CN109637569A - 一种磁性存储单元及其数据写入方法 - Google Patents

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CN109637569A CN201811403215.2A CN201811403215A CN109637569A CN 109637569 A CN109637569 A CN 109637569A CN 201811403215 A CN201811403215 A CN 201811403215A CN 109637569 A CN109637569 A CN 109637569A
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赵巍胜
朱道乾
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Abstract

本发明公开一种磁性存储单元及其数据写入方法，具有垂直磁各向异性的磁隧道结被制造在强自旋轨道耦合层上方，在强自旋轨道耦合层的四个端口处分别镀有电极。磁隧道结的表面被制成长短轴不相等的形状，磁隧道结的表面形状的长轴与强自旋轨道耦合层的纵轴既不互相重合，也不互相垂直，而是互相倾斜，倾斜夹角既不等于0度，也不等于90度，而是介于0度和90度之间。为利用自旋轨道矩实现数据写入操作，需在强自旋轨道耦合层施加电流，电流的路径可以沿着强自旋轨道耦合层的纵轴或横轴，共有两种选择。磁隧道结的最终电阻态只取决于所施加的电流的路径，与电流的正负方向无关。本发明所述的数据写入方法无需磁场，且具有高速和低功耗的优点。

Description

一种磁性存储单元及其数据写入方法
【技术领域】
本发明涉及一种磁性存储单元及其数据写入方法，属于非易失性存储和逻辑技术领域。
【背景技术】
当前基于传统半导体工艺的存储器和逻辑计算单元所面临的主要性能瓶颈包括两方面：首先，晶体管漏电流随着特征尺寸的缩小不断攀升，使静态功耗在系统总功耗中所占的比例日益增大；其次，在典型的计算体系架构中，各类存储器之间、存储器与逻辑计算单元之间的访问速度严重不匹配，极大地降低了数据处理带宽。新兴的磁性随机存取存储器(Magnetic random access memory,MRAM)兼具非易失性、低功耗、高速和几乎无限擦写等优势，有望成为下一代通用存储器，进而解决上述两大性能瓶颈。
在MRAM的发展历程中，其数据写入方式经历了多次技术进步，也成为了衡量MRAM性能的主要指标。在MRAM中，实现非易失性存储的关键器件是磁隧道结(Magnetic tunneljunction,MTJ)，它的核心结构包括两个铁磁层(分别称为自由层和钉扎层)及夹在其中的隧穿势垒层。其中，钉扎层的磁化方向固定不变，但自由层的磁化方向可以被设置为与钉扎层平行或反平行，进而导致磁隧道结呈现低电阻态或高电阻态，这是MRAM能够存储1比特数据的原理所在。因此，MRAM的数据写入操作通过设置自由层的磁化方向予以实现。
早期的MRAM采用磁场实现数据写入，但所需电流较高，而且无法随着磁隧道结尺寸的缩小而降低，因此应用前景有限。第二代MRAM采用电流诱导自旋转移矩(Spintransfer torque,STT)实现数据写入，解决了上述磁场写入方式所存在的弊端，但STT-MRAM的写入过程需要经历孵化延迟(Incubation delay)，严重制约写入速度，而且，写入电流与读取电流均直接经过磁隧道结，极易引起读取干扰(Read disturb)和势垒击穿(Barrier breakdown)等问题。