尔电导率与其电导率σHM的比率或者通过实验研究关于θSH的下界的当前可接受的值的范围从对于Pt的大于或约0.06到对于其高电阻率β-Ta相的Ta为约0.12，并且当处于其高电阻率β-钨相时对于W为约0.3。一旦产生，自旋电流的幅值就可以随着距源的距离指数地减小，具有由自旋弛豫长度λs表征的减小，自旋弛豫长度根据自旋霍尔金属的不同而变化，但是对于诸如上面列出的材料，其中θSH的大的值通常在约1纳米至几纳米的范围内。为了以最有效的方式获得最大自旋电流密度，自旋霍尔层的厚度应优选地为此自旋弛豫长度的大约2至3倍，但不超过此长度的5倍。
普通金属中自旋霍尔角的大小取决于传导电子与金属中的离子之间的自旋轨道相互作用的强度。这种相互作用的性质可以是外在的或固有的。在前一种情况下，自旋轨道相互作用发生在由缺陷和杂质导致的传导电子的散射期间。对于这种相互作用可以导致致使产生横向自旋电流的电子的自旋相关散射的方式，存在几种提出的解释；这些解释包括称为来自金属中的杂质和晶体缺陷的侧跳散射和偏斜散射的现象。在这种外在情况下，电导率和自旋霍尔电导率都随着缺陷或杂质密度而变化，并且因此自旋霍尔角不期望随着电导率的变化而显著变化。在固有情况下，自旋霍尔效应直接源自传导电子通过离子晶格的轨道运动，并且不依赖于缺陷/杂质散射，其在具有相对高密度的缺陷和/或杂质的材料中设置电导率，诸如具有非常小的晶粒或合金膜的金属薄膜。在此固有状态中，通过降低金属的电导率，例如通过合金化或掺杂自旋霍尔金属，可以增加自旋霍尔角从而提高电流密度产生横向电流密度的效率，条件是电导率的降低不伴随自旋霍尔电导率的材料减少，以使得增加。同样，为了实现这一点，期望添加到自旋霍尔金属中以降低其电导率的所选择的掺杂剂、缺陷或合金成分也不会显著降低其自旋霍尔电导率。
自旋霍尔金属内的自旋扩散长度也受金属的电导率的影响。具体地，自旋扩散长度λs与传导电子le的动量散射之间的弹性平均自由路径和电子在传导电子lsf的自旋翻转(自旋方向的反转)散射事件之间行进的平均距离有关，其中在对于金属的其中le＜λs＜lsf的典型情况下，所述关系通常为由于自旋霍尔金属的电导率与弹性平均自由路径成比例，σHM∝le，以使得λ∝σ1/2。可替代地，在一些情况下，自旋扩散长度随着自旋霍尔金属的电导率直接变化，或者λs∝σ。在任一种情况下，自旋霍尔金属的电导率越低，自旋扩散长度越短。
作为自旋霍尔金属的电导率的函数的自旋扩散长度的变化在确定自旋霍尔效应在相邻铁磁体上施加自旋转移矩时的效率中起到额外的作用。这是因为自旋霍尔效应的效率由跨普通金属-铁磁体界面传输自旋电流的概率所确定。与自旋弛豫长度λs上的每单位面积的NM层的电导率Gext相比，此传输取决于HM与FM之间的界面的自旋混合电导GSM的相对幅值。当GSM远高于此NM“自旋电导”Gext≡σHM/2λs时，传输概率基本上是一致的，并且入射自旋电流对FM具有最大的影响，但是如果GSM≤Gext，那么在紧邻FM的NM层中将存在自旋电流从界面的显著的回流以及自旋的构建、自旋积累。这种回流被理解为降低由NM内的自旋霍尔效应产生的自旋电流的自旋霍尔力矩效率ξSH。在HM tHM的厚度比其自旋扩散长度λs大得多(3倍或更多)的情况下，此效率可以表示为因此，为了优化自旋力矩效率，自旋混合电导应远大于HM的有效自旋电导。具有典型的面心立方体或体心立方体晶体结构并且因此具有低电阻率的相对纯的重金属薄膜的自旋混合电导的典型值≤25x10-8Ω-m、≥0.5x1015Ω-1m-2。因此，自旋霍尔力矩效率的优化ξ将以以下条件为前提：Gext≡σHM/2λs≤0.5x1015Ω-1m-2。
如果具有强自旋轨道相互作用的金属的电导率可以通过在金属内引入弹性(即动量)散射中心而变化，而不显著增加传导电子的自旋翻转散射速率，即不减小lsf，那么应可能基本上提高自旋霍尔金属中的电流密度Je在相邻铁磁体上施加自旋转移矩的效率。为了发生这种情况，期望在此金属中的自旋霍尔效应是由金属的电子能带结构引起的固有现象，而不是来自金属内的杂质和缺陷的自旋相关散射。特别地，如果σHM,ref是具有固有自旋霍尔电导率σSH的相对纯的、相对高电导率的自旋霍尔金属的电导率，那么如果引入掺杂剂或缺陷以将此电导率改变为较低值σ′HM，那么，自旋霍尔效率将为其中λs,ref是未掺杂的自旋霍尔金属的自旋扩散长度。如果通过引入掺杂剂或缺陷使σSH近似不变，那么此关系成立。因此，在自旋混合电导远大于HM的有效自旋电导的条件下，将遵循以下关系：ξ'SH∝(1/σ'HM)3/2。在所有情况下，降低自旋霍尔金属的电导率增加自旋霍尔效率，条件是自旋霍尔电导率σSH不显著变化。
对于在激励和反转FM元件的磁矩的取向或者在将薄磁膜中的磁化激励成持续振荡中，由于入射自旋电流的抗阻尼自旋转移矩效应而操作的那些自旋力矩装置，另一个要考虑且要最小化的重要参数是FM的总有效磁阻尼率。对于隔离FM层，固有Gilbert阻尼参数αG表征此磁阻尼率。然而，当FM与NM电接触时，磁阻尼率通过自旋泵送效应而增加，由此磁进动引起跨过界面“泵送”自旋，在界面处自旋可以经由NM中的自旋翻转散射而弛豫。此自旋泵送的有效性还取决于FM-NM界面GSM的自旋混合电导以及NM层在自旋弛豫长度Gext上的电导。具体地，分析和实验表明，阻尼ΔαSP的增强变化为ΔαSP～GSM/(1+GSM/Gext)。因此，最佳情况是Gext<<GSM，因此几乎没有阻尼的增强。更具体地，阻尼的自旋泵送增强的标准理论指示总阻尼参数α由下式给出：其中γ是被称为旋磁比的基本常数，Ms是铁磁材料的饱和磁化强度，并且tFM是铁磁薄膜的厚度。当NM的电导率变化时，我们有自旋霍尔金属中的使铁磁元件的取向逆转或者将元件激励成持续的微波激励的抗阻尼自旋转移矩所需的最小电流密度Jc变化为因此，当此等式指示由于自旋霍尔金属的导电性降低而使得用于抗阻尼自旋力矩效应的最小所需临界电流降低时，Jc∝(σ'HM)3/2，假设自旋泵送增强在固有阻尼上占优势。
执行自旋转移矩动作所需的最小电能Ec变化为并且此能量的最小化是装置技术中的重要考虑。因此，通过上面的公式，并且如果为了最佳效率，我们利用改变的自旋扩散长度tHM∝λ's＝λs,ref(σ'HM/σHM,ref)1/2来调节重金属膜的厚度，除了当自旋泵送是可以忽略的并且GSM G′ext以外(在这种情况下Ec∝(σ'HM)3/2)，我们有Ec∝(σ'HM)5/2，因此降低自旋霍尔金属的电导率对最小化Ec相当有利，条件是自旋霍尔电导率σSH也不降低。
对于自旋力矩应用，其中阻尼在确定用于动作(如在垂直磁化的铁磁层中的畴壁的移位或者在垂直磁化的铁磁层的磁性取向的反转中)所需的临界密度时不起作用，那么对于其中tHM利用σ'HM来最佳缩放的装置来说，当GSM G′ext时对于GSM G′ext和Ec∝(σ'HM)5/2我们有Jc∝σ'HM并且因此Ec∝(σ'HM)3/2。因此这里还减少σ'HM是有益的，条件是σSH不随着σ'HM的减少而实质性地减少。
图1B中的设计可以用于显著改善固有自旋霍尔效应的强度和电效率，以用于通过薄膜铁磁元件的磁矩的磁性取向的自旋转移矩进行反转，薄膜铁磁元件是自旋力矩磁随机存取存储器中和非易失性逻辑装置中的常用数据元素。这种设计还可以将纳米级磁结构的磁化的自旋转移矩激励的电效率提高为用于自旋力矩纳米级振荡器的应用的持续微波或毫米波振荡。此方法可以进一步提高自旋霍尔效应的强度和电效率，以用于驱动具有垂直磁各向异性的薄膜磁性纳米结构中的磁畴壁的快速移位，并且用于通过自旋转移矩效应可逆地切换垂直磁化的磁性元素的磁取向的方向。
在各实现中，SHE金属层可以通过掺杂或合金化过程来改性。SHE金属可以是重金属，例如Pt，并且选择成使得当处于薄膜形式时，其表现出强的固有自旋轨道相互作用，并且因此当非合金和未掺杂时表现出固有自旋霍尔电导率并且当其在此条件下的电阻率为ρHM≤50×10-8Ω·m。当将特定的杂质、掺杂剂和/或结构缺陷并入SHE金属层的这种重金属中时，重金属膜的电阻率增加，但是固有自旋霍尔电导率没有显著降低。通过例如用Hf、Ta或许多其他高原子序数元素掺杂或合金化，可以实现例如Pt的电阻率增加到100x10-8Ω-m或更高。为了增加电阻率以有效地增强自旋霍尔效应的效率，所并入的杂质或掺杂剂离子应当用作传导电子的强弹性散射中心，并且所并入的离子应当不实质上增加传导电子的自旋翻转散射速率。因此，所并入的杂质或掺杂剂在自旋霍尔金属基体内时不应具有局部磁矩，并且也是强弹性散射中心。具有远小于或显著大于自旋霍尔金属元素(诸如当用作具有Pt作为纯自旋霍尔金属的掺杂剂时的Hf或Ta)的电子价态的杂质或掺杂剂原子可以用作这种强散射中心。具有与自旋霍尔金属的原子序数非常不同的原子序数的掺杂剂(例如Pt中的Al、B或Si)也可以用作强散射中心，并且因此用于显著降低自旋霍尔金属的电导率，并且因此增加其自旋霍尔角并增加其自旋霍尔力矩效率。
在使用自旋霍尔效应以在紧密电接近自旋霍尔金属的铁磁薄膜元件的磁化中引起期望的作用时，在各种实现方式中，通过掺杂适当的元素(诸如Hf、Ta)或与适当的元素合金化或者具有不同于自旋霍尔金属主体的电子价或原子序数的一些其他原子元素，自旋霍尔金属的电阻率可以增加到50x10-8Ω，并且增加到100x10-8Ω-m或者甚至200x10-8Ω或更高。电阻率的增加或自旋霍尔金属的电导率σHM的等效减小可以是使得自旋霍尔金属的所得有效电导Gext≡σHM/2λs≤0.5×1015Ω-1m-2，或者至少Gext≡σHM/2λs≤GSM，其中GSM是掺杂的自旋霍尔金属与铁磁层之间的界面的自旋混合电导，在铁磁层上施加由源自自旋霍尔效应的自旋转移矩。
可替代地，可以增加自旋霍尔金属的电阻率，以使得自旋霍尔金属的所得有效电导Ge'xt≡σ'HM/2λ's≤0.5GSM,FM\IL，其中这里GSM,FM\IL是铁磁层与置于自旋霍尔金属与铁磁层之间的厚度≤1nm的另一种材料(例如Hf)的非常薄的插入层(IL)的表面之间的界面的自旋混合电导。这种薄插入层可以用于增强界面的自旋混合电导的目的。
在一些实现中，重金属应当具有自旋霍尔电导率并且纯自旋霍尔金属的电阻率应当相对低ρHM≤50×10-8Ω·m，以使得其可以显著增加并且仍然低于金属-绝缘体过渡区。随后，如果自旋霍尔金属的电阻率增加，那么金属的自旋霍尔角将按比例增加，条件是固有自旋霍尔电导率σSH没有显著变化。例如，将这种金属的电阻率从ρHM≤25×10-8Ω·m升高到高达ρHM＝200×10Ω·m或更高，这是可行的，自旋霍尔角可以从0.05增加到高达0.4或更大。如果利用具有显著大于的自旋霍尔传导率的低电阻率金属，那么自旋霍尔角的最终值将甚至更大。通过将自旋霍尔金属的有效电导从Gext≡1/(2λs·ρHM)减小到GHM≡≤GSM，进一步增加了在相邻铁磁薄膜元件上施加自旋转移矩时该增强的自旋霍尔角的效率。
总之，显著增加自旋霍尔金属的电阻率的这两种结果增加了用于在相邻铁磁元件上施加自旋转移矩的自旋霍尔效应的效率，并且显著降低了在铁磁元件上通过自旋转移矩执行动作的能量成本。例如，通过利用Hf或具有与Hf掺杂剂类似的效应的任何其他元素掺杂Pt来将自旋霍尔金属的电阻率从25x10-8Ω-m加倍到50x10-8Ω-m，使自旋霍尔角加倍，并且在未掺杂的自旋霍尔金属的Gext≥GSM的典型情况下使自旋霍尔力矩效率增加多达2.5倍或更多。根据是否GSM>Gext或GSM≤Gext来将执行自旋转移矩动作所需的最小能量减小约2至4倍，其中GSM≤Gext是Pt铁磁性界面的典型情况。使用适当的掺杂剂材料(诸如Hf、Zr、Cr或Ta)或对电阻率具有类似影响但对自旋霍尔电导率具有最小影响的另一原子元素的Pt的电阻率的较大增加将导致自旋霍尔力矩效率的成比例的较大增加和在相邻铁磁薄膜元件上执行自旋转移矩动作所需的最小电能的较大减小。
