CN107580729A - 在无外部磁场时利用自旋轨道转矩对垂直磁化纳米磁体进行切换 - Google Patents

在无外部磁场时利用自旋轨道转矩对垂直磁化纳米磁体进行切换 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于切换纳米磁体(100)的磁化状态的基本元件，所述基本元件包括具有表面(103)的重金属条带(102)。铁磁性纳米磁体(101)邻近于所述表面(103)设置。所述铁磁性纳米磁体(101)具有第一磁化平衡状态和第二磁化平衡状态，平行和反平行与所述表面(103)的法线。所述第一磁化平衡状态或所述第二磁化平衡状态可在无外部磁场时由穿过所述重金属条带(102)的电荷流设定。还描述了一种用于切换纳米磁体的磁化状态的方法。

Description

在无外部磁场时利用自旋轨道转矩对垂直磁化纳米磁体进行 切换
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年5月8日提交的共同待决的美国临时专利申请序号62/158,805(SWITCHING OF PERPENDICULARLY MAGNETIZED NANOMAGNETS WITH SPIN-ORBIT TORQUESIN THE ABSENCE OF EXTERNAL MAGNETIC FIELDS)的优先权和权益，所述申请以引用的方式全文并入本文。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明是在情报先进研究计划署(IARPA)所授予的合同GR526115和GR526116的政府支持下作出的。政府拥有本发明的某些权利。
发明领域
本申请涉及纳米磁体的磁化的切换，且具体涉及一种用于切换纳米磁体的磁化的基本基本元件结构和方法。
发明背景
互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术当今在存储器和逻辑系统中是普遍的。然而，CMOS技术不再提供快速操作、高密度集成和能量效率的期望的平衡。
发明概要
根据一个方面，一种用于切换纳米磁体的磁化状态的基本元件包括具有表面的重金属条带。铁磁性纳米磁体邻近于所述表面设置。铁磁性纳米磁体具有第一磁化平衡状态和第二磁化平衡状态。第一磁化平衡状态或第二磁化平衡状态可无外部磁场时由穿过重金属条带的电荷流在设定。
在另一个实施方案中，在第一方向上穿过重金属条带的电荷流产生第一磁化平衡状态并且在第二方向上穿过重金属条带的电荷流产生第二磁化平衡状态。
在又一个实施方案中，纳米磁体包括具有长轴和短轴的椭圆形状。
在又一个实施方案中，长轴大致平行于重金属条带的表面。
在又一个实施方案中，穿过重金属条带的电荷流的方向包括相对于纳米磁体的短轴的角ξ。
在又一个实施方案中，角ξ决定切换能量。
在又一个实施方案中，角ξ决定切换速度。
在又一个实施方案中，基本元件提供集成存储器装置的基元。
在又一个实施方案中，基本元件提供集成逻辑装置的基元。
在又一个实施方案中，基本元件提供集成管线式微处理器装置的基元。
在又一个实施方案中，重金属条带包括钨或钽。
在又一个实施方案中，重金属条带包括铝(Al)或金(Au)。
在又一个实施方案中，重金属条带包括铋(Bi)或钼(Mo)。
在又一个实施方案中，重金属条带包括铌(Nb)或钯(Pd)。
在又一个实施方案中，重金属条带包括铂(Pt)。
在又一个实施方案中，重金属条带包括铜(Cu)和Bi的合金，或Cu和铱(Ir)的合金。
根据另一个方面，一种切换纳米磁体的磁化状态的方法包括以下步骤：提供具有表面的重金属条带和邻近于所述表面设置的铁磁性纳米磁体，所述铁磁性纳米磁体具有第一磁化平衡状态和第二磁化平衡状态；使电荷在电荷方向上穿过重金属条带流动以在无外部磁场时，将纳米磁体的磁化状态设定为第一磁化平衡状态，或将磁化状态设定为第二磁化平衡状态。
在另一个实施方案中，使电荷流动的步骤包括使电荷在电荷方向上穿过重金属条带流动以在不到约50皮秒的时间段内设定磁化状态。
在又一个实施方案中，使电荷流动的步骤包括使电荷在电荷方向上穿过重金属条带流动以设定磁化状态，其中所述磁化状态与设定存储器装置的基元相对应。