STT-MRAM的这些缺点被近期提出的自旋轨道矩(Spin orbittorque,SOT)写入技术所解决，尤其是，对于目前普遍采用的具有垂直磁各向异性(Perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的磁隧道结而言，SOT-MRAM的写入速度有望达到亚纳秒级，是取代传统缓存的优良候选。但是，为利用SOT实现PMA-MTJ状态的确定性翻转，普遍需要施加额外的磁场以人为地破坏体系对称性。然而，磁场的使用将使MRAM电路的设计更加复杂化，引起额外的面积和功耗开销。因此，如何在无磁场条件下采用SOT实现PMA-MTJ状态的确定性翻转，是当前SOT-MRAM面临的主要难题之一。
【发明内容】
本发明的目的在于提出一种磁性存储单元及其数据写入方法，以针对上述背景中提到的现有PMA-SOT-MRAM“需要外加磁场才能实现确定性写入”这一弊端。本发明采用PMA-MTJ构建磁性存储单元，通过改变器件形状及布局来破坏体系对称性，因而无需磁场即可利用自旋轨道矩实现数据的确定性写入。此外，本发明所提出的数据写入方法能够简化MRAM电路的控制单元，并降低数据写入功耗。
本发明的技术方案是，一种磁性存储单元，该存储单元包括：强自旋轨道耦合层(具体为一个具有强自旋轨道耦合的材料层)、磁隧道结、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极。其中，磁隧道结被制造于强自旋轨道耦合层上方。第一电极、第二电极、第三电极和第四电极被制造于强自旋轨道耦合层的四个端口处。第五电极被制造于磁隧道结上方。
其中，强自旋轨道耦合层每相对端口处的两个电极形成一条轴线，因此共有两条轴线，分别称为强自旋轨道耦合层的纵轴与横轴，且纵轴与横轴互相垂直；所述的强自旋轨道耦合层可以沿上述的纵轴与横轴两条路径施加电流，沿这两条路径的电流均可产生自旋轨道矩。磁隧道结的表面被制成长短轴不相等的形状；磁隧道结的表面形状的长轴与强自旋轨道耦合层的纵轴既不互相重合，也不互相垂直，而是互相倾斜，倾斜夹角既不等于0度，也不等于90度，而是介于0度和90度之间。
其中，作为优选，强自旋轨道耦合层为重金属或反铁磁材料或拓扑绝缘体材料；所述的重金属包括铂Pt、钽Ta、钨W；所述的反铁磁材料包括化合物铱锰IrMn、铂锰PtMn；所述的拓扑绝缘体材料包括化合物铋硒BiSe、铋锑BiSb；上述化合物中各个元素的配比含量可以不同。
其中，强自旋轨道耦合层的厚度为0～20nm。
其中，强自旋轨道耦合层的顶面积大于磁隧道结的底面积。
其中，作为优选，第一电极、第二电极、第三电极和第四电极的厚度与强自旋轨道耦合层的厚度相同。第五电极的厚度为10～200nm。
其中，所述的磁隧道结至少由四层物质构成，包括第一铁磁金属、氧化物、第二铁磁金属和合成反铁磁层。
其中，所述磁隧道结至少具有两种电阻状态，其电阻值取决于第一铁磁金属和第二铁磁金属的磁化方向。
其中，第二铁磁金属的磁化方向固定不变，第一铁磁金属的磁化方向能够通过写入操作被改变。
其中，所述磁隧道结具有垂直磁各向异性，即，在稳定状态下，第一铁磁金属和第二铁磁金属的磁化方向均沿垂直方向。
其中，所述磁隧道结的表面被制成长短轴不相等的形状，例如，椭圆形、矩形或菱形。
本发明所述的一种磁性存储单元的数据写入方法，通过在强自旋轨道耦合层施加电流产生自旋轨道矩而实现。该电流的路径可以沿着强自旋轨道耦合层的纵轴或横轴，共有两种选择。磁隧道结的最终电阻态只取决于电流的路径，与电流的正负方向无关。即，在执行数据写入操作时，如果沿着强自旋轨道耦合层的纵轴施加电流从而将磁隧道结写为低电阻态，则沿着强自旋轨道耦合层的横轴施加电流将磁隧道结写为高电阻态，或者反之亦可。
本发明所述的一种磁性存储单元的数据写入方法，数据写入所需的电流的方向可以设置为固定不变。