此技术可以用于大大地或显著地增加利用自旋霍尔效应的各种装置和电路的电效率。这些包括例如：(1)磁性存储单元和逻辑装置，其中磁性隧道结的磁性自由层由源自在高电阻率Pt或者具有增强的自旋霍尔力矩效率的类似的自旋霍尔金属中流动的电流的自旋霍尔效应产生的自旋转移矩进行可逆切换，(2)磁性存储器和逻辑装置，其通过来自高电阻率Pt或者类似的自旋霍尔金属中的自旋霍尔效应的自旋转移矩的效应来在有效地置换薄膜铁磁纳米结构中的磁畴壁中操作，或者(3)微波和毫米波装置，其基于由源自高电阻率Pt或者具有增强的自旋霍尔力矩效应的类似自旋霍尔金属的自旋转移矩驱动的持续磁性振荡来操作。
通过使用由磁控溅射沉积生产的Pt(4)/Hf(0.5)/FCB(1.8)/MgO(1.6)/FCB(4)/Hf(5)/Ru(5)多层薄膜叠层构建三端子自旋霍尔装置来进行试验，其中括号中的数字表示每层的厚度(nm)，并且包括顶部两个层以保护磁性隧道结(MTB)层(FCB/MgO/FCB)免受自大气的影响。这里的FCB是指铁磁性材料Fe60Co20B20。由于Hf层与Pt的一些混合，在此多层薄膜叠层中的4nm Pt层的电阻率在沉积状态下增加到约50x10-8Ω-m，并且在300C下进行结构退火30分钟之后增加到约60x10-8Ω-m。
在进行的试验中，采用电子束光刻和离子束蚀刻将除底部两层之外的所有层结构化成Pt/Hf微带的顶部上的长型的～70nm x 240nm的MTJ，如图7所示。作为纵向流过Pt/Hf双层的电流的函数测量MTJ的磁阻。在磁性隧道结(磁性“自由层”)中切换底部FCB层的磁取向所需的最小电流密度Jc0是经验确定的，并且随后使用此关系来确定此系统中的自旋霍尔力矩效率为约ξSH≈0.12。Ms是FCB自由层的饱和磁化强度，t是其厚度，并且Hc是自由层的平面内矫顽场，并且α是由于自由层固有的阻尼和跨FM-Hf界面的自旋泵送的自由层的总磁阻尼。我们对此结果的分析显示，使用低电阻率Pt的自旋霍尔装置的自旋霍尔力矩效率的此增加(从ξSH≈0.06)是由于Hf混合导致的Pt电阻率的增加，并且表明Pt(Hf)的自旋霍尔角增加至少并且可能更高。更高水平的Hf掺杂以及因此更高的Pt(Hf)电阻率将提高自旋霍尔角并且因此使自旋霍尔效应提高甚至更高，从而进一步增强用于所有自旋力矩应用的自旋霍尔装置的能量效率。
此结果表明，可以通过利用第二元素掺杂或合金化Pt来显著提高低电阻率自旋霍尔金属(特别是Pt)的自旋霍尔角，此第二元素基本上增加其电阻率，但对金属的自旋霍尔电导率没有强烈影响。我们的试验表明，Hf掺杂剂可以成功地用于此目的。当插入到Pt中时关于用作强非磁性散射中心具有与Hf类似的特性的其他元素或类似的低电阻率自旋霍尔金属在提高材料的自旋霍尔力矩效率方面同样有效。在本发明的此特定实施方式中，这种增强使得通过在掺杂的Pt层中发生的自旋霍尔效应，实质上提高磁性隧道结中的自由层的自旋转移矩反转的电效率。对于基于自旋转移效应操作的其他磁性装置的自旋霍尔效应的效率的类似增加将是容易实现的。
基于上述公开的结构和技术可以实现各种实施例。
例如，基于上述公开的特定磁性结构可以包括位于衬底上的非磁性自旋霍尔效应导电层；以及位于衬底上方并接触非磁性导电材料的磁性薄膜层，其中在自旋霍尔效应导电材料中流动的电流产生流向磁性层的自旋电流，并因此导致在磁性薄膜的磁性构造上施加影响此磁性结构的可逆变化的自旋转移矩。在此结构中，包括自旋霍尔效应导电材料的金属层具有自旋霍尔电导率其中并且h是普朗克常数，以及e是电子的元素电荷，并且其在非合金和未掺杂状态下小于或等于50x10-8Ω-m的电阻率。自旋霍尔效应导电材料的厚度不大于非磁性导电自旋霍尔基层材料中的自旋扩散长度的约5倍。自旋霍尔效应导电层掺杂有不同原子价或原子数的原子或利用不同原子价或原子数的原子合金化，并且当在自旋霍尔导电材料内时，这些原子不具有局部磁矩。此外，掺杂或合金化自旋霍尔导电材料的效应将其电阻率提高到≥50x10-8Ω-m，即为当其未掺杂或未合金化时的电阻率的至少两倍或更多，而不会显著降低自旋霍尔电导率。
更具体的特征可以在中间进行段落中单独地或组合地进一步实现成上述具体定义的磁性结构。例如，磁性自由层可以相对于衬底在平面内磁性极化，或者磁性自由层可以在大致垂直于衬底的方向上磁性极化；磁性自由层可以包括Fe、Co、Ni或者包括这些金属元素中的一种或多种作为组分的合金和化合物中的至少一种，合金和化合物包括但不限于CoFeB、CoFeAl、NiFe或CoFeNi合金和化合物；自旋霍尔导电材料是Pt，并且掺杂剂或合金化元素是Hf；自旋霍尔导电材料是Pt，并且掺杂剂或合金化元素是Ta、Zr、B、Cr或其电子价和/或原子序数与Pt不同但是在插入到Pt金属晶格中时原子元素不表现出显著的磁矩的多种金属元素中的任何一种。例如，起始自旋霍尔导电材料可以是Pd、Ta、W、Ir、Os、Au、Tl和Bi中之一的低电阻率(≤50x10-8Ω-m)形式，以及包括一种或多种前述导电材料的低电阻率合金和化合物，其中在将另外的掺杂剂或合金组分添加到该材料之前，电阻率小于或等于50x10-8Ω·m，并且其中掺杂剂或合金化元素是Hf、Zr、B、Cr或其电子价和/或原子序数与起始自旋霍尔导电材料不同但在插入自旋霍尔材料时不表现出显著磁矩的多种金属元素中的任何一种。例如，在通过掺杂或合金化使低电阻率自旋霍尔效应导电层的电阻率增加之前，低电阻率自旋霍尔效应导电层由至少一种稀土元素或包括稀土成分的低电阻率合金或化合物组成。例如，Hf、Ta、W、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Cr或Zr的另一导电材料的薄层或者包括这些过渡金属中的一个或多个作为组分的合金或金属化合物的薄层(例如，≤1nm)被插入在磁性层与自旋霍尔导电材料之间，其中此插入层与磁性材料的自旋混合电导比在没有插入层的情况下高电阻率自旋霍尔导电材料与磁性材料之间的电导小50％。对于另一个示例，在上述具体限定的磁性结构中，Hf、Ta、W、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Cr或Zr的另一导电材料的薄层或者包括这些过渡金属中的一个或多个作为组分的合金或金属化合物的薄层(例如，≤1nm)可被插入在磁性层与自旋霍尔导电材料之间，其中此插入层与磁性材料的自旋混合电导比在没有插入层的情况下自旋霍尔导电材料与磁性材料之间的电导小50％，并且其中高电阻率自旋霍尔导电材料掺杂有Pt或Pt合金。
包括图1A、图1B和图1C中的三种设计的基于本文件中的技术的上述和其他公开的磁性结构可以用于各种电路配置和各种应用。例如，在所公开的结构下，可以使用2端子电路配置和3端子电路配置两者来供应通过MTJ的电流。可以创建基于二端子电路配置的磁性隧道结存储装置，其包括本文所述的结构，其中第一电端子从具有钉扎磁性层的一侧与MTJ接触以接收栅电压，栅电压修改流过MTJ的自旋极化电流的电流阈值以用于切换自由磁性层的磁化，并且第二端子与自旋霍尔效应金属层的接触位置电接触。
基于三端子电路配置的磁性隧道结存储装置可以包括用于存储数据的存储器单元阵列；以及联接到存储器单元阵列且可操作以在存储器单元中读取或写入数据的存储器控制电路，其中每个存储器单元包含本文件中公开的磁性结构，并且还包括：第一电端子，其从具有钉扎磁性层的一侧与MTJ电接触以接收修改流过MTJ的自旋极化电流的电流阈值以用于切换自由磁性层的磁化的栅电压；以及第二电端子和第三电端子，其与自由磁性层的两个相对侧上的自旋霍尔效应金属层的两个接触位置电接触，以在自旋霍尔效应金属层中供应充电电流。
在一些实施例中，上述特定3-端子装置可包括附加的特征或结构。
在一个示例中，上述3端子装置被配置成使得存储器控制电路联接到第一电端子、第二电端子和第三电端子，以经由自旋霍尔效应金属层中的第二电端子和第三电端子来供应(1)充电电流和(2)跨MTJ的栅电压，此栅电压导致隧穿MTJ的小电流，该小电流在没有由充电电流引起的流过自由磁性层的自旋极化电流的协作的情况下不足以切换自由磁性层的磁化。
在第二示例中，上述3端子装置被配置成使得存储器控制电路被配置成可在写入模式下操作，以同时施加自旋霍尔效应金属层中的充电电流和跨MTJ的栅电压，以设置或将自由磁性层的磁化方向切换到用于表示存储位的期望方向。
在第三示例中，上述3端子装置可以被配置成使得存储器控制电路被进一步配置成可在读取模式中操作，以将读取电压施加到第一电端子，以在第一电端子与自旋霍尔效应金属层之间供应跨MTJ的读取电流隧道，而不切换自由磁性层的磁化方向，以感测表示MTJ中的存储位的自由磁性层的磁化方向。
在第四示例中，上述3端子装置可以被配置成使得存储器控制电路联接到第一电端子、第二电端子和第三电端子，以经由自旋霍尔效应金属层中的第二电端子和第三电端子来供应(1)充电电流和(2)跨MTJ的栅电压，此栅电压导致隧穿MTJ的小电流，该小电流在没有由充电电流引起的流过自由磁性层的自旋极化电流的协作的情况下不足以切换自由磁性层的磁化，存储器控制电路被配置成可在读取模式中操作，以同时施加自旋霍尔效应金属层中的充电电流和跨MTJ的栅电压，从而设置或将自由磁性层的磁化方向切换到用于表示存储位的期望方向，并且存储器控制电路被进一步配置成可在读取模式中操作，以将读取电压施加到第一电端子，以在第一电端子与自旋霍尔效应金属层之间供应跨MTJ的读取电流隧道，而不切换自由磁性层的磁化方向，以感测表示MTJ中的存储位的自由磁性层的磁化方向。
下文提供了用于实现图1A、图1B和图1C中的SHE-STT结构的2端子和3端子电路设计的一些方面。下文参考的附图可能没有明确地示出插入层或掺杂/合金化的SHE金属层，但是待在下文中描述的每个示例中使用图1A、图1B和图1C中的设计特征暗指结合示出或讨论的每个SHE金属层，以使得所示的每个SHE金属层应当在图1A中具有对应的插入层，或者通过掺杂或合金化(如图1B所示)或两者的组合(如图1C所示)改性的SHE金属层。
具有MTJ的3端子电路的一些方面在以康奈尔大学(Cornell)为申请人的以下现有专利申请中公开：以PCT公开号WO 2013025994A2公开的题为“自旋霍尔效应磁性设备、方法和应用(SPIN HALL EFFECT MAGNETIC APPARATUS，METHOD AND APPLICATIONS)”的第PCT/US2012/051351号PCT申请；以及以PCT公开号WO 2014/025838A1公开的题为“基于磁性纳米结构中的自旋霍尔力矩效应的电选通三端子电路和装置(ELECTRICALLY GATED THREE-TERMINAL CIRCUITS AND DEVICES BASED ON SPIN HALL TORQUE EFFECTS IN MAGNETICNANOSTRUCTURES)”的第PCT/US2013/053874号PCT申请。两个PCT申请作为本专利文件的公开内容的一部分通过引用并入。
值得注意的是，作为在3端子装置配置中使用SHE结构的具体示例，垂直自旋极化电流可以与由施加到顶部触点(诸如顶部接触层)的电压信号产生的电压控制的磁各向异性组合，以进一步改善本文件中公开的磁性存储器装置的自旋力矩操纵的效率。
图13A示出具有联接到MTJ结的自由磁性层的自旋霍尔效应(SHE)金属层的3端子MTJ装置的示例。MTJ和SHE金属层中的层(例如，材料和尺寸的选择)被配置成在自由磁性层与SHE金属层之间提供期望的界面电子联接，以在注入到SHE金属层中的给定充电电流下的SHE金属层中产生大量的自旋极化电子或带电粒子，并且提供所产生的自旋极化电子或带电粒子到MTJ的自由磁性层中的有效注入。自由磁性层或钉扎磁性层中的每一个可以是合适的磁性材料的单层或者具有两个或更多层的不同材料的复合层。自由磁性层和钉扎磁性层可以是导电的，而它们之间的势垒层是电绝缘的并且足够薄以允许电子经由隧道穿过。自旋霍尔效应金属层可以邻近自由磁性层或者与自由磁性层直接接触，以允许在充电电流下经由自旋霍尔效应产生的自旋极化电流进入自由磁性层。
