CN108987031A - 一种磁性隧道结器件及其磁性随机存储装置 - Google Patents

一种磁性隧道结器件及其磁性随机存储装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁性隧道结器件及其磁性随机存储装置，装置涉及到一种可以辅助自由磁性层翻转的人工反铁磁装置及一种固定磁性层，人工反铁磁装置可以通过电场调控，实现反铁磁态到铁磁态的转变，与固定磁性层共同作用，辅助自由磁性层的翻转。磁性随机存储装置包括一种磁性隧道结，当电流穿过磁性隧道结，在电场辅助作用下，自由磁性层实现翻转。自由磁性层翻转后，去掉电场，合成多层膜结构由铁磁态退回到反铁磁态，而自由磁性层保持翻转后的状态，从而实现数据的写入。合成多层膜结构与磁性隧道结共同构成磁性随机存储装置，通过电场和电流的共同作用达到写入数据的目的，具有速度快、功耗低、非易失性的优点。

Description

一种磁性隧道结器件及其磁性随机存储装置
技术领域
本发明涉及具有磁性/铁磁材料或结构的电路和器件及其应用，更具体地说，涉及一种电 场辅助控制的人工反铁磁以及使用其进行辅助擦写的磁性随机存储器。
背景技术
磁性隧道结(magnetic tunnel junction，称为MTJ)由两层磁性金属(例如铁，钴，镍) 和夹在两磁性金属层之间的超薄绝缘层(例如氧化铝，或氧化镁)组成。如果在两个磁性金 属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可以通过遂穿效应通过其势垒。在给定偏压 下，隧道电流/遂穿电阻的大小取决于两个铁磁层中磁化的相对取向，这种现象称为隧穿磁 阻(tunneling magnetoresistance，称为TMR)，这是自旋依赖的隧穿效应的体现。两个铁磁层 中磁化的相对取向可以通过施加的磁场来改变。
自旋阀是由两个或更多个导电磁性材料组成的器件，其电阻可以根据不同层中磁化的相 对取向在两个值(高阻值和低阻值)之间变化。电阻变化是巨磁阻(giantmagnetoresistive， 称为GMR)效应的结果。在最简单的情况下，自旋阀由两个铁磁体和夹在两个铁磁体之间 的非磁性材料组成，其中一个铁磁体(称为第一铁磁体)由反铁磁体固定，用于提高第一铁 磁体的磁矫顽力，使其表现为“硬”磁层，而另一个铁磁体(称为第二铁磁体)的磁化取向 是可以改变，表现为“软”磁层。非磁性层把两个铁磁层隔开，使得它们中有一个保持磁化 取向自由(软磁性)。由于矫顽力的差异，软磁层可以在较低的外加磁场强度下改变极性，此 时硬磁层磁化保持不变。因此，通过施加适当强度的外加磁场，可以使软磁层切换其极性， 从而自旋阀具有两个不同的状态：两磁性层磁化平行的低电阻状态和两磁性层磁化反平行的 高电阻状态。
现今，磁性结(magnetic junction，称为MJ，包括MTJ和自旋阀)通常用于磁性随机存取存储器中。磁性随机存取存储器由于具有非易失性，优异的耐久性，高读/写速度，低功耗等优点而引起越来越多科研人员的兴趣。磁性随机存储器(magnetic random accessmemory， 称为MRAM)中的磁阻元件可以是包括两个或更多个铁磁性薄膜的磁性结。MJ的电阻取决 于固定磁性层和自由磁性层的磁化的相对取向，自由磁性层(free magneticlayer，称为FL) 的磁矩可以在两个稳定取向之间切换，MJ的电阻在固定磁性层和自由磁性层的两个相对磁 取向情况下呈现两个值，可用于表示数据存储的二进制状态“1”和“0”，并应用于二进制逻 辑。可以通过外加磁场改变磁性结的自由层磁化取向，从而得到自由磁性层与固定磁性层磁 化平行或反平行时对应的低阻态(“1”)或高阻态(“0”)，进而得到逻辑电路需要的1/0态。 但利用电流提供外加磁场需要较大的电流密度，能耗较高，且会限制存储单元阵列即磁性结 阵列的排列密度。
一种类型的MRAM是自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM)。利用自旋极化电流(自旋转矩)对磁矩的作用，达到改变自由磁性层磁化方向的目的，并通过改变电流方向来切换自由磁性层的磁化方向，从而完成STT-MRAM中MJ的数据写入。但是应用于自旋转 移矩-随机存储器的自旋极化电流一般在106到107A/cm2，较大的自旋极化电流会限制存储 单元阵列的排列密度，同时消耗更多的电量。为了解决该问题，一种辅助自由磁性层磁化方向翻转的方法值得应用，本发明介绍了一种电场辅助控制的磁性随机存储装置，即利用电场 调控一种人工合成反铁磁，使其由反铁磁态转变为铁磁态，辅助自由磁性层磁化方向的翻转， 减小自旋极化电流，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种类型的自旋转移矩-磁性随机存储装置(STT-MRAM)。根据 Nature Communication发表的一篇题名为“Low voltage switching of magnetismthrough ionic liquid gating control of RKKY interaction in FeCoB/Ru/FeCoB and(Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2 multilayers”的文章，该文章报道通过电场调控一种人工(合成)反铁磁SAF(synthetic antiferromagnetic)多层结构，使该SAF多层结构从反铁磁态转变为铁磁态。根据Jianxin Zhu 提出的一种应力辅助自由磁性层翻转的专利(专利号为US8.406,042B2)以及Jian-Gang Zhu 提出的一种热辅助自由磁性层翻转的专利(专利号为US8,211,557B2),本专利提供的一种自 旋转移矩-磁性随机存储装置通过将人工反铁磁与磁性隧道结结合，通过电场调控人工反铁磁 SAF由反铁磁态转变为铁磁态，辅助磁性隧道结自由磁性层的翻转，从而达到减小自由磁性 层翻转所需要自旋极化电流的目的。因此，该自旋转移矩-磁性随机存储装置称为电场辅助控 制的磁性随机存储装置，该装置是在电场和自旋极化电流共同作用下完成数据的写入。另外， 电场控制反铁磁态与铁磁态的转变，具有速度快，功耗低的优点。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明给出了一种人工反铁磁装置，包括：