本发明所述的一种磁性存储单元的数据写入方法，数据写入操作过程中无需外加磁场。
本发明所述的一种磁性存储单元的数据读取方法，通过判断磁隧道结的电阻状态予以实现。不失一般性，举例如下：若磁隧道结处于高电阻态，则所存储的数据被判断为‘0’；若磁隧道结处于低电阻态，则所存储的数据被判断为‘1’。或者反之亦然。
本发明提出了一种磁性存储单元及其数据写入方法，相比于标准的STT-MRAM和SOT-MRAM，有以下优势：
本发明所述的磁性存储单元及其数据写入方法，能够在无需磁场的条件下采用电流产生自旋轨道矩实现垂直磁隧道结的状态写入，有利于MRAM电路结构的简化及其集成度的提高。而且，理论证明其写入速度可达亚纳秒级，有利于提高MRAM的数据处理带宽并降低功耗。
本发明所述的磁性存储单元及其数据写入方法，其所需的电流的方向可设置为固定不变，访问控制晶体管不会遭受源极退化效应(Source degeneration)，而在传统的STT-MRAM或SOT-MRAM中，数据写入操作所需的电流均是双向的，访问控制晶体管遭受严重的源极退化效应。
本发明所述的磁性存储单元及其数据写入方法，待写入的数据值只取决于电流的路径，与电流方向无关，有利于简化电路的控制模块。而且，本发明提出的“根据电流路径决定待写入数据值”的这一独特写入方式，为MRAM或磁性逻辑单元的设计提供新的思路。
【附图说明】
图1为本发明一种磁性存储单元结构示意图，其中，图1A～图1B以椭圆形磁隧道结为例，图1A为立体示意图，图1B为沿z轴的俯视图。图1C～图1D以矩形磁隧道结为例，图1C为立体示意图，图1D为沿z轴的俯视图。
图2为本发明一种磁性存储单元的数据写入方法原理图。其中图2A和图2C描述了将自由层磁化向量翻转至垂直向上方向的过程，图2B和图2D描述了使自由层磁化向量停留在垂直向下方向的过程。
图3为本发明一种磁性存储单元的数据写入操作示意图，其中图3A～图3B、图3C～图3D、图3E～图3F、图3G～图3H分别对应一种可供选择的实施例，共计四种实施例。其中图3A、图3C、图3E和图3G为立体示意图，图3B、图3D、图3F和图3H为沿z轴的俯视图。
图4为图3A～图3B实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻变化示意图。其中，图4A和图4B分别对应磁隧道结初始状态为低电阻态或高电阻态的情形。
图5为图3C～图3D实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻变化示意图。其中，图5A和图5B分别对应磁隧道结初始状态为低电阻态或高电阻态的情形。
图6为图3E～图3F实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻变化示意图。其中，图6A和图6B分别对应磁隧道结初始状态为低电阻态或高电阻态的情形。
图7为图3G～图3H实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻变化示意图。其中，图7A和图7B分别对应磁隧道结初始状态为低电阻态或高电阻态的情形。
图1～7中的参数定义为：
x,y,z 三维直角坐标系对应的三个坐标轴，定义z轴为垂直方向，即，本发明中磁隧道结的各向异性轴沿z轴方向
1 强自旋轨道耦合层
2 第一铁磁金属
3 氧化物
4 第二铁磁金属
5 合成反铁磁层
6 磁隧道结
7 第一电极
8 第二电极
9 第三电极
10 第四电极
11 第五电极
12 第一电极与第三电极之间的电流路径所在轴线，不失一般性，将其定为强自旋轨道耦合层的纵轴