图13A中的MTJ装置中的3个端子可用于实现2端子MTJ装置中不可能的两种独立的控制机制。如所示出的，第一控制机制是经由利用第一端子跨MTJ结施加栅电压，以使得由施加的栅电压引起的自由磁性层处的电场可以修改自由磁性层的磁各向异性，包括其影响自旋极化电流的阈值的垂直磁各向异性，自旋极化电流可以经由来自注入到自由磁性层中的自旋极化电流的自旋力矩转移来切换自由磁性层的磁化。第二独立控制机构在与SHE金属层的MTJ接触的区域的两个相对侧上的SHE金属层的两个接触位置处使用第二电端子和第三电端子，以在SHE金属层中供应充电电流，以产生基于自旋霍尔效应的自旋极化电子或带电粒子。
原则上，MTJ和SHE金属层的层可以被配置成允许跨MTJ的栅电压或SHE金属层中的充电电流中的任一个，以独立地引起自由磁性层的磁化的切换。然而，在本文件中公开的3端子MTJ装置中，跨MTJ的栅电压被控制为小于足以独立地引起隧穿通过MTJ的势垒层的显著电流以触发切换的阈值电压，并且类似地，将SHE金属层中的充电电流控制成小于阈值充电电流，阈值充电电流足以独立地使大量的自旋极化电荷进入自由层以触发切换。值得注意的是，所公开的3端子MTJ装置和技术可以被设计成使用跨MTJ的栅电压和SHE金属层中的充电电流的组合操作来共同触发自由磁性层中的切换。在图8A中，3端子控制电路联接到第一电端子、第二电端子和第三电端子以实现上述期望的控制操作。
具体地，3端子控制电路如下操作。将栅电压施加在与钉扎磁性层接触的第一电端子与自旋霍尔效应金属层之间，以修改自由磁性层的垂直磁各向异性，而不允许栅电压单独引起自由磁性层的磁化方向的切换；并且在自旋霍尔效应金属层中的两个电端子之间施加充电电流，以在不切换自由磁性层的磁化的情况下诱导自旋极化电流进入自由磁性层中。栅电压的施加和充电电流的施加是同步的，以便切换自由磁性层的磁化。
图13B示出通过MTJ电路和SHE电路实现图8A中的3端子控制电路的示例。MTJ电路联接在第一端子与第三端子之间，以在不切换自由磁性层的情况下磁化跨MTJ施加期望的电压。SHE电路联接在第二电端子与第三电端子之间，以在SHE金属层中供应充电电流。控制电路还联接到MTJ电路和SHE电路，以控制MTJ和SHE电路的操作，例如控制跨MTJ的电压幅值或方向，SHE金属层中的充电电流的电流幅值或方向，并且及时同步电压和充电电流以用于切换自由磁性层的磁化。
可以实现图13A、图13B中公开的3端子MTJ装置和本文件的其他部分以提供在2端子MTJ装置中难以实现的电路配置和操作特征，并且在应用中实现某些优点。例如，经由自旋霍尔效应金属层的两个接触位置处的两个电端子施加到自旋霍尔效应金属层的充电电流用于将自旋极化电流注入到MTJ的自由磁性层中，因为实现到自由磁性层中的自旋力矩转移消除了跨MTJ施加大电流的需要，以用于实现到自由磁性层中的足够的自旋力矩转移，以用于如在2端子MTJ装置中切换自由磁性层的磁化。这可能是有利的，因为存在利用穿过用于存储器单元应用的隧道势垒层的电流脉冲来实现自由磁性层(FL)的磁性重定向的有害方面。例如，隧穿MTJ结以用于进行切换操作所需的高电流脉冲可能导致MTJ中的绝缘体势垒层的电完整性的退化。在2端子MTJ装置中，FL的设计可以制作成减少用于切换操作所需的写入电流脉冲幅值。然而，由于在此2端子MTJ装置中的读取操作和写入操作是经由MTJ的相同的两个端子实现的，所以为存储器单元的快速读取提供足够大的信号所需的电偏压可以产生穿过MTJ的隧穿电流，其低于但接近用于MTJ的切换操作的设计阈值电流。这种情况可导致“读取时写入”错误，其中在读取操作期间由于电噪声而无意地切换MTJ，电噪声瞬时地将少量额外电流添加到读取电流。此“读取时写入”错误的速率随着在读取操作期间隧穿MTJ的电流与用于切换MTJ的STT阈值电流之间的差变小而增加。因此，各种2端子MTJ装置在减小用于切换MTJ的隧穿电流的幅值的需要和与使用足够大的读取电流以完成MTJ电阻的测量以便在短时间内读取存储位相关联的快速读取的需要之间面临着冲突。与2端子MTJ装置不同，本文件中的3端子MTJ装置被配置成在MTJ两端的电压上提供两个单独且独立的控制，以消除2端子MTJ装置中的上述困境，并且可以实现在写入操作期间跨MTJ的低隧穿电流，同时仍然能够实现快速读取操作，而不经受2端子MTJ装置中的“读取时写入”错误。为了实现本文件中公开的3端子MTJ装置中的切换，两个单独的控制被同步以便切换自由磁性层的磁化。
对于各种电路中的3端子MTJ单元的大阵列，用于3端子MTJ单元阵列的列和行驱动电路可以被设计成通过共享电路元件来减小总体电路尺寸。如在下文的示例中更详细地描述的，可以基于选通自旋霍尔力矩切换来实现交叉点存储器架构，以提供在3端子MTJ单元中的晶体管开关的共享，从而改善使用大阵列的3端子MTJ单元的电路的总体紧凑性。
在另一方面，本文件中公开的作为3端子MTJ装置的输入/输出端口的三个端子的可用性可以用于实现各种逻辑操作。相比之下，在仅有两个端子可用的情况下，在建立用于基于自旋力矩切换操作的各种二进制逻辑应用的电路中，2端子MTJ装置往往困难或在一些情况下不可行。
在又一方面，与本文件中公开的自旋转移矩组合的3端子MTJ可以被配置成采用磁性构造，以使得自由磁性层仅具有一种稳定的磁状态，但是可以在微波或RF频率下通过由撞击在自由磁性层上的稳定的自旋极化直流电流产生的抗阻尼力矩而激励成围绕此平衡状态的磁进动。振荡频率由自由磁性层所经历的总时间平均有效磁场来确定，并且这可以随着磁进动的幅值而变化，磁进动的幅值继而取决于偏置电流的幅值。由于自由磁性层的进动，MTJ的时变磁阻提供微波输出信号。因此，可以在MTJ中采用自旋转移矩，以产生在片上通信和信号处理应用中具有潜在应用的自旋力矩纳米振荡器(STNO)。在基于2端子MTJ装置的STNO装置中，由于MJT的2端子特性，振荡器的幅值无法独立于其频率而电气地变化。
以下提供本文的3端子MTJ装置和应用的具体实现方式和示例。
在诸如Pt、Ta、W、Hf等的各种重(高原子序数)金属中的巨大的自旋霍尔效应为本文件中的新的3端子MTJ装置提供了基础。在具有大原子序数的某些金属中的自旋霍尔效应在图14A和图14B中示出。
图14A示出了自旋霍尔效应金属层与MTJ的自由磁性层直接接触，以用于接收平面内充电电流Jc(或Je)，并且用于在自由磁化层产生自旋极化电流Js。示出了平面内充电电流Jc(或Je)和平面外自旋极化电流Js的流动方向和注入自旋σ的方向。图9B还示出自旋霍尔效应在垂直于平面内充电电流Jc(或Je)的相反方向上分离充电电流中的两种自旋状态。因此，通过控制SHE金属层中的平面内充电电流Jc(或Je)的电流方向，两种自旋状态中的一种可以被选择成注入到自由磁化层中的自旋极化电流Js。
图14B还示出，自旋极化电流J中的注入自旋的取向由充电电流Jc(或Je)、注入自旋磁矩(不是角动量)和充电电流Jc的方向之间的关系来确定：其中θSH是自旋霍尔角，并且是每种材料特有的参数，并量化每种材料中的SHE效应的大小。
在图14A和图14B以及一些后续附图中，仅示出了自旋极化电流J中的注入自旋的平面内自旋极化分量，但是应当理解，存在如图1B所示的平面外自旋极化分量。
在自旋霍尔效应中，流过重金属薄膜层的电流由于电子在垂直于电流流动方向的方向上的自旋依赖性偏转而产生横向自旋电流。具有相反自旋角动量的电子在相反方向上偏转，如图14A和14B所示。在高电阻率β-Ta的层中，例如，自旋霍尔效应特别强，其中横向自旋电流密度高达0.15的纵向电流密度。此自旋电流可以用于对相邻磁膜的磁化施加力矩，并且因此使得能够实现用于反转形成在自旋霍尔层的顶部上的磁性隧道结的FL的磁性取向的3端子磁性电路或装置，同样如图13A和13B所示。
图15示出三端子MTJ电路的示例，其包括跨MTJ联接在第一电端子与第三电端子之间的电压源以及在第二电端子与第三电端子之间联接到自旋霍尔效应金属层的电流源。在此示例中的FL和PL层被示出为平行于作为平面内磁化的层的平面，平面内磁化垂直于SHE金属层中的平面内充电电流Jc(或Je)的方向。
该3端子MTJ装置通过同时施加跨MTJ结的栅电压和SHE金属层中的充电电流来操作，以实现自由磁性层中的磁化的切换。3端子MTJ装置的这个方面基于电压控制的磁各向异性(VCMA)，其中电场通过改变铁磁体/氧化物界面处的电子结构来改变铁磁膜的垂直各向异性。VCMA已示出能够在MTJ中实现FL的矫顽磁场的强调谐，以及通过施加在MTJ两端上的电压脉冲来直接触发FL的切换。VCMA的重要方面是其利用流过MTJ的很少电流或没有电流来提供实现FL的切换的可能性，其可通过最小化欧姆损耗来降低MRAM写入操作的能量成本。
考虑到图15中的示例，SHE金属层中的平面内充电电流Je被设置成产生与SHE金属层中的平面内充电电流Je垂直的自旋极化Js。当SHE金属层在横向方向上足够薄时，自旋极化的Js被注入到自由磁化层中，而不会由于由电子或带电粒子的传播而引起的自旋弛豫而显著地损失注入的自旋磁矩SHE金属层中的平面内充电电流Je的大小被控制成足够小，以使得已经进入自由磁化层的自旋极化电流Js显著小于引起自由磁性层的磁化的切换的自旋极化电流的阈值电流。然而，由于电压控制的磁各向异性(VCMA)，通过改变铁磁体/氧化物界面处的电子结构来在MTJ结两端施加栅电压以改变垂直各向异性，以降低自旋极化电流所需的阈值电流，从而引起自由磁性层的磁化切换到已进入自由磁化层的自旋极化电流Js处于或高于用于切换MTJ的新的减小的阈值电流的水平。在同时施加充电电流和栅电压的这种条件下，切换自由磁性层的磁化。
图16A示出说明三端子ST-MRAM装置单元的示意性透视图的示例，三端子ST-MRAM装置单元采用自旋霍尔效应(SHE)和跨MTJ的栅电压以用于写入操作，其中ST-MRAM单元包括具有平面内磁性层的磁性隧道结和具有强SHE的非磁性带，并且非磁性带位于STT-MRAM装置结构的底部上。图16B示出三端子ST-MRAM装置单元的另一示例，三端子ST-MRAM装置单元采用自旋霍尔效应(SHE)和跨MTJ的栅电压以用于写入操作，其中磁性隧道结具有平面内磁性层，并且具有强SHE的非磁性带位于STT-MRAM装置结构的顶部上。
在MTJ的自由层和参考层的磁矩和垂直于膜的平面定向的情况下，SHE和VCMA也可以组合以产生FL在MTJ中的栅极控制的SHE切换。在此配置中，来自SHE的注入自旋的平面内分量仍然沿着MTJ层的平面中的+/-x轴，而的平衡位置沿着垂直于MTJ层的+/-z轴对准。因此，的方向与的方向彼此垂直。在这种情况下，可以使用有效磁场HST描述通过由SHE产生的自旋电流的自旋力矩的影响。
图17A示出三端子ST-MRAM装置单元的示例，三端子ST-MRAM装置单元采用自旋霍尔效应(SHE)和跨MTJ的栅电压以用于写入操作，其中FL和PL的磁矩的平衡位置垂直于膜平面。
图17B示出采用自旋霍尔效应(SHE)和跨MTJ的栅电压以用于写入操作的三端子ST-MRAM装置单元的示例，其中FL和PL的磁矩的平衡位置垂直于膜平面，并且附加的平面内磁化铁磁材料层被设置在MTJ叠层中以产生平面内偏置磁场，以用于限定自由磁性层的垂直磁化的明确切换方向。
下文解释图17B中的上述设计。3端子SHE切换结果表明，自旋霍尔效应在切换磁性隧道结的自由层中可以非常有效，而没有流过MTJ所需的切换电流的任何实质部分，这解决了与常规的2端子ST-MRAM装置相关联的主要的可靠性问题。此外，将FL从平行(P)于PL切换成反平行(AP)于PL所需的电流与在相反方向上(AP到P)进行切换所需的电流基本上相同，并且当然用于写入操作的电阻抗对于两个切换方向是相同的。此特征与两端子MTJ自旋力矩装置的情况形成鲜明对比，在两端子MTJ自旋力矩装置中，切换电流对于两个切换方向是相当不同的，并且在写入操作开始时的电阻抗对于两个切换方向也是非常不同的。在3端子SHE切换MTJ存储器单元中的写入操作的这些对称特性为磁性存储器电路的设计提供了优点。