第一层铁磁层、第二层铁磁层以及位于所述第一层铁磁层与第二层铁磁层之间的非磁性 间隔层，所述第一层铁磁层、第二层铁磁层和非磁性间隔层构成第一层铁磁层-非磁性间隔层 -第二层铁磁层的堆叠结构，所述堆叠结构即为人工反铁磁装置；
所述人工反铁磁装置处于反铁磁态，将人工反铁磁装置置于电场中，所述人工反铁磁装 置实现反铁磁态到铁磁态的转变；去掉电场，所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态， 即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
优选的，所述人工反铁磁装置的第一层铁磁层和第二层铁磁层的材料包括但不限于 FeCoB、Co/Pt，非磁性间隔层的材料包括但不限于Ru，且Ru的厚度在0.1nm-10nm。
优选的，电场调控所需的电压在0.1-15V范围内。
本发明进而给出了一种基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件，包括一固定磁性层、一 个自由磁性层和一个非磁性势垒层构成的磁性隧道结，非磁性势垒层位于一固定磁性层和自 由磁性层之间；
包括第二固定磁性层、人工反铁磁装置和磁性隧道结，以及第一电极和第二电极，所述 人工反铁磁装置位于第二固定磁性层和自由磁性层之间；
还包括第一电极、第二电极，且第一电极和第二电极分别与第一固定磁性层和第二固定 磁性层接触，使电流可以在磁性隧道结器件中导通。
优选的，包括所述第一固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或所述固定磁 性层和自由磁性层的磁化方向平行于面内；
包括所述第二固定磁性层和人工反铁磁装置的磁化方向垂直指向面外或所述第二固定磁 性层和人工反铁磁装置的磁化方向平行于面内。
优选的，所述自由磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述铁磁性或亚铁磁 性金属及其合金选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、 LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、 Pd、Pt中的一种或多种金属的结合。
优选的，所述自由磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁 性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、 Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co。
优选的，所述自由磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ 或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种， Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、 In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种。
优选的，所述自由磁性层由合成反铁磁材料制成，所述合成反铁磁材料制成的自由磁性 层由铁磁层与间隔层组成；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、 Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次 数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
优选的，所述固定磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述固定磁性层选自 但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种 或多种金属的结合。
优选的，所述固定磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁 性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、 Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co。
优选的，所述固定磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ 或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种， Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、 In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种。
优选的，所述固定磁性层由合成反铁磁材料制成，所述合成反铁磁材料制成的固定磁性 层由铁磁层与间隔层组成，构成所述固定磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、 Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次 数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