13 第二电极与第四电极之间的电流路径所在轴线，由于上文已经将12定为强自旋轨道耦合层的纵轴，则此处将13定为强自旋轨道耦合层的横轴
14 磁隧道结表面形状的长轴所在轴线
15 磁隧道结表面形状的短轴所在轴线
16 从第一电极流向第三电极的电流
17 由电流16所引起的在强自旋轨道耦合层的上表面的自旋累积的极化矢量
18 从第四电极流向第二电极的电流
19 由电流18所引起的在强自旋轨道耦合层的上表面的自旋累积的极化矢量
20 从第三电极流向第一电极的电流
21 从第二电极流向第四电极的电流
t 时间
ti 时刻，其中i＝1，2，3，4
R 磁隧道结的电阻值
RH 磁隧道结处于高电阻态时的电阻值
RL 磁隧道结处于低电阻态时的电阻值
I16 从第一电极流向第三电极的电流值
IC1 当沿第一电极与第三电极之间的路径施加电流时，为完成数据写入操作所需的临界电流值
DW1 当沿第一电极与第三电极之间的路径施加电流时，为完成数据写入操作所需的时间延迟
I18 从第四电极流向第二电极的电流值
IC2 当沿第二电极与第四电极之间的路径施加电流时，为完成数据写入操作所需的临界电流值
DW2 当沿第二电极与第四电极之间的路径施加电流时，为完成数据写入操作所需的时间延迟
I20 从第三电极流向第一电极的电流值
I21 从第二电极流向第四电极的电流值
【具体实施方式】
参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸，工作模式中的电阻值、电流值和时间延迟值也非实际值。
在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本发明提出了一种磁性存储单元及其数据写入方法，既可以用于构建磁性随机存取存储器，也可以用于设计磁性逻辑电路。
图1为本发明一种磁性存储单元结构示意图，其中，图1A～图1B以椭圆形磁隧道结为例，图1A为立体示意图，图1B为沿z轴的俯视图。图1C～图1D以矩形磁隧道结为例，图1C为立体示意图，图1D为沿z轴的俯视图。
本发明一种磁性存储单元，包括强自旋轨道耦合层1、磁隧道结6、第一电极7、第二电极8、第三电极9、第四电极10和第五电极11。磁隧道结6被制造于强自旋轨道耦合层1的上方。第一电极7、第二电极8、第三电极9和第四电极10被制造于强自旋轨道耦合层1的四个端口处。第五电极11被制造于磁隧道结6的上方。
磁隧道结6至少由四层物质构成，包括第一铁磁金属2、氧化物3、第二铁磁金属4和合成反铁磁层5。
磁隧道结6至少具有两种电阻状态，其电阻值取决于第一铁磁金属2和第二铁磁金属4的磁化方向。如果第一铁磁金属2与第二铁磁金属4的磁化方向一致，则磁隧道结6的电阻值较小，称此时的磁隧道结6处于低电阻态。反之，若二者方向相反，则磁隧道结6的电阻值较大，磁隧道结6处于高电阻态。
作为优选，第二铁磁金属4的磁化方向固定不变，第一铁磁金属2的磁化方向能够通过写入操作被改变。
磁隧道结6具有垂直磁各向异性，即，在稳定状态下，第一铁磁金属2和第二铁磁金属4的磁化方向均沿垂直方向(即z轴方向)。
磁隧道结6的表面被制成长短轴不相等的形状，例如，椭圆形、矩形或菱形。图1以椭圆形和矩形为例。
强自旋轨道耦合层1可以沿两条路径被施加电流，一条路径沿着强自旋轨道耦合层1相对端口处的两个电极即第一电极7与第三电极9所形成的轴线12，另一条路径沿着第二电极8与第四电极10所形成的轴线13，不失一般性，将轴线12定为强自旋轨道耦合层1的纵轴，则将轴线13定为强自旋轨道耦合层1的横轴，纵轴12与横轴13互相垂直。沿这两条路径的电流均可产生自旋轨道矩。
磁隧道结6的表面形状的长轴14与强自旋轨道耦合层1的纵轴12既不互相重合，也不互相垂直，而是互相倾斜，倾斜夹角既不等于0度，也不等于90度，而是介于0度和90度之间。