当如图17B所示以和垂直于衬底平面定向来实现SHE诱导的切换时，来自SHE的注入自旋的平面内自旋极化分量是沿着衬底平面中的+/-x轴，而的平衡位置沿着垂直于衬底平面的+/-z轴对准。因此，的方向与的方向相互垂直，并且注入自旋的效应不再等效于有效阻尼。相反，可以使用有效磁场BST来描述自旋力矩的效应。由注入的自旋电流产生的每单位矩的自旋力矩可以写为其中e、MS和t分别表示FL的普朗克常数、电子电荷、饱和磁化强度和FL的厚度，并且JS是从SHE注入FL中的自旋电流。同时，由磁场产生的力矩一般可以写为通过比较两个力矩的形式，由自旋霍尔效应诱导的有效磁场具有形式因此，根据注入的自旋的方向，总是垂直于并且顺时针或逆时针指向。图17C给出当注入自旋沿着-x方向时的方向的图示。如果JS足够大以使得其中是磁性膜可以提供的最大各向异性场，那么将诱导的连续旋转。在多畴铁磁层中(其中磁膜的矫顽场Bc小于)，对的对应的要求可以放松到大约在的效应下，将被连续地切换，而没有确定的最终状态。因此，必须引入外部磁场以便获得确定性切换。在图17D中，作为示例，施加+y方向上的外部场。使用mz来表示的z分量，可以看出，mz＞0的状态将变成稳定状态，因为和可以彼此平衡，而mz＜0状态仍然不稳定，因为和在相同方向上工作，从而导致继续旋转。因此，在+y方向上的施加场下，在-x方向上注入的自旋可以将切换成mz＞0的状态。通过反转写入电流方向，来自SHE的自旋将沿着+x方向注入，从而导致被切换成mz＜0的状态。总之，通过使用从SHE注入的自旋，可以实现可逆的确定性切换。外部磁场的作用是破坏系统的对称性并获得确定的最终状态。该场的幅值可以小至几毫特拉斯(mT)，如在实验中所证明的。在使用来自SHE的自旋电流在室温下切换磁矩的一个试验中，样品由20um宽、2nm厚的Pt带和与Pt带接触的0.7nm的Co磁性层形成，其具有垂直磁各向异性，1.6nm的Al用作覆盖层以保护Co免受大气的氧化。异常霍尔效应用于监测Co层的磁化方向。在+10mT的外部场下，Co层的磁矩可以利用相反的施加电流来回切换。在用于MRAM单元的装置配置中，为了沿着电流流动方向提供所需的外部场，可以将几纳米厚的平面内磁化钉扎磁性层添加到MTJ的顶部上。由该平面内磁性层产生的偶极场将赋予电流感应切换确定性的最终状态。也可以采用铁磁薄膜的其他配置来产生这种小的外部平面内磁场。
上述新的3端子MTJ装置配置的实施方式可以用于解决当前限制基于各种两端子MTJ装置的应用的可靠性挑战，同时还赋予改善的输出信号。这种新的3端子MTJ装置配置还可以提供在MTJ存储装置中的低阻抗开关(写)过程和高阻抗感测(读)过程之间的分离的附加优点。更具体地，本文公开的装置和方法将自旋霍尔效应(SHE)与纳米级磁性元件的磁各向异性(VCMA)的电压控制进行组合，以使得能够在磁性隧道结中电选通切换双稳态磁性元件的磁性取向，并且电调谐自旋力矩纳米振荡器(STNO)的振荡频率和输出功率。这种3端子MTJ设计使得磁随机存取存储器电路和高性能非易失性逻辑电路的设计能够更加高效和有效，以及能够实现对STNO的新的3端子方法，其提供对振荡微波幅值和频率的单独的独立控制。
在各实施例中，选择适用于所公开的3端子MTJ装置的MTJ层的材料以形成表现出强电压控制的磁各向异性(VCMA)效应的磁性隧道结，其中其自由层邻近非磁性金属带定位，非磁性金属带由具有强自旋霍尔效应(SHE)的可以承载在膜平面中流动的电流的材料组成。在一些实施例，磁性隧道结由通过薄的小于2.0nm厚的绝缘层(通常为MgO或一些其他绝缘体材料)分离的两个铁磁薄膜元件组成，绝缘层用作电子可以通过量子力学过程隧穿的隧道势垒。可以或可以不由多个薄膜材料层组成的铁磁元件、钉扎层(PL)中的一个具有固定的磁化方向，并且可以或可以不由多层薄膜材料组成的铁磁层、自由层(FL)中的另一个在足够强的自旋电流或施加磁场的影响下自由旋转。取决于FL的磁化是否对准，作为自旋电流的作用的结果，或多或少地平行或反平行于PL的磁化方向，MTJ的电阻处于其低电阻状态(平行)或高电阻状态(反平行)。MTJ被制造成具有10％或更大的磁阻变化。
还选择绝缘层和相邻FL表面的材料组成，以使得两者之间的电子界面导致改变FL的垂直磁各向异性的实质界面磁各向异性能量。材料的适当组合包括但不限于用于绝缘层和用于FL、Co、Fe界面表面层的MgO，以及具有Co和/或Fe组分的合金。界面电子结构使得通过施加跨绝缘体层的电压偏置而产生的电场可以基本上修改界面磁各向异性能量，从而导致FL的电压控制的磁各向异性(VCMA)。在一些MTJ装置实现方式中，每单位电场的界面磁化能量的25μJ/m2(V/nm)-1或更大的变化可实现磁各向异性的必要改变。
在制造3端子MTJ时，磁性隧道结被制造成使得其自由层与由具有高自旋霍尔角(例如大于0.05)的材料组成的作为自旋霍尔效应(SHE)金属层的薄膜带相邻且良好电接触，以产生自旋极化电流。例如，在各实施例中，此SHE金属层可以具有小于或不大于其自旋扩散长度的大约五倍的厚度，以在所生成的自旋极化电流中在特定自旋状态下在具有MTJ的自由磁性层的界面处维持足够的自旋集群。流过此SHE金属薄膜带的电流可以经由自旋霍尔效应提供横向自旋电流，此横向自旋电流将在MTJ FL上施加自旋力矩，此自旋力矩足以根据流过自旋霍尔层的电流的方向来有效地反转其磁性取向，或者可替代地激励其进入持续的微波振荡，同时跨MTJ的偏置电压被用于经由VCMA效应来修改FL的磁各向异性和/或矫顽场。这种组合实现了新的自旋转移矩装置功能：栅电压调制的自旋力矩切换和栅电压调制的自旋力矩振荡。前者使得用于非易失性数字逻辑应用的能量效率和栅控切换成为可能，并且用于非易失性数字存储器应用的更高能效和改善的架构，包括用于实现具有最大密度交叉点几何结构的磁性存储器电路的简单方法，最大密度交叉点几何结构不需要用于每个MTJ的控制晶体管。后者提供对自旋力矩纳米振荡器的微波振荡幅值和频率的单独的、独立的控制。
参考本文的3端子MTJ装置示例，3端子MTJ装置可以被配置成包括磁性隧道结(MTJ)，此磁性隧道结包括：(1)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，(2)具有可变磁化方向的自由磁性层，以及(3)在磁性自由层与钉扎磁性层之间并且由足够薄以允许电子在磁性自由层与钉扎磁性层之间隧穿的绝缘体材料形成的非磁性结层；以及自旋霍尔效应金属层，其包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导到自旋霍尔效应金属层中的充电电流作出反应，以产生垂直于充电电流的自旋极化电流，自旋霍尔效应金属层平行于自由磁性层并与其接触，以将在自旋霍尔效应层中产生的自旋极化电流引导至自由磁性层中。对于选通调制操作，3端子MTJ装置还包括第一电端子，其从具有钉扎磁性层的一侧与MTJ电接触以接收修改流过MTJ的自旋极化电流的电流阈值以用于切换自由磁性层的磁化的栅电压；以及第二电端子和第三电端子，其与自由磁性层的两个相对侧上的自旋霍尔效应金属层的两个接触位置电接触，以在自旋霍尔效应金属层中供应充电电流。控制电路联接到第一电端子、第二电端子和第三电端子，以(1)经由自旋霍尔效应金属层中的第二电端子和第三电端子来供应充电电流和(2)跨MTJ的栅电压，此栅电压导致隧穿MTJ的小电流，该小电流在没有由充电电流引起的流过自由磁性层的自旋极化电流的协作的情况下，不足以切换自由磁性层的磁化。
对于存储器应用，3端子MTJ装置中的控制电路可以被具体配置成可在写入模式下操作以同时施加自旋霍尔效应金属层中的充电电流和跨MTJ的栅电压，以将自由磁性层的磁化方向设置或切换到用于表示存储位的期望方向，并且在读取模式下，控制电路可操来将读取电压施加到第一电端子，以在第一电端子与自旋霍尔效应金属层之间供应跨MTJ的读取电流隧道，而不切换自由磁性层的磁化方向，以感测表示MTJ中的存储位的自由磁性层的磁化方向。
参考图16A和图16B，采用SHE作为写入机制，并且采用磁性隧道结(MTJ)以在通过SHE产生的自旋电流施加自旋力矩效应期间施加调制自由层(FL)的磁性取向的栅电压，并且感测双稳态自由层相对于固定参考层(RL)的磁性取向。MTJ可以是柱形磁性装置，其横向尺寸通常在亚微米或纳米范围内。具有磁矩的自由铁磁层由具有小到中等矫顽场的软铁磁材料制成。具有磁矩的钉扎铁磁层由具有大矫顽场的软或硬铁磁材料制成或由附加的反铁磁层钉扎。自由磁性层和钉扎磁性层的典型厚度范围从小于1纳米到几十纳米。FL和PL由厚度小于2nm的结晶绝缘间隔层(诸如MgO或掺杂硼的MgO(Mg(B)O)或任何其他结晶或无定形绝缘层)分开，任何其他结晶或无定形绝缘层生成与铁磁自由层的表面接触的每单位面积的实质上影响FL的总磁各向异性的界面磁各向异性能量密度。该磁各向异性能量密度可以通过跨绝缘体-FG界面施加的电场来实质上修改。用于磁性层的合适材料的示例可以包括(但不限于)Fe、Co、Ni、这些元素的合金(诸如Ni1-xFex)、这些元素与非磁性材料的合金(诸如Fe1-xPtx和CoxFeyB1-(x+y))、以及由这些材料制成的铁磁多层(诸如(Co/Ni)n、(Co/Pt)n和(Co/Pd)n，其中n表示多层的重复数)。用于MTJ结构的材料被选择成使得在和绝缘体层接触的铁磁自由层的表面与此各向异性随着施加在绝缘体的一侧上的铁磁参考层与另一侧上的自由层之间的电压而显著变化的铁磁自由层的表面之间存在每单位接触面积的显著的界面磁各向异性能量密度。变化是该施加的电压改变无绝缘体层界面处的电场并且因此修改FL所经历的界面磁各向异性的强度。
与磁性隧道结的FL接触的是由表现出强自旋霍尔效应(SHE)的多种材料之一制成的非磁性薄膜带。用于该层的适当材料的示例包括高电阻率Ta(β-Ta)、W(β-W)、Hf和Ir层。用于SHE层的其他适当的材料包括(但不限于)Pt、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb、Bi以及基于那些过渡金属的合金，诸如Cu1-xBix、Ag1-xBix、Cu1-xIrx、Ag1-xIrx、Cu1-xWx、Ag1-xWx、Cu1- xTax、Ag1-xTax、HfxIry和并入一种或多种高原子序数元素的高电阻率金属间化合物，诸如具有A15晶体结构的化合物，诸如Ta3Al、Nb3Sn、W3Ge、Ir3Hf和其他化合物，诸如TaN、WN和NbN。非磁性SHE带被图案化成纳米级或微米级宽度，并且具有小于或近似等于其自旋扩散长度的五倍的厚度。
在图16A和图16B的示例中，形成三个端子，其中与装置进行电连接。一个端子在柱上，靠近MTJ的PL，并且另两个端子是非磁性带的两端。在非磁性带上的两个端子之间施加写入电流，同时在柱上的端子与非磁性带上的两个端子中的任一个之间施加偏置电压，以实现FL磁化的切换的选通或者可选地在自旋力矩纳米振荡实现中调制振荡器频率。为了读取用于逻辑门或存储装置实现的装置的二进制状态，在柱上的端子与非磁性带上的两个端子中的任一个之间施加偏置电流。
在图16A和图16B中，MTJ的FL可以在柱的底部处，如图16A所示，或者在柱的顶部处，如图16B所示。在任一情况下，具有强SHE的非磁性带总是邻近FL。当FL位于底部时，非磁性带也位于装置的底部，靠近衬底。当FL在顶部上时，PL被放置在隧道势垒的衬底侧上，FL在隧道势垒上方，并且非磁性带位于装置的顶部上。
下面通过例如仅考虑来自SHE的注入自旋极化电流的平面内自旋极化分量来描述VCMA效应。