优选的，所述非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧 化物材料的组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、 Cu、In、Si、Eu中的一种或多种
优选的，所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于Cu、 Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V中的一种或多种。
优选的，所述非磁性间隔层选自但不限于SiC和陶瓷材料。
优选的，所述电极材料选自但不限于下述金属或合金材料，Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、 Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种。
优选的，所述电极材料为碳系导电材料，所述碳系导电材料选自但不限于石墨类、碳纳 米管、或竹炭。
本发明进而给出了一种基于磁性隧道结器件的磁性随机存储装置，包括一个电场辅助控 制的磁性隧道结器件，所述磁性隧道结器件包括第一固定磁性层、一个自由磁性层和位于第 一固定磁性层和自由磁性层之间的非磁性势垒层；所述第一固定磁性层和自由磁性层的磁化 方向垂直指向面外或平行于面内；
所述磁性隧道结器件还包括第二固定磁性层和可以通过电场调控的人工反铁磁装置，所 述人工反铁磁装置位于第二固定磁性层和自由磁性层之间；所述人工反铁磁装置可以通过电 场调控其反铁磁态与铁磁态的转变；
还包括在磁性隧道结器件的两端设有的一对可以产生电场的平行电极板，并且在平行电 极板与固定磁性层之间设有一绝缘层；所述平行电极板通过外接电源产生电场，人工反铁磁 装置在电场作用下实现反铁磁态到铁磁态的转变。
本发明的有益效果在于：
本发明电场调控的人工反铁磁装置，将合成多层膜结构置于电场中，合成多层膜结构实 现反铁磁态到铁磁态的转变，即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。本发明可以 通过电场辅助控制的磁性随机存储装置，该装置是一种“固定磁性层-人工反铁磁装置-自由 磁性层-非磁性势垒层-固定磁性层”的堆叠结构。在电场作用下，人工反铁磁装置由反铁磁 态转变为铁磁态，会使自由磁性层发生较小角度的偏转，但是自由磁性层没有完全翻转，无 法实现数据的写入，此时通入电流穿过磁性隧道结，实现自由磁性层的翻转，即电场和电流 的共同作用，使自由磁性层翻转，实现数据的写入。
利用人工反铁磁装置与磁性隧道结组合形成磁性随机存储装置，形成“固定磁性层-人工 反铁磁装置-自由磁性层-非磁性势垒层-固定磁性层”的堆叠结构，人工反铁磁装置可以在电 场调控作用下实现反铁磁态到铁磁态的转变，当人工反铁磁装置处于铁磁态时，可以使自由 磁性层磁矩方向产生一定的偏角，但是没有完全翻转，同时施加较小的电流即可使自由磁性 层完全翻转，也就是电场作用于人工反铁磁装置，辅助自由磁性层的翻转，从而减小自由磁 性层的翻转电流。这样做的好处是：通过减小自由磁性层的翻转电流实现减少器件发热、降 低器件能耗、减小器件体积以及提高存储单元阵列排列密度的性能，进一步开拓自旋电子器 件的应用空间，推动新型存储器行业的发展。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对 本发明的不当限定，在附图中：
图1(a)、(b)展示出根据本发明公开的一种磁化方向平行于面内的人工反铁磁装置结 构示意图；
图1(c)、(d)展示出根据本发明公开的一种磁化方向垂直于面的人工反铁磁装置结构 示意图；
图2(a)展示出磁化方向垂直于面的磁性隧道结的结构示意图；
图2(b)展示出磁化方向平行于面内的磁性隧道结的结构示意图；
图3(a)展示出一种磁性隧道结与人工反铁磁装置结合的装置示意图；
图3(b)展示出另一种磁化方向的磁性隧道结与人工反铁磁装置结合的装置示意图；
图4(a)、(b)展示出一种在电场作用下人工反铁磁装置辅助自由磁性层翻转的磁性隧 道结装置示意图；
图5(a)展示出在电场辅助作用下，第一种方向电流实现自由磁性层翻转的示意图；图 5(b)展示出在电场辅助作用下，第二种方向电流实现自由磁性层翻转的示意图；
图6展示出一种电场辅助控制的磁性随机存储装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明技术方案做详细说明，以下实施例涉及一种通过电场调 控人工反铁磁装置从反铁磁态到铁磁态转变的磁随机存储装置，但不构成对本发明做任何限 制的依据。
图1(a)、(b)展示出根据本发明公开的一种可以通过电场调控的人工反铁磁装置10， 图1(a)、(b)和本发明的任何其它图示未按比例画出。如图1(a)、(b)所示，该人工反铁磁装置10由第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层构成，第一层铁磁层材料和第二层铁 磁层材料均可以是FeCoB或CoPt或其他铁磁材料，非磁性间隔层材料可以是Ru，且非磁性 间隔层置于第一层铁磁层与第二层铁磁层的中间，该人工反铁磁装置铁磁层材料的磁化方向 平行于面内，如图1(a)所示。加电场前，人工反铁磁装置10处于反铁磁状态，加电场后， 如图1(b)所示，人工反铁磁装置10由反铁磁状态转变为铁磁状态，图中电场由其它装置产 生，装置将在后文作出展示，这里暂时用符号E表示。上述非磁性层Ru的厚度为0.1nm-10 nm，上述电场强度为0.1V-15V。另外，该人工反铁磁装置铁磁层材料的磁化方向也可以是 垂直于面，如图1A(a)、(b)所示。