在又一个实施方案中，使电荷流动的步骤包括使电荷在电荷方向上穿过重金属条带流动以设定磁化状态，其中所述磁化状态与设定逻辑装置的基元相对应。
根据以下具体实施方式和权利要求书，本申请的前述以及其他方面、特征和优点将变得更加显然易见。
附图简述
参考下述附图以及随附权利要求，可以更好地理解本申请的特征。附图不必按比例绘制，相反，重点通常在于说明本文所述的原理。在附图中，类似的标号用于指示各个视图中类似的部分。
图1是示出了邻近于重金属非磁性纳米条带的铁磁层的图；
图2是示出了可以如何通过和来捕获磁化运动的动力学的图；
图3A是表明通过非磁性重金属所注入的电荷电流(Je)引起自旋电流(Js)的图；
图3B是示出了具有平面内各向异性Hkx的示例性椭圆形铁磁体的图；
图3C是示出了电荷电流方向以及自旋极化σ相对于Hkx的定向的图；
图4是示出了在自旋转矩和各向异性的影响下的磁化的运动的图；以及
图5是示出了在无外部磁场时使用自旋轨道转矩对铁磁层所进行的磁化切换的轨迹的图。
具体实施方式
使用自旋轨道转矩对铁磁体所进行的磁化转换提供了机会来将纳米磁体引入到需要低功耗的高性能逻辑和存储器应用中。具有与平面垂直各向异性的纳米磁体由于其高的热稳定性而在最近引起了相当大的关注。针对热波动的高稳定性使纳米磁体能够深入缩小，从而产生具有超低功耗的密集逻辑和存储器系统。然而，由于具有与平面垂直各向异性的纳米磁体的磁化所经受的对称能量图景，由平面内电流脉冲所引起的自旋轨道转矩不能切换磁化。因此，需要外部磁场以通过破坏对称性来辅助自旋轨道转矩。虽然通过切换纳米磁体而消耗的能量可能很小，但生成所需磁场所需的能量使得整个存储器或逻辑方案与互补型金属氧化物半导体(CMOS)对应物相比无竞争力。而且，需要额外的金属来产生所需磁场、显著地减少可以在给定区域上集成的装置的数量。因此，对外部磁场的需要是开发密集低功率存储器和逻辑系统的障碍。此外，快速切换需要通过铁磁体和/或产生磁场的金属注入较高的能量。由于所需的能量随着所需切换速度的增加而显著增长，因此快速操作会损害能量效率。
针对上述问题的解决方案通过在无外部磁场时使用由平面内电流脉冲所引起的自旋轨道转矩来切换具有与平面垂直各向异性的纳米磁体的磁化。
所述解决方案包括用于通过在无外部磁场时使用由平面内电流脉冲所引起的自旋轨道转矩来切换具有与平面垂直各向异性的纳米磁体的磁化的方案。应当认识到，可以通过将平面内各向异性引入到纳米磁体中而破坏对称性来实现磁化切换。描述了由具有适当振幅和持续时间的平面内电流脉冲所引起的自旋轨道转矩足以在无外部磁场时切换纳米磁体的磁化的程度。对于平面内各向异性和与平面垂直各向异性之间的给定比，可以通过平衡自旋轨道转矩和阻尼转矩来实现具有显著短持续时间的电流脉冲的高切换概率(确定性切换)，从而形成超快速切换。此外，由于在所述方案中磁化切换不需要外部磁场，因此能量效率和集成密度显著提高，从而形成超快密集存储器和低功耗逻辑系统。
图1示出包括与平面垂直各向异性(Hkz)和平面内各向异性(Hkx)的示例性铁磁层位于重金属纳米条带上。在一个示例性实施方案(所提出的基本元件结构100)中,图1示出铁磁层，所述铁磁层通过具有磁化M的Stoner-Wohlfarth单畴磁性体101来表示，位于具有强自旋轨道耦合的重金属非磁性纳米条带102上。铁磁层，如图1所示，包括沿着ez轴的与平面垂直单轴各向异性Hkz和沿着ex轴的平面内单轴各向异性Hkx。
图2示出可以如何通过和来捕获磁化运动的动力学。如图2所示，M的运动通过单位失量nm来表示，其与ez轴形成角而M和ez的平面与ex形成角
图3A表明通过非磁性重金属所注入的电荷电流(Je)引起自旋电流(Js)。如图3A所示，通过重金属纳米条带所注入的电荷电流Je由于自旋轨道相互作用而产生横越自旋电流Js＝θSH(σ×Je)，其中Je为电荷电流密度，σ为自旋极化单位失量，并且θSH为材料相关自旋霍尔角。
图3B示出具有平面内各向异性Hkx的示例性椭圆形铁磁体的图示。
图3C示出电荷电流方向301以及自旋极化σ相对于Hkx的定向。如图3C所示，电荷电流的方向Je与ey轴形成角ξ。自旋极化电流将自旋角动量传送至纳米磁体中，从而对磁化施加转矩。使用Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程式将在转矩和各向异性场的影响下的M的动力学描述为