本发明所使用的器件是通过采用传统的分子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺制备而成。
本发明所使用的器件制造流程通过传统的半导体生产后端工艺集成。
作为优选，强自旋轨道耦合层1的厚度为0～20nm。
作为优选，强自旋轨道耦合层1的顶面积大于磁隧道结6的底面积，磁隧道结6的底面形状完全内嵌于强自旋轨道耦合层1的顶面形状之中。
作为优选，第一铁磁金属2的厚度为0～3nm，氧化物3的厚度为0～2nm，第二铁磁金属4的厚度为0～3nm，合成反铁磁层5的厚度为0～20nm，第一电极7、第二电极8、第三电极9和第四电极10的厚度与强自旋轨道耦合层1的厚度相同，第五电极11的厚度为10～200nm。
作为优选，所述强自旋轨道耦合层1为重金属或反铁磁材料或拓扑绝缘体材料；所述的重金属包括铂Pt、钽Ta、钨W；所述的反铁磁材料包括化合物铱锰IrMn、铂锰PtMn；所述的拓扑绝缘体材料包括化合物铋硒BiSe、铋锑BiSb；上述化合物中各个元素的配比含量可以不同。
作为优选，所述第一电极7、第二电极8、第三电极9、第四电极10和第五电极11均可为钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。
作为优选，所述第一铁磁金属2是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同。
作为优选，所述氧化物3是指氧化镁MgO或氧化铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。
作为优选，所述第二铁磁金属4是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素的配比含量可以不同。
作为优选，所述合成反铁磁层5，是指如下混合层中的一种：由钽Ta/钴铂多层膜[Co/Pt]n/钌Ru/钴铂多层膜[Co/Pt]m构成的混合层，或者由钽Ta/钴钯多层膜[Co/Pd]n/钌Ru/钴钯多层膜[Co/Pd]m构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铂锰PtMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁CoFe/铱锰IrMn构成的混合层，或者由钌Ru/钴铁硼CoFeB/铱锰IrMn构成的混合层；即Ta/[Co/Pt]n/Ru/[Co/Pt]m，或Ta/[Co/Pd]n/Ru/[Co/Pd]m，或Ru/CoFe/PtMn，或Ru/CoFeB/PtMn，或Ru/CoFe/IrMn，或Ru/CoFeB/IrMn，其中混合金属材料或化合物中各个元素的配比含量可以不同，层数m和n的值可以不同。
图2为本发明一种磁性存储单元的数据写入方法原理图，此处以椭圆形磁隧道结为例。应当强调的是，图2所阐述的原理同样适用于其他具有不相等长短轴形状的磁隧道结，例如矩形磁隧道结或菱形磁隧道结。磁性存储单元的数据写入过程，其本质是第一铁磁金属2的磁化状态翻转过程，这是图2着重分析的内容。不失一般性，此处假设初始状态时的第一铁磁金属2的磁化方向沿垂直向下，即-z轴方向。图2A和图2B均为器件沿z轴的俯视图。
在图2A中，沿强自旋轨道耦合层1的纵轴12(即y轴)，从第一电极7到第三电极9施加电流16，则该电流经过强自旋轨道耦合层1，在其上表面产生沿矢量17方向(即-x轴方向)极化的自旋累积，进而诱导自旋轨道矩作用于第一铁磁金属2。另一方面，由于磁隧道结6的表面形状被制成长短轴不相等的椭圆形，因此在x-y平面还会产生形状各向异性场。由于椭圆的长轴14与自旋累积的极化矢量17呈一定夹角，因此体系的对称性被打破，第一铁磁金属2的磁化状态能够在无需外加磁场的条件下被确定性地翻转。当电流16大于IC1，且电流16的持续时间大于DW1时，在自旋轨道矩和形状各向异性场的共同作用下，第一铁磁金属2的磁化方向能够被翻转至垂直向上，即+z轴方向。