当FL和RL在3端子MTJ装置中在平面中极化，并且其中它们的平面内磁化方向垂直于上述电流方向(即沿着+/-x轴方向)时，与来自SHE的注入自旋是共线的(平行或反平行)。在这种情况下，来自SHE的注入自旋用作取决于自旋的取向的有效磁性阻尼，自旋的取向可以具有任一符号，即正阻尼或负阻尼。在此配置下，SHE感应切换以与常规自旋力矩感应切换相同的方式来工作。常规的自旋力矩切换采用由非磁性分隔层分开的一对铁磁层，其中一个铁磁层是固定的偏振层，并且另一个铁磁层是自由层，其磁矩取向可以通过从极化电流转移自旋力矩来进行切换。一个不同之处在于，使用非磁性材料而不是铁磁性偏振层来产生自旋霍尔效应装置中的自旋电流。当与平行时，自旋电流将使得电流磁化取向更稳定，并且将不会引起切换。否则，当与反平行时，如果自旋电流足够大，那么FL的磁化将被切换。因此，具有相反符号的电流以相反的取向将自旋注入到FL中，并且那些相反的取向将导致FL磁化的不同的优选取向，因此可逆确定性切换可以通过确定通过SHE产生层的电流的方向来实现。
这种将由自旋霍尔效应施加的自旋力矩与电压控制的磁各向异性(VCMA)效应组合的结果是，在没有热波动的情况下，流过横向自旋霍尔层所需的临界或阈值电流密度引起平面内极化的磁性自由层通过自旋霍尔效应的自旋力矩切换取决于自由层的有效垂直去磁场如
作为VCMA效应的结果，作为跨MTJ施加的电压VMTJ的函数是可变的：
其中e是电子电荷，MS是CoFeB自由层的饱和磁化强度，tfree是其厚度，并且α是其Gilbert阻尼的值，Hc是其平面内磁各向异性场，并且Ku(VMTJ)是取决于电压的垂直各向异性能量系数的自由层。因此，如等式(1)和(2)所示，可以通过向MTJ施加选通电压来调制流过SHE层以实现MTJ的FL的切换所需的临界电流密度。在当前发明人的此装置的实施例中，实现了其对应于每单位电场的去磁能量的变化 用于通过施加调制电场磁各向异性的值比70μJ/m2(V/nm)-1低多达3个因子，并且高于此值的值在本发明中也是有效的。
对于数字逻辑和选通存储器实施方式，VCMA被配置成对于通过自旋霍尔层的给定水平的施加电流，能够使MTJ自由层的SHE自旋力矩切换的概率完全在0％与100％之间改变。对于长脉冲长度，例如大于10ns，并且在室温及更高温度下，FL的热激活可以基本上有助于其反转。如果FL在平面中磁化，那么热激活能量必须克服的能量势垒E直接与自由层的平面内矫顽场Hc成比例。由于Hc可以取决于FL的平面外磁各向异性，所以这意味着栅电压可以经由其对零波动临界电流密度|Jc0|和激活势垒E的效应来调节自旋霍尔力矩切换电流。然而，对于大多数应用，切换由在短时间内(例如，小于10ns或20ns)的自旋霍尔电流脉冲驱动，对此热激活提供很少的辅助，尽管这确实导致切换电流密度的概率分布约为|Jc0|。因此，在这种短脉冲状态下，栅电压可以通过其对|Jc0|单独的影响而有效地调制切换电流密度。例如，自由层的有效垂直磁各向异性的优化值将为而例如在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中已经建立作为VCMA效应的典型值。还可以容易地调整Hc，以使得其足够大以维持自由层的热稳定性，但是Hc远小于垂直去磁场使用典型的参数值MS＝1100emu/cm3，tfree＝1.5nm，α＝0.021并且θSH＝0.15，等式(2)对于VMTJ＝500mV产生|Jc0|＝9.6×106A/cm2，并且对于VMTJ＝-500mV产生|Jc0|＝4.5×106A/cm2。|Jc0|的2因子的该变化大于自旋力矩装置中的切换电流密度的热分布的典型宽度，以使得电压控制的各向异性对Jc0的效应足以实现短脉冲的完全调制(≤20纳秒)，优化的自旋霍尔自旋力矩装置中的Fl的自旋霍尔力矩切换。
作为试验的一部分，使用6nm厚、1μm宽的Ta带作为SHE金属层和Ta SHE金属层(图18A)的顶部上的Co40Fe40B20(1.5)/MgO(1.2)/Co40Fe40B20(4)的MTJ叠层(厚度以纳米计)来制造样本3端子MTJ装置。MTJ叠层被成形成具有100×350nm2的近似椭圆形横截面，其长轴垂直于Ta SHE带。对样品MTJ装置进行试验以证明VCMA效应通过使用长脉冲方案(～10μs)来调制MTJ的FL的自旋霍尔力矩切换的能力。试验结果在图18B和图12C中示出，使用VMTJ＝0和-400mV。对于P到AP(图18B)和AP到P(图18C)切换两者，存在电流幅值的窗口，对于此窗口切换概率对于VMTJ＝-400mV为100％并且对于VMTJ＝0为0％，使得VMTJ有效地选通切换过程。这在图18D中直接示出；电压VMTJ＝-400mV使装置处于ON状态，ON状态用于通过来自Ta的自旋霍尔力矩进行切换，而VMTJ＝0使切换变为OFF状态。图18D还展示此3端子装置如何通过将自旋霍尔力矩切换与VCMA效应组合来实现基本逻辑操作。通过组合多于一个的自旋霍尔力矩/VCMA装置可以获得更复杂的逻辑功能。
为了实现足够用于有效地切换平面内或平面外磁化磁性自由层的大的自旋霍尔效应，需要使用包括具有高原子序数以及其中在传导电子与金属离子之间存在强的自旋轨道相互作用的一种或多种金属原子元素的薄膜材料。适用于所公开的3端子MTJ装置的材料包括高原子序数(Z)金属元素Ta、W、Hf和Ir，呈合适的原子结构形式的所有这些元素具有大于0.08并且在一些情况下大于0.25的自旋霍尔角。也可以使用这些元素的合金和金属间化合物以及与其他高Z元素的组合。然而，具有高原子序数的金属层本身不足以有效用作本发明中的自旋电流源。在各种实施例中，材料被选择成具有特定的电子性质和最佳晶体结构，包括关于相邻铁磁层(通过第一层中的自旋霍尔效应产生的自旋电流在其上起作用)的性质和结构来实现第二铁磁层的磁切换或激励。
首先，自旋霍尔金属的电子性质可以被配置成使得在通过纵向电流密度生成横向自旋电流密度中存在高效率，其中转换效率通过所谓的自旋霍尔角来量化，自旋霍尔角被定义为横向自旋电导率与纵向电子电导率的比率，或者等效地为所产生的横向自旋电流密度与施加的纵向电流密度的比率。当使用结晶金属时，并且在自旋霍尔效应是固有的并且源自传导电子与固定的离子晶格结构之间的自旋轨道相互作用的情况下(自旋轨道相互作用随后确定材料的横向自旋电导率)，金属的电导率应较低以使得自旋霍尔角或产生横向自旋电流的效率较高。在这种情况下，其也可以用于本发明，其中自旋霍尔效应不是固有的而是由传导电子的自旋相关散射通过杂质和晶体缺陷来决定，自旋相关散射必须通过相对于电子的任何非自旋相关散射的杂质或缺陷的选择而变强。
第二，希望自旋霍尔金属内的自旋弛豫长度较短，例如小于或等于1nm直至约5nm。为了优化转换效率，自旋霍尔层的厚度不小于大约一个自旋弛豫长度并且不大于大约五倍的自旋弛豫长度。实现相邻磁性层的磁性切换或激励所需的电流直接与自旋霍尔层的厚度乘以材料的自旋霍尔角成比例。因此，为了使所需的切换电流最小化，具有高自旋霍尔角和短自旋扩散长度的薄的自旋霍尔层是最佳的。
第三，自旋霍尔材料和相邻铁磁材料的电子结构被选择成使得如果电子的磁矩平行于或者在某些情况下反平行于(但通常平行于)铁磁层的磁化的定向对准，那么来自自旋霍尔层的传导电子可以容易地穿过界面进入铁磁层中，并且如果电子的磁矩具有相对于铁磁层的磁化的相反定向，那么具有进入铁磁层的低概率。在晶体自旋霍尔材料和晶体铁磁层的情况下，两种材料的电子能带结构必须使得电子从自旋霍尔材料跨界面传输并进入铁磁层的多数电子子带结构或少数电子子带结构中的概率在一种情况下比另一种情况要大得多。通常报告为具有四方晶体对称性的Ta的β形式的能带结构与典型的铁磁材料(诸如FeCo和NiFe合金)的能带结构充分不同，以满足此要求。这也是W的β形式的情况，其通常报告为具有A15晶体对称性。对于可以以多种晶体形式(包括六方密集(hcp)和面心立方(fcc)形式)存在的Hf，相对于铁磁层的组成和晶体形式的选择，晶体形式的选择是关键的以获得具有高自旋力矩效率的组合。
第四，在来自自旋霍尔层的入射自旋电流通过施加抗阻尼自旋力矩激励并随后反转铁磁层的取向的实施例中，还需要使在此激励过程中从磁进动铁磁材料注入的自旋回到自旋霍尔材料中最小化。这种注入被称为自旋泵送，并且通常被认为取决于跨每单位面积的界面的电子传输的概率，其中传输概率取决于电子的相对于铁磁体的磁化方向的取向的自旋取向。高的自旋泵送速率用于阻尼铁磁体的磁激励，并且因此导致更强的入射自旋电流密度以实现磁性切换的不期望的需要。此自旋泵送过程通常由称为界面自旋混合电导的参数来表征。为了最佳性能，此自旋混合电导应被最小化，远低于在铁磁材料和高原子序数自旋霍尔材料的大多数常规组合中发现的电导。例如，Co-Pt组合具有高的自旋混合电导，如CoFe(或CoFeB)与α-W的组合，即标准bcc晶体形式的W。然而，β-Ta和β-W与铁磁层(诸如CoFe、CoFeB和NiFe合金)的组合都表现出低的自旋混合电导，这使得这些组合对于本发明的抗阻尼切换实施方式有效。
适用于实现3端子MTJ装置的自旋霍尔材料可以被选择或设计成具有强的自旋轨道相互作用(具有高自旋霍尔角和相关联的高自旋电流密度产生效率)和用于从SHE金属层向FL中有效地注入自旋极化电子或其他带电粒子的短的自旋弛豫长度(例如，约1至5nm)。此外，两种材料的界面电子结构被配置成使得入射自旋电流在铁磁材料上施加高效率的自旋力矩，这取决于界面的自旋相关电子传输概率的强烈差异。在一些实施例中，3端子MTJ装置可以被配置成利用铁磁材料的抗阻尼激励来实现界面电子性质的切换，以使得界面的自旋泵送效率(或者等效地自旋混合电导)非常低。
此外，在一些实施例中，用于3端子MTJ装置的绝缘间隔层的厚度范围可以是例如从小于1nm到大于2nm。绝缘间隔层可以由多晶MgO或混合氧化物(诸如可变成分的MgxByOz)或任何其他结晶或无定形绝缘层组成，其导致对于在铁磁基准层与置于绝缘层的相对侧上的铁磁自由层之间流动的电流的高隧穿磁阻，并且还导致与铁磁自由层(FL)的表面接触的每单位面积的界面磁各向异性能量密度，其实质上影响该薄FL的总体磁各向异性，并且其中该磁性各向异性能量密度可以通过跨绝缘体-FG界面施加的电场来实质上修改。
用于磁性自由层的材料的一些示例可包括(但不限于)Fe、Co、Ni、这些元素的合金(诸如Fe1-xCox、Ni1-xFex)、这些元素与非磁性材料的合金(诸如Fe1-xPtx和CoxFeyB1-(x+y))、以及由那些材料制成的铁磁多层(诸如(Co/Ni)n、(Co/Pt)n和(Co/Pd)n，其中n表示多层的重复数)。这类材料应当在与绝缘体层接触的铁磁自由层的表面之间的每单位接触面积上表现出显著的界面磁各向异性能量密度。此界面各向异性可以随着可以施加在绝缘体的一侧上的铁磁参考层与另一侧上的自由层之间的电压而显著变化。该施加的电压的强度变化改变无绝缘体层界面处的电场，并且因此修改FL所经历的界面磁各向异性。
在电选通切换操作期间流过磁性隧道结的绝缘体层的电流可以通过选择绝缘体材料及其厚度而在宽范围内变化。这种绝缘体层的隧穿电阻随其厚度指数地变化，对于厚度的0.2至0.3nm的增加，通常增加大约一个数量级，如在MTJ中的MgO绝缘体层的情况下。因此，通过使用相对厚的MgO层(例如，具有大于1.5nm的厚度)，例如，在选通自旋霍尔切换操作期间，由于电压偏置而流过绝缘体层的隧道电流可以相当低。这可以将切换操作的栅部件所需的能量减少到在这种情况下跨充当电容器的隧道势垒对电压充电所需的水平。执行选通响应所需的电压确实随绝缘体层厚度而线性变化，以使得较厚的势垒需要成比例地高于栅电压来执行选通响应。因此，在一些应用中，绝缘体厚度通常应保持为≤2nm。
可替代地，如果使绝缘体层较薄(例如，大约1nm)，那么当施加电压偏置以调制自由层的界面各向异性时，流过绝缘体层的电流可为大量的。取决于FL相对于RF的相对取向，并且取决于电压偏置的极性以及因此隧道电子流的方向，此电流可以在FL上施加自旋力矩，其通过也被施加以流过相邻自旋霍尔金属层的电流来有助于或阻碍FL的自旋力矩转换。这在设计用于最佳切换性能的装置时可以增加附加的灵活性，并且还在没有选通切换脉冲的情况下实现最大热稳定性。绝缘体厚度应当足够厚，以使得当在读取操作期间需要施加偏置电压以读取MTJ的磁阻状态时，由于由隧道结施加的自旋力矩而使得流动的电流在不借助于由流过自旋霍尔金属层的偏置电流所产生的任何自旋力矩的情况下不足以独立地实现自由层的切换。