其中γ为回磁比，α为阻尼因子，TST为自旋转矩，并且Heff为铁磁层的磁化所经历的有效场。Heff为Hkx和Hkz的函数。自旋转矩具有两个分量，称为平面内转矩和平面外转矩：TST＝TIP+TOOP。
图4示出在自旋转矩和各向异性影响下的磁化的运动。如图4所示，平面内转矩TIP位于由M和Heff所限定的平平面内，并且平面外转矩TOOP从由M和Heff所限定的平面指向外。
图5示出在无任何外部磁场时使用自旋轨道转矩对铁磁层所进行的磁化切换的轨迹。如图5所示，通过穿过重金属非磁性纳米条带注入电荷电流Je，所产生的自旋转矩从朝向纳米磁体的平面内的平衡位置(也称为平衡状态)中推导出M。通过在te秒后断开电荷电流Je，自旋转矩减小到零，并且M接近于x-y平面并以角离开ez轴。在这个区域，这里称为临界区域，Heff显著地由Hkx支配。因此，M通过围绕Heff旋进而经过难磁化轴。通过经过难磁化轴，Heff由Hkz支配。因此，通过围绕Heff旋进和阻尼而将M拉向新的平衡状态，从而完成磁化切换。
所施加的电流脉冲的持续时间te与使得磁化M从平衡状态移动到临界区域的时间一样短。可以使用持续时间不到50ps的电流脉冲来执行磁化切换。因此，所提出的方案显著地提高了切换速度和/或降低了能量消耗，从而产生了具有显著低能耗的超高速自旋转矩存储器和逻辑系统。此外，由于不需要额外的金属来产生外部磁场，因此集成密度显著提高。
可以设想的是，可以由角ξ决定切换能量和切换速度。还可以设想的是，在切换能量与切换速度之间存在如可以通过角ξ来设定的折衷。
上文使用的重金属包括具有大原子序数的任何合适的过渡金属，例如钨(W)、钽(Ta)、铝(Al)、金(Au)、铋(Bi)、钼(Mo)、铌(Nb)、钯(Pd)或铂(Pt)。还包括任何合适的金属合金，例如铜(Cu)和Bi的合金，或Cu和铱(Ir)的合金。通过穿过如上所列举的任何合适的金属或金属合金的重金属薄膜来注入电荷电流，由于强自旋-轨道耦合而产生横越自旋电流。如上所述，可以使用所产生的自旋电流来切换纳米磁体的磁化的方向。通过穿过重金属薄膜来注入电荷电流，由于强自旋轨道耦合而产生横越自旋电流。可以使用所产生的自旋电流来切换纳米磁体的磁化的方向。所产生的自旋电流的振幅与薄膜重金属的自旋霍尔角成正比。在一些高电阻率的重金属薄膜中观察到大的旋转霍尔角。实验和理论均表明，一些薄膜重金属(例如W的薄膜)中的自旋霍尔角的振幅与薄膜的电阻率(厚度)成正比。例如，已经观察到，通过将钨的薄膜的厚度从5.2nm增加到15nm，旋转霍尔角从0.33下降到小于0.07。
所产生的自旋电流的振幅与薄膜重金属的自旋霍尔角成正比。在一些高电阻率的重金属薄膜中观察到大的旋转霍尔角。实验和理论均表明，薄膜重金属中所测量的(所计算的)自旋霍尔角的振幅与薄膜的电阻率(厚度)成正比。例如，已经观察到，通过将钨的薄膜的厚度从5.2nm增加到15nm，旋转霍尔角从0.33下降到小于0.07。
参考图1的示例性实施方案而概括地说，用于切换纳米磁体101的磁化状态的基本元件100包括具有表面103的重金属条带102。铁磁性纳米磁体101邻近于重金属条带102的表面103设置。铁磁性纳米磁体101具有第一磁化平衡状态501和第二磁化平衡状态502(在一些实施方案中也称为向上平衡状态和向下平衡状态)。第一磁化平衡状态501或第二磁化平衡状态502可由穿过重金属条带的具有电荷电流方向301的电荷流设定。铁磁性纳米磁体也可以是结合有基本元件的集成装置中的磁性层的特征。
在一些实施方案中，通过如上所述在重金属条带中产生电荷流(电流)，可以诸如通过使电荷流的方向反转来将纳米磁体的磁化在第一平衡状态与第二平衡状态之间切换。在一些所设想的应用中，例如在结构是存储器或逻辑系统的基本元件的情况下，第一平衡状态可被分配到布尔“0”或“1”，并且第二平衡状态可以被分配到与第一平衡状态不同的其他布尔数。在此类所设想的应用中，用于如上所述改变磁化的方法类似于“写入”操作。
此外，在此类所设想的应用中，用于读取基本元件的磁化状态的方法是已知的，诸如通过在纳米磁体上方添加绝缘层和在绝缘层上方添加具有固定磁化的另一个磁性层。当纳米磁体被切换到约平行于固定磁化磁性层的磁化的磁化平衡状态时，在具有固定磁化的磁性层和具有可切换磁化的磁性层之间将存在低电阻。相反，当纳米磁体被切换到约反平行于固定磁化磁性层的磁化的磁化平衡状态时，在具有固定磁化的磁性层和具有可切换磁化的磁性层之间将存在高电阻。因此，在一些实施方案中，可以通过感测低电阻或高电阻来执行用于确定基本元件的磁化状态(例如，单个“基元”)的“读取”操作。