图2C展示了第一铁磁金属2的归一化磁化向量运动轨迹示意图，对应于图2A所示的情形。由图2C可见，磁化向量被从-z方向翻转至+z方向。
在图2B中，沿强自旋轨道耦合层1的横轴13(即x轴)，从第四电极10到第二电极8施加电流18，则该电流经过强自旋轨道耦合层1，在其上表面产生沿矢量19方向(即-y轴方向)极化的自旋累积，进而诱导自旋轨道矩作用于第一铁磁金属2。另一方面，由于磁隧道结6的表面形状被制成长短轴不相等的椭圆形，因此在x-y平面还会产生形状各向异性场。由于椭圆的长轴14与自旋累积的极化矢量19呈一定夹角，因此体系的对称性被打破，第一铁磁金属2的磁化状态能够在无需外加磁场的条件下被确定性地翻转。应当强调的是，此时自旋轨道矩与形状各向异性场之间的相互关系，与图2A所示情形相反，因此，第一铁磁金属2的最终磁化方向也与图2A所示情形相反，即，磁化方向最终将停留在初始状态时的垂直向下，即-z轴方向。
图2D展示了第一铁磁金属2的归一化磁化向量运动轨迹示意图，对应于图2B所示的情形。由图2D可见，磁化向量在初始状态下沿-z方向，最终仍停留在-z方向。
应当理解的是，由自旋轨道矩的对称性可知：在图2A中，若将电流16的方向颠倒，即，改为从第三电极9流向第一电极7，则第一铁磁金属2的磁化方向仍然被翻转为垂直向上，即+z轴方向；在图2B中，若将电流18的方向颠倒，即，改为从第二电极8流向第四电极10，则第一铁磁金属2的磁化方向仍然停留在垂直向下，即-z轴方向。因此，第一铁磁金属2的最终磁化方向只取决于所施加的电流的路径，与电流的正负方向无关。
综上所述，本发明一种磁性存储单元的数据写入方法，根据待写入的磁隧道结电阻态选择所施加的电流的路径。当电流的路径被确定之后，磁隧道结的最终电阻态即被确定，每条电流路径上的电流的正负方向可被任选其一。换言之，在实际应用中，每条电流路径上的电流方向可设置为固定不变。此外，本发明一种磁性存储单元的数据写入方法，数据写入操作过程中无需外加磁场。
图3为本发明一种磁性存储单元的数据写入操作示意图，此处以椭圆形磁隧道结为例。应当强调的是，图3所描述的实施例同样适用于其他具有不相等长短轴形状的磁隧道结，例如矩形磁隧道结或菱形磁隧道结。其中，图3A～图3B、图3C～图3D、图3E～图3F、图3G～图3H分别对应一种可供选择的实施例，共计四种实施例。其中图3A、图3C、图3E和图3G为立体示意图，图3B、图3D、图3F和图3H为沿z轴的俯视图。在任意一种实施例中，数据写入操作通过在强自旋轨道耦合层1沿特定路径施加电流予以实现。下文将结合图4～图7，说明数据写入操作的具体过程。在下文中，不失一般性，对电流路径与待写入数据状态之间的关系做如下设定：
设定一：如果沿强自旋轨道耦合层1的纵轴12这条路径所施加的电流值大于IC1，且电流持续时间大于DW1，则将磁隧道结6置为低电阻态；如果沿强自旋轨道耦合层1的横轴13这条路径所施加的电流值大于IC2，且电流持续时间大于DW2，则将磁隧道结6置为高电阻态。其中IC1、IC2、DW1和DW2的意义详见上文附图说明。