除了提供用于高性能非易失性逻辑电路的新的基本元件之外，本发明的3端子MTJ设计的实施方式实现了用于高性能磁性存储器逻辑技术的改进的电路架构。例如，这种自旋霍尔力矩/VCMA装置可用于产生在图13A和图13B中示意性示出的最大密度交叉点几何形状中的非易失性磁随机存取存储器电路。用于使用具有2端子磁性隧道结的常规自旋力矩切换成功实现交叉点存储器的主要挑战在于经由潜行路径的电流流动的问题，这些问题在写入过程期间导致非预期切换事件和增加的功率消耗以及在读取过程期间导致降低的灵敏度。在图13A和图13B所示的电路中，在写入操作期间，可以通过从上方向MTJ施加栅电压同时还通过下部SHE微带施加电流以产生自旋霍尔力矩来单独寻址每个存储器单元。
图19中的装置包括3端子MTJ存储器单元的行和列。提供自旋霍尔效应金属带的行，并且每行自旋霍尔效应金属带被配置成与一行存储器单元接触，作为存储器单元的行中的每个存储器单元的自旋霍尔效应金属层，并且进一步联接到存储器控制电路以将行充电电流作为存储器单元的行中的每个存储器单元的充电电流来运载。图19中的装置还包括导电带的列，并且每列导电带被配置成与分别位于存储器单元的不同行中的存储器单元的列接触，并且进一步联接到存储器控制电路，以针对存储器单元的列中的每个存储器单元将行栅电压施加为栅电压或者将行读取电压施加为读取电压。存储器控制电路包括：分别联接到列导电带的第一晶体管，每列导电带一个第一晶体管，以将行栅电压或行读取电压施加到存储器单元的第一电端子；以及分别联接到行自旋霍尔效应金属带的第二晶体管，每行自旋霍尔效应金属带一个第二晶体管，以连接到第二电端子以接通或关断相应的行自旋霍尔效应金属带中的行充电电流作为存储器单元的对应行中的每个存储器单元的充电电流。在一些实施例中，第三电端子接地。在图14的示例中，此接地由分别联接到行自旋霍尔效应金属带的第三晶体管控制，每行自旋霍尔效应金属带一个第三晶体管，以在存储器单元的对应行中的存储器单元的第三电端子与电接地之间连接。
图20A和图20B示出图19中的第一、第二和第三晶体管在写入和读取操作中的操作的示例。更具体地，如图20A所示，对于写入操作，所选择的列处的第一晶体管和所选择的行的两端处的第二和第三晶体管对被设置为ON，而所有其他晶体管被设置为OFF。根据MTJ所需的最终状态，V切换被选择为正或负。随后将信息写入用于写入操作的所选择的MTJ中。可以利用具有高阻抗的MTJ，以使得隧道结的阻抗RMTJ远大于SHE带的电阻RTa。此条件有效地阻止了写入电流的所有可能的潜行路径。对于图20B所示的读取操作，可以采用并行读取方案来有效地改善潜行电流的效应。用于所有列的第二晶体管和在所选行的右端处的第三晶体管被设置为ON。所有其他晶体管被设置为OFF。因此，所有列线被设置在相同的读取电压水平+V处。通过测量在列线中流动的电流，以并行方式从相同行上的所有MTJ读取信息。
如在图19、图20A和图20B中的示例中示出的交叉点架构的总体益处在于虽然一些2端子自旋力矩MRAM电路对于每个位需要至少1个晶体管，但是用于该3端子MTJ电路的交叉点几何形状可以对于阵列中的每N位仅使用1个晶体管来形成，由此显著增加存储密度并降低提供写入信号并执行存储数据的读出的MTJ与半导体(CMOS)电路元件之间的界面处的复杂性。
参考图17A和图17B，其中MTJ的磁性层垂直于MTJ层，可以使用有效磁场HST描述来自由SHE产生的自旋电流的自旋力矩的效应。由注入的自旋电流产生的每单位矩的自旋力矩可以写为其中e、MS和t分别表示FL的普朗克常数、电子电荷、饱和磁化强度和FL的厚度，并且JS是从SHE注入FL中的自旋电流。同时，由磁场产生的力矩一般可以写为通过比较两个力矩的形式，由自旋霍尔效应诱导的有效磁场具有形式因此，根据注入的自旋的方向，垂直于并且顺时针或逆时针指向。如果JS足够大以使得其中是磁性膜可以提供的最大各向异性场，那么将诱导的连续旋转。在的效应下，将被连续地切换，而没有确定的最终状态。为了实现确定性切换，必须引入外部平面内磁场其可以容易地由置于附近的磁性层的磁偶极场来提供。可以通过在各种配置中使用装置中的一个或多个磁性元件来产生外部场。在图6B中，作为示例，在+y方向上施加外部场。使用mz来表示的z分量，可以看出，mz＞0的状态将变成稳定状态，因为和可以彼此平衡，而mz＜0状态仍然不稳定，因为和在相同方向上运作，从而导致继续旋转。因此，在+y方向上的施加场下，在-x方向上注入的自旋可以将切换成mz＞0的状态。通过反转写入电流方向，来自SHE的自旋将沿着+x方向注入，从而导致被切换成mz＜0的状态。通过使用从SHE注入的自旋，实现可逆的确定性切换。
对于FL和RL垂直于平面极化的情况，实现FL的确定性切换所需的通过SHE层的电流与FL的有效垂直磁各向异性场线性地成比例。如果被调节成例如～1000Oe或更低，这可通过选择FL材料、其厚度而容易地实现，并且SHE切换电流的仔细的热退火强选通可以利用并入MTJ的SHE/VCMA容易地获得，MTJ具有大约的VCMA，如已经实验证明的(参见图7C)。
用于组合自旋霍尔力矩与电压控制的磁各向异性的本发明的三端子MTJ装置设计的另一应用是采用这些效应来实现自旋力矩纳米振荡器(STNO)的输出功率的频率和幅值的新的独立控制。用于基于三端子电路配置中的磁性隧道结产生振荡信号的这种装置可以被配置成包括磁性隧道结(MTJ)，此磁性隧道结包括：(1)在钉扎磁性层中具有固定磁化方向的钉扎磁性层，(2)具有在自由磁性层中的并且可变的磁化方向的自由磁性层，以及(3)在磁性自由层与钉扎磁性层之间并且由足够薄以允许电子在磁性自由层与钉扎磁性层之间隧穿的绝缘体材料形成的非磁性结层。自旋霍尔效应金属层被设置为非磁性的并且包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导至自旋霍尔效应金属层中的充电电流作出反应，以产生垂直于充电电流的自旋极化电流。自旋霍尔效应金属层平行于自由磁性层并与其接触，以将在自旋霍尔效应层中产生的自旋极化电流引导至自由磁性层中。此装置包括：第一电端子，其从具有钉扎磁性层的一侧与MTJ电接触；以及第二电端子和第三电端子，其与自由磁性层的两个相对侧上的自旋霍尔效应金属层的两个接触位置电接触，以在自旋霍尔效应金属层中供应充电电流。此装置中的振荡器控制电路被联接到第一电端子、第二电端子和第三电端子，以(1)经由自旋霍尔效应金属层中的第二电端子和第三电端子来供应恒定电流作为充电电流，从而由于由自旋霍尔效应金属层产生的自旋极化电流引起自由磁性层的磁化的进动，以及(2)经由跨MTJ的第一电端子供应引导的MTJ结电流，以引起跨由于自由磁性层的磁化的进动而振荡的MTJ的电流隧穿。此控制电路被配置成调整MTJ结电流以控制跨MTJ的电流隧穿中的振荡频率或振荡幅值。
图21示出用于激励和检测SHE装置中的磁动力学的这种振荡器电路的示例。可以采用具有公共接地的两个直流电流源来单独地施加通过SHE带并且通过MTJ的电流。通过SHE带的电流ISHE通过SHE将自旋电流注入到MTJ的磁性自由层中，并且激励其中的磁动力学，而MTJ偏置电流IMTJ将从TMR产生的MTJ电阻Rrf的振荡转换成振荡电压Vrf＝IMTJRrf，振荡电压随后可以联接到微波带状线或天线。
相比之下，常规的2端子MTJ STNO装置将必须使用相同的两个端子来承载与(1)激励动态特性的驱动电流和(2)提供输出功率的感测电流两者相同的电流。图16中的3端子SHE/VCMA装置分别使用两个单独的电流用于这些功能，以提供更好的技术控制和操作优点。
图22示出对于不同的IMTJ而ISHE保持恒定利用原型SHE/VCMASTNO获得的微波谱。由于感测电流对磁动力学几乎没有或没有影响，与常规STNO的情况不同，输出功率P与成比例，如图238A所示，其显示出3端子STNO原型对于IMTJ的集成功率P(三角形)及其归一化功率(圆形)，其中T(IMTJ)是MTJ的取决于偏置的归一化TMR值。归一化功率对于偏置大致恒定。
如图23B所示，此三端子STNO的行为的重要方面是当IMTJ在正方向上增加时振荡器频率的相当显著的蓝移。当IMTJ变化时，这与通过跨MgO隧道势垒的电场的变化诱导的垂直磁各向异性变化定量地相关。因此，如图238A和图23B所示，结合电压控制磁各向异性的自旋霍尔效应的3端子STNO实施方式使得能够独立控制自旋力矩纳米振荡器的磁动力学和输出电功率，因此提供对输出微波信号的频率以及幅值变化的更大且更通用的调谐。
在基于两种独立控制机制实现3端子MTJ装置中，期望产生如等式(1)和(2)中所示的自由层的足够大的有效垂直去磁场以影响用于切换自由磁性层的磁化的临界或阈值自旋极化电流。可以为MTJ装置选择各种材料组合，包括在期望的结晶相中的合适的过渡金属元素。用于实现自由层的足够大的有效垂直去磁场的一种技术是在自由磁性层与SHE金属层之间提供薄的过渡金属层，如图24中的MTJ示例中所示。
在图24中，相对于自由磁性层和SHE金属层的材料配置来选择薄过渡金属层的材料和厚度，以使得能够在薄过渡金属层与自由磁性层之间进行界面连接，从而产生强的界面各向异性，因此实现对自由层的垂直去磁场的贡献并且增强3端子MTJ装置的电压控制的磁各向异性(VCMA)效应。此薄过渡金属层可以不表现出显著的自旋霍尔效应，并且被设置在自由磁性层与SHE金属层之间，作为用于基于SHE和VCMA效应来设计用于双重控制的有效3端子MTJ的机构。薄过渡金属层和SHE金属层的组合结构可以被视为复合SHE金属层。作为具体示例，基于具有FeCoB的平面内自由磁性层的3端子MTJ装置被制造成包括作为SHE金属层的βW的层(4nm)以及作为薄过渡金属层的Hf的层(1nm)。此MTJ装置的传导测量示出强的SHE和VCMA效应。此外，图24中的自由磁性层与SHE金属层之间的薄过渡金属层可以用于增强MTJ装置的FL层的垂直各向异性，其中FL和PL层两者都具有垂直磁化方向，如图17A和图17B所示。
在上述3端子MTJ示例中的至少一些中，MTJ的SHE金属层与自由磁性层之间的界面是导电的，这是由于与SHE金属层直接接触的自由层或图24中的薄过渡金属层是导电的事实。这种配置产生分路，以使得由第二和第三端子提供到SHE金属层中的充电电流泄漏到分路中。这种泄漏致使保持在SHE金属层内的实际充电电流减小，并且这种减少不期望地减少了由SHE效应产生的自旋极化电流。对于使用具有高电阻率的SHE金属层的3端子MTJ装置，充电电流的这种不期望的泄漏可能是显著的。为了确保在SHE金属层中有效地产生自旋极化电流，可以在MTJ叠层与SHE金属层之间插入薄的磁性绝缘体层，以防止或减少SHE金属层中的充电电流泄漏到MTJ叠层中。薄磁性绝缘体层的厚度足够小以允许电子隧穿，因为感测电流需要穿过MTJ叠层以用于各种电路操作，包括MTJ存储器单元的读取操作和上述STNO电路中的振荡信号的产生。此薄磁性绝缘体层是减小对来自由自旋霍尔效应产生的SHE金属层的自旋极化电流的弛豫效应的磁性层。此薄磁性绝缘体层可以是铁磁层或铁磁绝缘体层。各种磁性绝缘体材料可以用作薄磁性绝缘体层，例如YIG(钇铁石榴石)等。
虽然本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是被解释为可以是特定发明的特定实施方式特有的特征的描述。在本专利文件中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然特征可以在上文描述为在某些组合中起作用并且甚至最初同样地要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中除去，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