可以设想的是，上述基本元件可以用作集成装置例如存储器装置或逻辑装置的基元。在此类应用中，可以使用本领域已知的集成技术来形成多个此类基本元件并将它们互连。可以设想的是，可以将具有集成磁性层的纳米磁体的数十亿个此类基本元件集成到单个集成装置中。可以使用本领域已知的集成电路互连技术来进行基本元件之间的内部集成电连接。
应当理解，上面所公开的变体以及它们的其他特征和功能或其替代物可以组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员随后做出的各种目前可以做出的各种无法预料或不曾预料到的替换、修改、变体或改进也旨在被随附权利要求所包含。

Claims (20)

1.一种用于切换纳米磁体的磁化状态的基本元件，所述基本元件包括：
重金属条带，所述重金属条带具有表面；以及
铁磁性纳米磁体，所述铁磁性纳米磁体邻近于所述表面设置，所述铁磁性纳米磁体具有第一磁化平衡状态和第二磁化平衡状态，所述第一磁化平衡状态或所述第二磁化平衡状态可在无外部磁场时由穿过所述重金属条带的电荷流设定。
2.如权利要求1所述的基本元件，其中在第一方向上穿过所述重金属条带的所述电荷流产生所述第一磁化平衡状态并且在第二方向上穿过所述重金属条带的所述电荷流产生所述第二磁化平衡状态。
3.如权利要求1所述的基本元件，其中所述纳米磁体包括具有长轴和短轴的椭圆形状。
4.如权利要求3所述的基本元件，其中所述长轴大致平行于所述重金属条带的所述表面。
5.如权利要求4所述的基本元件，其中穿过所述重金属条带的所述电荷流的方向包括相对于所述纳米磁体的所述短轴的角ξ。
6.如权利要求5所述的基本元件，其中所述角ξ决定切换能量。
7.如权利要求5所述的基本元件，其中所述角ξ决定切换速度。
8.如权利要求1所述的基本元件，其中所述基本元件提供集成存储器装置的基元。
9.如权利要求1所述的基本元件，其中所述基本元件提供集成逻辑装置的基元。
10.如权利要求1所述的基本元件，其中所述基本元件提供集成管线式微处理器装置的基元。
11.如权利要求1所述的基本元件，其中所述重金属条带包括钨或钽。
12.如权利要求1所述的基本元件，其中所述重金属条带包括铝(Al)或金(Au)。
13.如权利要求1所述的基本元件，其中所述重金属条带包括铋(Bi)或钼(Mo)。
14.如权利要求1所述的基本元件，其中所述重金属条带包括铌(Nb)或钯(Pd)。
15.如权利要求1所述的基本元件，其中所述重金属条带包括铂(Pt)。
16.如权利要求1所述的基本元件，其中所述重金属条带包括铜(Cu)和Bi的合金，或Cu和铱(Ir)的合金。
17.一种切换纳米磁体的磁化状态的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有表面的重金属条带和邻近于所述表面设置的铁磁性纳米磁体，所述铁磁性纳米磁体具有第一磁化平衡状态和第二磁化平衡状态；以及
使电荷在电荷方向上穿过所述重金属条带流动以在无外部磁场时，将所述纳米磁体的所述磁化状态设定为所述第一磁化平衡状态，或将所述磁化状态设定为所述第二磁化平衡状态。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述使电荷流动的步骤包括使电荷在电荷方向上穿过所述重金属条带流动以在不到约50皮秒的时间段内设定所述磁化状态。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述使电荷流动的步骤包括使电荷在电荷方向上穿过所述重金属条带流动以设定所述磁化状态，其中所述磁化状态与设定存储器装置的基元相对应。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述使电荷流动的步骤包括使电荷在电荷方向上穿过所述重金属条带流动以设定所述磁化状态，其中所述磁化状态与设定逻辑装置的基元相对应。
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