图4为图3A～图3B实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻变化示意图。在图4A中，磁隧道结6在初始时刻处于低电阻态。从初始时刻至t1，没有电流被施加于器件，磁隧道结6仍旧保持在低电阻态。从时刻t1至t2，电流16被施加，从而产生自旋轨道矩，电流16的值I16小于所需的临界写入电流值IC1，磁隧道结6的电阻发生微小的变化。从时刻t2至t3，电流16被撤除，磁隧道结6恢复至低电阻态。从时刻t3至t4，电流16再次被施加，产生自旋轨道矩，此时电流16的值I16大于所需的临界写入电流值IC1，尽管如此，磁隧道结6仍不会被翻转至高电阻态(因为，根据“设定一”，该路径上的电流将促使磁隧道结6被翻转至低电阻态)，因此磁隧道结6的电阻仍在低电阻值RL附近发生微小的变化。在时刻t4，电流16被撤除，磁隧道结6恢复至低电阻态。
在图4B中，磁隧道结6在初始时刻处于高电阻态。从初始时刻至t1，没有电流被施加于器件，磁隧道结6仍旧保持在高电阻态。从时刻t1至t2，电流16被施加，从而产生自旋轨道矩，电流16的值I16小于所需的临界写入电流值IC1，磁隧道结6的电阻发生微小的变化。从时刻t2至t3，电流16被撤除，磁隧道结6恢复至高电阻态。从时刻t3至t4，电流16再次被施加，产生自旋轨道矩，此时电流16的值I16大于所需的临界写入电流值IC1，磁隧道结6从高电阻态逐渐向低电阻态转变(因为，根据“设定一”，该路径上的电流将促使磁隧道结6被翻转至低电阻态)，由于电流16的持续时间大于所需的写入时间延迟DW1，因此磁隧道结6的电阻达到低电阻值RL附近。在时刻t4，电流16被撤除，磁隧道结6逐渐达到彻底的低电阻态。
综上可知，当电流16被施加于器件，不论磁隧道结6在初始时刻处于何种状态，只要电流16的值I16大于所需的临界写入电流值IC1，且电流16的持续时间大于所需的写入时间延迟DW1，则磁隧道结6最终都将被置为低电阻态。
图5为图3C～图3D实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻变化示意图。在图5A中，磁隧道结6在初始时刻处于低电阻态。从初始时刻至t1，没有电流被施加于器件，磁隧道结6仍旧保持在低电阻态。从时刻t1至t2，电流18被施加，从而产生自旋轨道矩，电流18的值I18小于所需的临界写入电流值IC2，磁隧道结6的电阻发生微小的变化。从时刻t2至t3，电流18被撤除，磁隧道结6恢复至低电阻态。从时刻t3至t4，电流18再次被施加，产生自旋轨道矩，此时电流18的值I18大于所需的临界写入电流值IC2，磁隧道结6从低电阻态逐渐向高电阻态转变(因为，根据“设定一”，该路径上的电流将促使磁隧道结6被翻转至高电阻态)，由于电流18的持续时间大于所需的写入时间延迟DW2，磁隧道结6的电阻达到低电阻值RH附近。在时刻t4，电流18被撤除，磁隧道结6逐渐达到彻底的高电阻态。
在图5B中，磁隧道结6在初始时刻处于高电阻态。从初始时刻至t1，没有电流被施加于器件，磁隧道结6仍旧保持在高电阻态。从时刻t1至t2，电流18被施加，从而产生自旋轨道矩，电流18的值I18小于所需的临界写入电流值IC2，磁隧道结6的电阻发生微小的变化。从时刻t2至t3，电流18被撤除，磁隧道结6恢复至高电阻态。从时刻t3至t4，电流18再次被施加，产生自旋轨道矩，此时电流18的值I18大于所需的临界写入电流值IC2，尽管如此，磁隧道结6仍不会被翻转至低电阻态(因为，根据“设定一”，该路径上的电流将促使磁隧道结6被翻转至高电阻态)，因此磁隧道结6的电阻仍在高电阻值RH附近发生微小的变化。在时刻t4，电流18被撤除，磁隧道结6恢复至高电阻态。
综上可知，当电流18被施加于器件，不论磁隧道结6在初始时刻处于何种状态，只要电流18的值I18大于所需的临界写入电流值IC2，且电流18的持续时间大于所需的写入时间延迟DW2，则磁隧道结6最终都将被置为高电阻态。