仅描述了几种实施例和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来作出其他实施例、增强和变型。
Claims (46)
1.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的装置，包括：
磁性结构，包括铁磁层，所述铁磁层具有可以通过自旋转移矩改变的磁化方向；
SHE层，所述SHE层是导电的并且表现出自旋霍尔效应，以响应于所施加的充电电流而产生垂直于所述施加的充电电流的自旋极化电流，所述SHE层邻近所述铁磁层定位，以将所述自旋极化电流注入所述铁磁层中；以及
金属插入层，与所述铁磁层和所述SHE层接触并位于所述铁磁层与所述SHE层之间，由所述SHE层产生的所述自旋极化电流通过所述金属插入层进入所述铁磁层，所述金属插入层的厚度小于所述SHE层的自旋扩散长度，并且表现出比所述SHE层的电阻率大的电阻率，以增强通过所述自旋转移矩效应引起的所述铁磁层的所述磁化方向的切换。
2.如权利要求1所述的装置，还包括：
第一电触点，与所述SHE层的第一位置接触；
第二电触点，与所述SHE层的第二位置接触，以使得所述第一位置和所述第二位置在所述磁性结构的两个相对侧上；
第三电触点，与所述磁性结构接触；
磁性结构电路，联接在所述第一电触点和所述第二电触点中的一个与所述第三电触点之间，以向所述磁性结构供应电流或电压；以及
充电电流电路，联接在所述第一电触点与所述第二电触点之间以将所述充电电流供应到所述SHE层中。
3.如权利要求2所述的装置，其中：
所述磁性结构电路被联接成供应跨所述铁磁层的小电流，所述小电流与所述自旋极化电流共同传播，并且在没有所述自旋极化电流的情况下不足以切换所述铁磁层的磁化，以及
所述小电流和所述自旋极化电流一起足以切换所述铁磁层的所述磁化。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述金属插入层构造成使得当比较在没有所述金属插入层的情况下所需的总功率时，所述金属插入层的存在降低了切换所述铁磁层的所述磁化所需的所述磁性结构电路的所述磁性结构电路的总功率。
5.如权利要求2所述的装置，其中：
所述磁性结构包括磁性隧道结(MTJ)，所述磁性隧道结包括：(1)作为所述MTJ的自由层的所述铁磁层，(2)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，以及(3)在所述自由层与所述钉扎磁性层之间以允许电子在所述自由层与所述钉扎磁性层之间隧穿的非磁性结层；
所述第三电端子从具有所述钉扎磁性层的一侧与所述MTJ电接触，以接收栅电压，所述栅电压修改流过所述MTJ的自旋极化电流的电流阈值，以用于切换所述自由层的所述磁化；以及
所述磁性结构电路被联接成供应(1)跨所述MTJ的所述栅电压，从而产生跨所述MTJ隧穿的小电流，所述小电流在没有所述自旋极化电流的情况下不足以切换所述自由磁性层的所述磁化，
其中，所述磁性结构电路和所述充电电流电路能够操作，以同时施加所述SEH层中的所述充电电流和跨所述MTJ的所述栅电压，以设置或切换所述自由层的所述磁化方向。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述金属插入层被构造成使得当比较在没有所述金属插入层的情况下所需的总功率时，所述金属插入层的存在降低了切换所述铁磁层的所述磁化所需的所述磁性结构电路的所述磁性结构电路的总功率。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述金属插入层与所述磁性自由层的界面具有大于所述插入层的电导的自旋混合电导。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述SHE层包括：
SHE金属材料，所述SHE金属材料在没有进行任何掺杂或合金化的情况下表现出第一电阻率；以及
掺杂在所述SHE金属材料中或与所述SHE金属材料合金化的不同的金属元素，以引起掺杂或合金化的SHE金属在不降低所述SHE金属材料的自旋霍尔电导率的情况下表现出高于所述第一电阻率的第二电阻率。
9.如权利要求2所述的装置，其中：
所述磁性结构包括磁性隧道结(MTJ)，所述磁性隧道结(MTJ)包括：(1)作为所述MTJ的自由层的所述铁磁层，(2)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，以及(3)在所述自由层与所述钉扎磁性层之间以允许电子在所述自由层与所述钉扎磁性层之间隧穿的非磁性结层；
所述充电电流电路被联接成经由所述SHE层中的所述第一电触点和所述第二电触点供应作为所述充电电流的恒定电流，以引起由于所述自旋极化电流而导致的所述自由层的所述磁化的进动；并且
所述磁性结构电路被联接成跨所述MTJ供应MTJ电流，以引起跨所述MTJ的电流隧穿，所述电流隧穿由于所述自由磁性层的所述磁化的所述进动而振荡，其中磁性结构电路被配置成调整所述MTJ结电流，以控制跨所述MTJ的所述电流隧穿中的所述振荡的振荡频率或幅值。
10.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的装置，包括：
磁性结构，包括铁磁层，所述铁磁层具有可以通过自旋转移矩改变的磁化方向；
SHE层，所述SHE层是导电的并且表现出自旋霍尔效应，以响应于所施加的充电电流而产生垂直于所述施加的充电电流的自旋极化电流，所述SHE层邻近所述铁磁层定位，以将所述自旋极化电流注入所述铁磁层中，其中所述SHE层包括在没有进行任何掺杂或合金化的情况下表现出第一电阻率的SHE金属材料；以及掺杂在所述SHE金属材料中或与所述SHE金属材料合金化的不同的金属元素，以引起掺杂或合金化的SHE金属在不降低所述SHE金属材料的自旋霍尔电导率的情况下表现出高于所述第一电阻率的第二电阻率。
第一电触点，与所述SHE层的第一位置接触；
第二电触点，与所述SHE层的第二位置接触，以使得所述第一位置和所述第二位置在所述磁性结构的两个相对侧上；
第三电触点，与所述磁性结构接触；
磁性结构电路，联接在所述第一电触点和所述第二电触点中的一个与所述第三电触点之间，以供应跨所述铁磁层的小电流，所述小电流与所述自旋极化电流共同传播，并且在没有所述自旋极化电流的情况下不足以切换所述铁磁层的磁化，并且所述小电流和所述自旋极化电流一起足以切换所述铁磁层的所述磁化；以及
充电电流电路，其联接在所述第一电触点与所述第二电触点之间以将所述充电电流供应到所述SHE层中，
其中，选择对所述SHE金属材料进行掺杂或与所述SHE金属材料合金化的所述不同金属元素，以使得当与所述SHE金属材料没有掺杂所述不同金属元素或没有与所述不同金属元素合金化的情况下所需的总功率相比较时，掺杂或合金化的SHE金属减小切换所述铁磁层的所述磁化所需的所述磁性结构电路的总功率。
11.如权利要求10所述的装置，其中：
所述SHE金属材料为Pt，并且
对Pt进行掺杂或与Pt合金化的所述不同金属元素是Al、B或Si。
12.如权利要求10所述的装置，其中：
对所述SHE金属材料进行掺杂或与所述SHE金属材料合金化的所述不同金属元素具有与所述SHE金属材料大不相同的原子序数，以降低掺杂或合金化的所述SHE金属材料的电导率。
13.如权利要求10所述的装置，其中：
所述SHE金属材料为Pt，以及
对Pt进行掺杂或与Pt合金化的所述不同金属元素是Hf、Zr、Cr或Ta。
14.如权利要求10所述的装置，其中：
所述磁性结构包括磁性隧道结(MTJ)，所述磁性隧道结包括：(1)作为所述MTJ的自由层的所述铁磁层，(2)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，以及(3)在所述自由层与所述钉扎磁性层之间以允许电子在所述自由层与所述钉扎磁性层之间隧穿的非磁性结层；
所述第三电端子从具有所述钉扎磁性层的一侧与所述MTJ电接触以接收栅电压，所述栅电压修改流过所述MTJ的自旋极化电流的电流阈值以用于切换所述自由层的所述磁化；以及
所述磁性结构电路被联接成供应(1)跨所述MTJ的所述栅电压，从而导致跨所述MTJ隧穿的小电流，所述小电流在没有所述自旋极化电流的情况下不足以切换所述自由磁性层的所述磁化，
其中，所述磁性结构电路和所述充电电流电路能够操作以同时施加所述SEH层中的所述充电电流和跨所述MTJ的所述栅电压，以设置或切换所述自由层的所述磁化方向。
15.如权利要求10所述的装置，其中：
所述磁性结构包括磁性隧道结(MTJ)，所述磁性隧道结包括：(1)作为所述MTJ的自由层的所述铁磁层，(2)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，以及(3)在所述自由层与所述钉扎磁性层之间以允许电子在所述自由层与所述钉扎磁性层之间隧穿的非磁性结层；
所述充电电流电路被联接成经由所述SHE层中的所述第一电触点和所述第二电触点供应作为所述充电电流的恒定电流，以引起由于所述自旋极化电流而导致的所述自由层的所述磁化的进动；并且
所述磁性结构电路被联接成跨所述MTJ供应MTJ电流，以引起跨所述MTJ的电流隧穿，所述电流隧穿由于所述自由磁性层的所述磁化的所述进动而振荡，其中磁性结构电路被配置成调整所述MTJ结电流以控制跨所述MTJ的所述电流隧穿中的所述振荡的振荡频率或幅值。
16.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的磁性结构，包括：
自旋霍尔效应基层，位于衬底上；
薄的高电阻率普通金属插入层，位于所述衬底上并且接触所述自旋霍尔效应基层；以及
磁性自由层，位于所述衬底上并且接触所述薄插入层，
其中所述自旋霍尔效应基层包括非磁性导电材料，所述非磁性导电材料表现出大于约0.05的自旋霍尔角，并且具有不大于所述自旋霍尔基层中的所述非磁性导电材料中的自旋扩散长度的约5倍的厚度；
其中所述薄的高电阻率普通金属插入层包括具有至少一个原子层厚但不比所述自旋扩散长度厚的厚度的插入层非磁性金属层；以及
其中所述薄的高电阻率普通金属插入层与所述磁性自由层的界面具有比所述插入层自身的所述电导大的自旋混合电导；以及
其中所述薄的高电阻率普通金属插入层被配置成表现出是所述自旋霍尔效应基层的电阻率的大约两倍或更多倍的电阻率。
17.如权利要求16所述的磁性结构，其中：
所述磁性自由层相对于所述衬底在平面内磁性极化；以及
通过与所述插入层—自旋霍尔效应基层的组合接触，所述磁性自由层的阻尼因子增加小于约3倍。
18.如权利要求16所述的磁性结构，其中所述非磁性自旋霍尔导电材料包括Pt、Hf、Ir、Ta、W、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Au、Tl或Bi导电材料。
19.如权利要求18所述的磁性结构，其中所述非磁性自旋霍尔导电材料包括一种或多种合金和化合物，所述合金和化合物包含Pt、Hf、Ir、Ta、W、Pd、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Au、Tl或Bi导电材料中的一种或多种。
20.如权利要求16所述的磁性结构，其中所述非磁性自旋霍尔导电层材料包括Pt、Pd、Ta、W、Hf、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb、Bi，基于这些过渡金属的一种或多种合金，包括Cu1-x Bix、Ag1-xBix、Cu1-xIrx、Ag1-xIrx、Cu1-xWx、Ag1-xWx、Cu1-xTax、Ag1-xTax、HfxIry，以及包括具有高原子序数的一种或多种元素的金属互化物，例如具有A15晶体结构的化合物，诸如Ta3Al、Nb3Sn、W3Ge、Ir3Hf或其他化合物，诸如TaN、WN或NbN。