图2展示出磁化方向垂直于面的磁性隧道结的结构示意图，该磁性隧道结20包括一个自 由磁性层31、一个固定磁性层33以及位于自由磁性层31和固定磁性层33之间的一个非磁 性势垒层32。自由磁性层的磁化方向比固定磁性层的磁化方向更易发生翻转，即在自旋力矩 的作用下，自由磁性层的磁化方向可以发生翻转，而固定磁性层的磁化方向保持不变。磁性 隧道结的电阻由自由磁性层和固定磁性层的相对磁化方向决定，当自由磁性层磁化方向与固 定磁性层的磁化方向处于平行状态时，磁性隧道结处于低阻态；当自由磁性层磁化方向与固 定磁性层的磁化方向处于反平行状态时，磁性隧道结处于高阻态。非磁性势垒层可以由绝缘 材料组成，比如一种金属氧化物Al2O3、TiOx或者MgO等。自由磁性层31和固定磁性层33 是由铁磁材料组成，比如Fe、Co、Ni或者它们的合金NiFe、CoFe，以及三元的合金，CoFeB 等。自由磁性层31和固定磁性层33不仅可以单层铁磁性材料，也可以是一种合成的反铁磁 (SAF)耦合结构，比如两个铁磁亚层被一种金属间隔层分开，形成合成的反铁磁结构，两 个铁磁亚层的磁化方向相反，提供一种净磁化。
图2所展示的磁性隧道结，其自由磁性层31和固定磁性层33的磁化方向是垂直于面。 图2A展示了另外一种磁性隧道结，其自由磁性层31和固定磁性层33的磁化方向平行于面 内。
根据本发明所要展示的装置，邻近自由磁性层有一种人工反铁磁装置10，该人工反铁磁 装置10在电场的调控下可以实现反铁磁态到铁磁态的转变，当人工反铁磁装置10处于铁磁 态时，可以辅助自由磁性层31的翻转，从而减小所需的翻转电流，节约能耗。
如图3所示，由一种垂直各向异性的磁性隧道结20与一种人工反铁磁装置10共同组成 一种基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件30。与磁性隧道结20和20A不同的是，磁性隧 道结器件30还包括第二固定磁性层34和一个人工反铁磁装置10，人工反铁磁装置10位于 第二固定磁性层34与自由磁性层31之间。第二固定磁性层34为人工反铁磁装置10提供定 向性的钉扎，当添加电场E后，可以更好的控制人工反铁磁装置10的磁化方向。通过第一电 极35和第二电极36与导线连接，使该装置可以导电。另外，平行各向异性的磁性隧道结20A 与磁化方向垂直于面的人工反铁磁装置10A也可以共同组成另一种平行磁各向异性的磁性隧 道结器件30A。
在本实施例中，所述自由磁性层31由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述自由磁 性层选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、 Pt中的一种或多种金属的结合。
在另一些实施例中，所述自由磁性层31由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁 磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构 Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co。
在另一些实施例中，所述自由磁性层31由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包 括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限 于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种。
在另一些实施例中，所述自由磁性层31由合成反铁磁(syntheticantiferromagnetic， 称为SAF)材料制成，所述合成反铁磁材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成；构成 所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、 (Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的间隔 层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种 或多种。
在本实施例中，固定磁性层33、第二固定磁性层34与自由磁性层31的材料选择范围相 同，固定磁性层33、第二固定磁性层34和自由磁性层31的厚度可以不同。
即在本实施例中，所述固定磁性层33、第二固定磁性层34由铁磁性或亚铁磁性金属及 其合金制成，所述固定磁性层选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、 CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、 Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合。
在另一些实施例中，所述固定磁性层33、第二固定磁性层34由合成铁磁性或亚铁磁性 材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠 的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co。
在另一些实施例中，所述固定磁性层33、第二固定磁性层34由半金属铁磁材料制成， 所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、 Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种 或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种。