图6为图3E～图3F实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻变化示意图。在该实施例中，所施加的电流20与图3A～图3B所示实施例中的电流16大小相同，方向相反，在同一路径。根据图2所述的分析，电流20与电流16将实现完全相同的数据写入操作结果，因此图6与图4的结果图完全相同，在此不再赘述。
图7为图3G～图3H实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻变化示意图。在该实施例中，所施加的电流21与图3C～图3D所示实施例中的电流18大小相同，方向相反，在同一路径。根据图2所述的分析，电流21与电流18将实现完全相同的数据写入操作结果，因此图7与图5的结果图完全相同，在此不再赘述。

Claims (11)

1.一种磁性存储单元，其特征在于：该存储单元包括：强自旋轨道耦合层、磁隧道结、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极；其中，磁隧道结被制造于强自旋轨道耦合层上方；第一电极、第二电极、第三电极和第四电极被制造于强自旋轨道耦合层的四个端口处；第五电极被制造于磁隧道结上方；
其中，强自旋轨道耦合层每相对端口处的两个电极形成一条轴线，因此共有两条轴线，分别称为强自旋轨道耦合层的纵轴与横轴，且纵轴与横轴互相垂直；磁隧道结的表面被制成长短轴不相等的形状；磁隧道结的表面形状的长轴与强自旋轨道耦合层的纵轴既不互相重合，也不互相垂直，而是互相倾斜，倾斜夹角介于0度和90度之间。
2.根据权利要求1所述的一种磁性存储单元，其特征在于：所述的强自旋轨道耦合层为重金属或反铁磁材料或拓扑绝缘体材料。
3.根据权利要求2所述的一种磁性存储单元，其特征在于：所述的重金属包括铂Pt、钽Ta、钨W；所述的反铁磁材料包括化合物铱锰IrMn、铂锰PtMn；所述的拓扑绝缘体材料包括化合物铋硒BiSe、铋锑BiSb；上述化合物中各个元素的配比含量可以不同。
4.根据权利要求1所述的一种磁性存储单元，其特征在于：所述强自旋轨道耦合层的顶面积大于磁隧道结的底面积。
5.根据权利要求1所述的一种磁性存储单元，其特征在于：所述的磁隧道结至少由四层物质构成，包括第一铁磁金属、氧化物、第二铁磁金属和合成反铁磁层。
6.根据权利要求1所述的一种磁性存储单元，其特征在于：所述磁隧道结至少具有两种电阻状态，其电阻值取决于第一铁磁金属和第二铁磁金属的磁化方向。
7.根据权利要求6所述的一种磁性存储单元，其特征在于：所述第二铁磁金属的磁化方向固定不变，第一铁磁金属的磁化方向能够通过写入操作被改变。
8.根据权利要求1所述的一种磁性存储单元，其特征在于：所述磁隧道结具有垂直磁各向异性，即，在稳定状态下，第一铁磁金属和第二铁磁金属的磁化方向均沿垂直方向。
9.一种磁性存储单元的数据写入方法，其特征在于：通过在强自旋轨道耦合层施加电流产生自旋轨道矩而实现，该电流的路径可以沿着强自旋轨道耦合层的纵轴或横轴，共有两种选择；磁隧道结的最终电阻态只取决于电流的路径，与电流的正负方向无关，即，在执行数据写入操作时，如果沿着强自旋轨道耦合层的纵轴施加电流从而将磁隧道结写为低电阻态，则沿着强自旋轨道耦合层的横轴施加电流将磁隧道结写为高电阻态，或者反之亦可。
10.根据权利要求9所述的一种磁性存储单元的数据写入方法，其特征在于：数据写入所需的电流的方向可以设置为固定不变。
11.根据权利要求9所述的一种磁性存储单元的数据写入方法，其特征在于：所述的一种磁性存储单元的数据写入方法，数据写入操作过程中无需外加磁场。
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