21.如权利要求16所述的磁性结构，其中所述自旋霍尔效应导电层包含至少一种稀土元素或者包含稀土成分的合金或化合物。
22.如权利要求16所述的磁性结构，其中所述薄的高电阻率普通金属插入层包括Hf、Ta、W、Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb，Bi或包含这些过渡金属成分中的一种或多种的一种或多种合金和化合物。
23.如权利要求16所述的磁性结构，其中所述薄的高电阻率普通金属插入层包括一种稀土元素或者包括含有稀土成分的合金或化合物。
24.如权利要求16所述的磁性结构，其中所述磁性自由层包括以下各项中的一种或多种：Fe；Co；Ni；包含这些金属元素成分的中的一种或多种的一种或多种合金和化合物。
25.如权利要求24所述的磁性结构，其中所述一种或多种合金和化合物包括CoFeB、CoFeAl、NiFe或CoFeNi。
26.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的磁性结构，包括：
磁性金属层或铁磁绝缘体层，位于衬底上；以及
自旋霍尔效应层，邻近所述磁性层但不与所述磁性层直接接触定位；以及
薄的高电阻率普通金属插入层，位于所述自旋霍尔效应层与所述磁性自由层之间并与所述自旋霍尔效应层和所述磁性自由层接触；以及
其中包括所述自旋霍尔效应基层的所述非磁性导电材料包括：
大于约0.05的自旋霍尔角；以及
不大于所述非磁性导体自旋霍尔基层材料中的自旋扩散长度的约5倍的厚度；以及
其中包括所述薄插入层的所述非磁性金属层是至少一个原子层厚，但是不比大约其自旋扩散长度更厚；
其中所述插入层与所述磁性自由层的所述界面具有比所述插入层本身的所述电导大的自旋混合电导；以及
其中所述插入层的所述电阻率是所述自旋霍尔效应基层的电阻率的约两倍或更多倍。
27.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的磁存储装置，包括：
自由磁性层，具有可变的磁化方向；
自旋霍尔效应层，包括第一材料，所述第一材料具有第一电阻率、第一厚度并且具有大于0.05的相对大的自旋霍尔角，其中所述自旋霍尔效应层是非磁性的，并且包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导到所述自旋霍尔效应层中的充电电流作出反应，以产生垂直于所述充电电流的自旋极化电流，所述自旋霍尔效应层平行于所述自由磁性层，以将在所述自旋霍尔效应层中产生的所述自旋极化电流引导至所述自由磁性层中；以及
插入层，包括第二材料，所述第二材料具有第二电阻率、第二厚度和电导，其中所述插入层是非磁性的并且联接在所述自由磁性层与所述自旋霍尔效应金属层之间，并且其中所述插入层与所述自由磁性层之间的自旋混合电导大于所述电导；
其中所述第二厚度为至少一个原子层厚，其中所述第二厚度小于所述第一厚度，以及其中所述第二电阻率为所述第一电阻率的至少两倍。
28.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的磁性结构，包括：
自由磁性层，具有可变的磁化方向；
自旋霍尔效应层，包括第一材料，所述第一材料具有第一电阻率、第一厚度，其中所述自旋霍尔效应层是非磁性的，并且包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导到所述自旋霍尔效应层中的充电电流作出反应，以产生垂直于所述充电电流的自旋极化电流，所述自旋霍尔效应层平行于所述自由磁性层，以将在所述自旋霍尔效应层中产生的所述自旋极化电流引导至所述自由磁性层中；以及
插入层，包括第二材料，所述第二材料具有第二电阻率、第二厚度和电导，其中所述插入层是非磁性的并且联接在所述自由磁性层与所述自旋霍尔效应金属层之间，并且其中所述插入层与所述自由磁性层之间的自旋混合电导大于所述电导；
其中所述第二厚度最大为所述第二材料的自旋弛豫长度，其中所述第二电阻率为所述第一电阻率的至少两倍。
29.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的磁性结构，包括：
磁性隧道结(MTJ)，包括(1)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，(2)具有可变磁化方向的自由磁性层，以及(3)非磁性结层，位于所述磁性自由层与所述钉扎磁性层之间并且由足够薄以允许电子在所述磁性自由层与所述钉扎磁性层之间隧穿的绝缘体材料形成；
自旋霍尔效应金属层，所述自旋霍尔效应金属层是非磁性的并且包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导到所述自旋霍尔效应金属层中的充电电流作出反应，以产生垂直于所述充电电流的自旋极化电流，所述自旋霍尔效应金属层平行于所述自由磁性层并与所述自由磁性层接触，以将在所述自旋霍尔效应层中产生的所述自旋极化电流引导至所述自由磁性层中；以及
金属插入层，定位在所述自旋霍尔效应金属层与所述MTJ之间，并且被构造成包括非磁性金属材料，非磁性金属材料的厚度不大于所述自旋霍尔效应金属层的厚度，并且表现出大于所述自旋霍尔效应金属层的电阻率的高电阻率。
30.如权利要求29所述的磁性结构，其中所述金属插入层包括Hf，并且所述自旋霍尔金属层包括Pt。
31.如权利要求30所述的磁性结构，其中所述金属插入层的厚度在0.25nm与1.0nm之间。
32.如权利要求30所述的磁性结构，其中所述自旋霍尔效应金属层的厚度大于所述自旋霍尔效应金属层的自旋弛豫长度。
33.如权利要求30所述的磁性结构，其中所述金属插入层的厚度小于所述自旋霍尔效应金属层的自旋弛豫长度。
34.如权利要求30所述的磁性结构，其中所述金属插入层的电阻率为所述自旋霍尔效应金属层的电阻率的2.5倍。
35.一种基于三端子电路配置和自旋霍尔效应(SHE)以及自旋转移矩(STT)效应的磁性隧道结存储装置，包括：
存储器单元阵列，用于存储数据；以及
存储器控制电路，联接到所述存储器单元阵列并且能够操作以在所述存储器单元中读取或写入数据，
其中每个存储器单元包括如权利要求14、15、16、17、18、19或20所述的磁性结构，并且还包括：
第一电端子，所述第一电端子从具有所述钉扎磁性层的一侧与所述MTJ电接触，以接收栅电压，所述栅电压修改流过所述MTJ的自旋极化电流的电流阈值以用于切换所述自由磁性层的所述磁化；以及
第二电端子和第三电端子，所述第二电端子和所述第三电端子与所述自由磁性层的两个相对侧上的所述自旋霍尔效应金属层的两个接触位置电接触，以在所述自旋霍尔效应金属层中供应所述充电电流。
36.如权利要求35所述的装置，其中：
所述存储器控制电路被联接到所述第一电端子、所述第二电端子和所述第三电端子，以经由所述自旋霍尔效应金属层中的所述第二电端子和所述第三电端子来供应(1)所述充电电流和(2)跨所述MTJ的所述栅电压，所述栅电压导致隧穿所述MTJ的小电流，所述小电流在没有由所述充电电流引起的流过所述自由磁性层的所述自旋极化电流的协作的情况下不足以切换所述自由磁性层的所述磁化。
37.如权利要求35所述的装置，其中所述存储器控制电路被配置成能够在写入模式下操作，以同时施加所述自旋霍尔效应金属层中的所述充电电流和跨所述MTJ的所述栅电压，以将所述自由磁性层的所述磁化方向设置或切换到用于表示存储位的期望方向。
38.如权利要求35所述的装置，其中所述存储器控制电路还被配置成能够在读取模式中操作，以将读取电压施加到所述第一电端子，以在不切换所述自由磁性层的所述磁化方向的情况下在所述第一电端子与所述自旋霍尔效应金属层之间供应隧穿所述MTJ的读取电流，以感测表示所述MTJ中的所述存储位的所述自由磁性层的所述磁化方向。
39.如权利要求35所述的装置，其中：
所述存储器控制电路被联接到所述第一电端子、所述第二电端子和所述第三电端子，以经由所述自旋霍尔效应金属层中的所述第二电端子和所述第三电端子来供应(1)所述充电电流和(2)跨所述MTJ的所述栅电压，所述栅电压导致隧穿所述MTJ的小电流，所述小电流在没有由所述充电电流引起的流过所述自由磁性层的所述自旋极化电流的协作的情况下不足以切换所述自由磁性层的所述磁化，
所述存储器控制电路被配置成能够在写入模式下操作，以同时施加所述自旋霍尔效应金属层中的所述充电电流和跨所述MTJ的所述栅电压，以将所述自由磁性层的所述磁化方向设置或切换到用于表示存储位的期望方向，以及
所述存储器控制电路被还配置成能够在读取模式中操作，以将读取电压施加到所述第一电端子，以在不切换所述自由磁性层的所述磁化方向的情况下在所述第一电端子与所述自旋霍尔效应金属层之间供应隧穿所述MTJ的读取电流，以感测表示所述MTJ中的所述存储位的所述自由磁性层的所述磁化方向。
40.一种基于二端子电路配置并且基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的磁性隧道结存储装置，包括：
存储器单元阵列，用于存储数据；以及
存储器控制电路，联接到所述存储器单元阵列并且能够操作以在所述存储器单元中读取或写入数据，
其中每个存储器单元包括如权利要求14、15、16、17、18、19或20所述的磁性结构，并且还包括：
第一电端子，所述第一电端子从具有所述钉扎磁性层的一侧与所述MTJ电接触，以接收栅电压，所述栅电压修改流过所述MTJ的自旋极化电流的电流阈值以用于切换所述自由磁性层的所述磁化；以及
第二端子，所述第二端子与所述自旋霍尔效应金属层的接触位置电接触。
41.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的磁性结构，包括：
磁性电路元件，所述磁性电路元件包括：
自由磁性层，具有可变的磁化方向；
自旋霍尔效应层，包括第一材料，所述第一材料具有第一电阻率、第一厚度，其中所述自旋霍尔效应层是非磁性的，并且包括表现出大的自旋霍尔效应的金属，以对引导到所述自旋霍尔效应层中的充电电流作出反应，以产生垂直于所述充电电流的自旋极化电流，所述自旋霍尔效应层平行于所述自由磁性层，以将在所述自旋霍尔效应层中产生的所述自旋极化电流引导至所述自由磁性层中；以及
插入层，包括第二材料，所述第二材料具有第二电阻率、第二厚度和电导，其中所述插入层是非磁性的并且联接在所述自由磁性层与所述自旋霍尔效应金属层之间，
其中所述第一材料包括Pt，并且所述第二材料包括Hf，以使得包括Pt的所述自旋霍尔效应层和包括Hf的所述插入层的组合结构形成高电阻率的复合结构。
42.如权利要求41所述的装置，其中：
所述复合结构包括中间层，所述中间层位于包括Pt的所述自旋霍尔效应层与包括Hf的所述插入层之间，其中所述中间层包括混合的Pt和Hf。
43.如权利要求41所述的装置，其中，所述磁性电路元件包括：||Ta(1)|Pt(4)|Hf(tHf)|FeCoB(tFeCoB)|MgO(1.6)|Ru(2)的结构。
44.如权利要求41所述的装置，其中，所述磁性电路元件包括：||Ta(1)|Pt(4)|Hf(tHf)|FeCoB(tFeCoB)|MgO(1.6)|FeCoB(4)|Hf(5)|Ru(5)的结构。
45.如权利要求40、41、42或43所述的装置，包括：
三端子电路，所述三端子电路电联接到所述磁性电路元件以将所述充电电流供应到所述自旋霍尔效应层中。
46.如权利要求41所述的装置，包括：
磁性隧道结结构，具有作为所述磁性隧道结结构的自由层的所述自由磁性层。
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