在另一些实施例中，所述固定磁性层33、第二固定磁性层34由合成反铁磁(synthetic antiferromagnetic，称为SAF)材料制成，所述合成反铁磁材料制成的固定磁性层由铁磁层 与间隔层组成；构成所述固定磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、 CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所 述固定磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、 Cu、Ag、Au中的一种或多种。
在本实施例中，所述自由磁性层31和固定磁性层33、第二固定磁性层34是导电的。
在一些实施例中，非磁性层32是绝缘隧道势垒层，所述非磁性层为氧化物，氮化物，或 氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、 Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、Eu中的一种或多种。
在另一些实施例中，非磁性层32是导电层，所述非磁性层为金属或合金，所述金属或合 金的组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、 Cr、W、Mo、V中的一种或多种。
在另一些实施例中，非磁性层32选自但不限于SiC和陶瓷材料。
在另一些实施例中，非磁性层32可以为其它结构，例如在“Method and systemfor providing a magnetic tunneling junction using spin-orbit interactionbased switching and memories utilizing the magnetic tunneling junction”(美国专利，专利号为 9,076,537)中提出的在绝缘体系中加入导电通道的粒状层(a granularlayer including conductive channels in an insulating matrix)。
上述实施例采用不同材料制成的自由磁性层31和固定磁性层33、第二固定磁性层34是 铁磁性的，而绝缘隧道势垒层32是非磁性的。
如图3所示，第二电极36与第二固定磁性层34电接触，第一一电极35与固定磁性层33电接触，两个电极35、36与控制电路连接，为磁性隧道结结构提供读取或者写入电流， 同时，第一电极35、第二电极36也将该磁性隧道结装置30与控制电路连接。
第一固定磁性层33和自由磁性层31的磁化方向垂直指向面外或第一固定磁性层33和自 由磁性层31的磁化方向平行于面内，见图3A所示；第二固定磁性层34和人工反铁磁装置 10的磁化方向垂直指向面外或第二固定磁性层34和人工反铁磁装置10的磁化方向平行于面 内。
第一电极35、第二电极36可以由一种导电材料组成，该导电材料选自但不限于Li、Mg、 Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、 Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、 Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种。在另一些实施例中， 导电层材料可以为碳系导电材料，所述碳系导电材料选自但不限于石墨类、碳纳米管、竹炭 等。
图4(a)、(b)展示出一种在电场作用下人工反铁磁装置10辅助自由磁性层31偏转的 磁性隧道结装置示意图。对人工反铁磁装置10施加电场作用后，人工反铁磁装置由反铁磁态 转变为铁磁态，使自由磁性层31的磁化方向发生一定角度的偏转，但是仅施加电场，无法使 自由磁性层完全翻转，即无法完成数据写入，此时通入电流穿过磁性隧道结，才使自由磁性 层完全翻转，完成数据的写入，即电场与电流的共同作用使自由磁性层翻转，完成数据写入， 如图5(a)、(b)所示。当电流I通过电极由自由磁性层31到固定磁性层33方向穿过磁性隧 道结，导致自由磁性层31的磁化方向与固定磁性层33的磁化方向相反，写入数据状态“0”。 当电流I通过电极由固定磁性层33到自由磁性层31方向穿过磁性隧道结，导致自由磁性层 31的磁化方向与固定磁性层33的磁化方向相同，写入数据状态“1”。
图6展示由磁性隧道结装置30、平行电极板以及控制电路组成的磁性随机存储装置，该 装置包括一个电场辅助控制的磁性隧道结器件，第一固定磁性层33和自由磁性层31的磁化 方向垂直指向面外；磁性隧道结器件还包括第二固定磁性层34和可以通过电场调控的人工反 铁磁装置10，人工反铁磁装置10位于第二固定磁性层34和自由磁性层31之间；人工反铁 磁装置可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
还包括在磁性隧道结器件的两端设有的一对可以产生电场的平行电极板35、36，并且在 平行电极板与固定磁性层之间设有一绝缘层；平行电极板通过外接电源产生电场，人工反铁 磁装置在电场作用下实现反铁磁态到铁磁态的转变。
装置可以由电场辅助控制自由磁性层31的翻转。平行电极板与外电路电压控制器37连 接。磁性隧道结装置30通过金属电极36与位线(Bit Line)连接，通过金属电极35与字线 (Word Line)以及晶体管38连接。在电流穿过磁性隧道结的同时，电压控制器37可以快速 为平行电极板提供电压，产生电场，使得电场和电流同时控制自由磁性层31的翻转，实现数 据的写入，同时达到减小写入电流的目的，从而减小功耗。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员 根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和 变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种人工反铁磁装置，其特征在于，包括：
第一层铁磁层、第二层铁磁层以及位于所述第一层铁磁层与第二层铁磁层之间的非磁性间隔层，所述第一层铁磁层、第二层铁磁层和非磁性间隔层构成第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构，所述堆叠结构即为人工反铁磁装置；
所述人工反铁磁装置处于反铁磁态，将人工反铁磁装置置于电场中，所述人工反铁磁装置实现反铁磁态到铁磁态的转变；去掉电场，所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态，即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
2.根据权利要求1所述的人工反铁磁装置，其特征在于，所述人工反铁磁装置的第一层铁磁层和第二层铁磁层的材料包括但不限于FeCoB、Co/Pt，非磁性间隔层的材料包括但不限于Ru，且Ru的厚度在0.1nm-10nm。
3.根据权利要求1所述的人工反铁磁装置，其特征在于，电场调控所需的电压在0.1V-15V范围内。
4.一种基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件，其特征在于，
包括一固定磁性层、一个自由磁性层和一个非磁性势垒层构成的磁性隧道结，非磁性势垒层位于第一固定磁性层和自由磁性层之间；
包括第二固定磁性层、人工反铁磁装置和磁性隧道结，以及第一电极和第二电极，所述人工反铁磁装置位于第二固定磁性层和自由磁性层之间；
还包括第一电极、第二电极，且第一电极和第二电极分别与第一固定磁性层和第二固定磁性层接触，使电流可以在磁性隧道结器件中导通。
5.根据权利要求4所述的基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件，其特征在于，
包括所述第一固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或所述固定磁性层和自由磁性层的磁化方向平行于面内；
包括所述第二固定磁性层和人工反铁磁装置的磁化方向垂直指向面外或所述第二固定磁性层和人工反铁磁装置的磁化方向平行于面内。
6.根据权利要求4所述的基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件，其特征在于，
所述自由磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述铁磁性或亚铁磁性金属及其合金选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合；
或所述自由磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co；
或所述自由磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种；
或所述自由磁性层由合成反铁磁材料制成，所述合成反铁磁材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件，其特征在于，
所述固定磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述固定磁性层选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合；
或所述固定磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co；
或所述固定磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种；
或所述固定磁性层由合成反铁磁材料制成，所述合成反铁磁材料制成的固定磁性层由铁磁层与间隔层组成，构成所述固定磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
8.根据权利要求4所述的基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件，其特征在于，
所述非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、Eu中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层选自但不限于SiC和陶瓷材料。
9.根据权利要求4所述的基于人工反铁磁装置的磁性隧道结器件，其特征在于：
所述电极材料选自但不限于下述金属或合金材料，Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种；
或所述电极材料为碳系导电材料，所述碳系导电材料选自但不限于石墨类、碳纳米管、或竹炭。
10.一种基于磁性隧道结器件的磁性随机存储装置，其特征在于，
包括一个电场辅助控制的磁性隧道结器件，所述磁性隧道结器件包括第一固定磁性层、一个自由磁性层和位于第一固定磁性层和自由磁性层之间的非磁性势垒层；所述第一固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
所述磁性隧道结器件还包括第二固定磁性层和可以通过电场调控的人工反铁磁装置，所述人工反铁磁装置位于第二固定磁性层和自由磁性层之间；所述人工反铁磁装置可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变；
还包括在磁性隧道结器件的两端设有的一对可以产生电场的平行电极板，并且在平行电极板与固定磁性层之间设有一绝缘层；所述平行电极板通过外接电源产生电场，人工反铁磁装置在电场作用下实现反铁磁态到铁磁态的转变。
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