CN110112287B - 一种基于多铁异质结交换偏置效应的电写磁读存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，更具体地，涉及一种基于多铁异质结交换偏置效应的电写磁读存储器。其自下而上依次包括铁电单晶衬底、底电极、多铁层、磁性固定层、磁性绝缘层和磁性自由层，巧妙地将具有自旋阀效应和具有交换偏置效应的器件结构整合在一起，同时两种结构中的磁性固定层为共用结构层，该磁性固定层与多铁层构成多铁/铁磁性异质结功能层，发挥主要钉扎功能，还与磁性绝缘层和磁性自由层构成自旋阀结构，实现高低阻态的变化。其中电控异质结结构中由于交换偏置效应和磁电耦合效应存在，通过对底顶电极施加方向相反的电场后，会得到两层铁磁层的高阻态，低阻态两种状态，可以运用于非易失、及低功耗的电控磁存储器件。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，更具体地，涉及一种基于多铁异质结交换偏置效应的电写磁读存储器。
背景技术
随着信息技术的高速发展，对信息存储技术提出了越来越高的要求。对具有高的存储密度、低的读写能耗、高的读写速度的高性能存储设备的研发，已经成为当前科研前沿和信息技术中最活跃的领域之一。在传统的信息记录方式中，磁记录以其易于读取的优势,成为现代信息存储技术的主流，而基于磁电耦合效应与交换偏置效应的高密度低功耗存储器受到了全世界研究者的青睐。
交换偏置效应是指铁磁/反铁磁体系在外磁场中从高于反铁磁材料的奈尔温度冷却到低温时，铁磁层材料的磁滞回线沿磁场轴偏移原点，同时伴随矫顽力增加的现象。自旋阀效应是指由于交换偏置效应的存在，在外磁场作用下，两层铁磁层不会同时转向，因而出现了两种阻态的现象。如果反铁磁层与铁磁层间的交换偏置效应可以通过电场调控，就可能实现电写磁读存储。
2008年Bibes在Nature Materials上提出了基于多铁异质结交换偏置耦合效应的电写磁读存储器，认为电写磁读存储器用电压写入信息方式可能取代目前磁随机存储器的电流写入方式，可极大减少写入能量，是下一代超低功耗存储技术领域重要研究方向。也同时提出了具有铁电性、反铁磁性和磁电耦合效应等多种性能的BiFeO3被认为是未来实现室温下电控磁自旋电子器件的关键材料。
加州大学伯克利分校的Chu等人在BiFeO3/CoFe异质结中通过电场实现了对局域磁性的可逆控制，但是还不能通过宏观磁滞回线观察到的整体磁性可逆控制。Wu等人将BiFeO3和La0.7Sr0.3MnO3耦合形成了一个交换偏置异质结，整体的等温电控可逆交换偏置可以在150K以下实现[3]。虽然BiFeO3的Néel温度较高，但是作者提出结构的交换偏置截止温度在150K，仍然不能满足室温应用。
中国专利文献CN 107293641A提出了一种以BiFeO3作为铁电层，Co纳米点阵作为铁磁层的电控磁型存储器，做到了电场对部分磁矩的控制，但没有实现通过宏观磁滞回线观察到的整体磁性可逆控制。
中国专利文献CN105679931B提出了一种基于Si/SiO2/CoFe2O4异质结的电控磁型存储器，实现了外部电场对内部磁阻的控制，但是要在磁场和电场的共同作用下才能实现。
到目前为止，大部分多铁异质结构仅能实现电场对磁矩大小的调控，对磁矩方向的调控多需要磁场的辅助而且大多电控磁性是易失的，且没有任何国内技术专利实现了室温下的电控交换偏置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多铁异质结交换偏置效应的电写磁读存储器，其通过在产生自旋阀效应的器件结构和产生交换偏置效应的器件结构之间共用其中的磁性固定层，利用磁性固定层受多铁层影响导致的磁矩变化与磁性自由层磁矩不变，从而实现了高低阻态的变化。由此解决现有技术的多铁异质结构仅能实现电场对磁矩大小的调控，对磁矩方向的调控多需要磁场的辅助的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多铁异质交换偏置效应的电写磁读存储器，自下而上包括：
铁电单晶衬底；
设置在所述铁电单晶衬底表面的底电极层；
设置在所述底电极层表面的多铁层；
设置在所述多铁层表面的磁性固定层；
设置在所述磁性固定层表面的磁性绝缘层以及
设置在所述磁性绝缘层上的磁性自由层。
优选地，所述底电极层采用的材料为Pt或SrRuO3。
优选地，所述底电极层采用的材料为SrRuO3，所述底电极层表面还设置有引线层。
优选地，所述底电极层和所述多铁层之间还设置有掺杂多铁层；所述掺杂多铁层的厚度为20-30nm。
优选地，所述掺杂多铁层采用的材料为钛掺杂的BiFeO3。
优选地，所述多铁层同时具有铁电性与反铁磁性。
优选地，所述多铁层采用的材料为铁酸铋；所述多铁层的厚度为30-50nm。
优选地，所述磁性绝缘层采用的材料为非磁性材料，用于隔离所述磁性固定层和所述磁性自由层之间的磁相互作用。
优选地，所述磁性固定层采用的材料为MFe2O4，优选为铁酸钴或铁酸镍；磁性固定层的厚度为5-15nm。
优选地，所述磁性自由层采用的材料为MFe2O4，其为铁酸钴或铁酸镍；磁性自由层的厚度为5-15nm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种基于多铁异质结交换偏置效应的电写磁读存储器器件自下而上依次包括铁电单晶衬底、底电极、多铁层、磁性固定层、磁性绝缘层和磁性自由层，巧妙地将具有自旋阀效应和具有交换偏置效应的器件结构整合在一起，同时两种结构中的磁性固定层为共用结构层，该磁性固定层与多铁层构成多铁/铁磁性异质结功能层，发挥主要钉扎功能，还与磁性绝缘层和磁性自由层构成自旋阀结构。
(2)本发明提供的基于多铁异质结交换偏置效应的电写磁读存储器器件中多铁层同时具有铁电性与反铁磁性，且由于电磁耦合效应影响，内部磁矩会随着外加电压变化而改变，所述磁性固定层由于受交换偏置效应影响，磁矩会随着其覆盖的多铁层磁矩变化而变化，不仅能够实现电场对磁矩大小的调控，对磁矩方向的调控还不需要磁场的辅助。
(3)本发明电写磁读存储器中磁性自由层由于与磁性固定层被磁性绝缘层隔开，内部磁矩不会随多铁层磁矩变化而变化。即当对多铁/磁性固定层异质结施加外加电场时，磁性固定层内部磁矩发生转变，而磁性自由层内部磁矩没有发生转变，此时由巨磁阻效应得两铁磁层电阻呈现为高阻态，外加电场反向时，此时两铁磁层电阻呈现为低阻态。
(4)本发明提供的电写磁读存储器中包含的电控磁异质结结构，该电控异质结结构中由于交换偏置效应和磁电耦合效应存在，通过对底顶电极施加方向相反的电场后，会得到两层铁磁层的高阻态，低阻态两种状态，可以运用于低功耗的电控磁存储器件。
(5)本发明提供的电写磁读存储器由于采用MFe2O4材料作为磁性固定层，其居里温度和BiFeO3的尼尔温度相近，绝缘性能好、磁致伸缩系数大，室温下具有优良的铁磁性，配合BiFeO3多铁层，决定了本发明提出的器件结构的交换偏置截止温度在300K以上，能够满足室温应用。
附图说明
图1是本发明提供的电写磁读存储器示意图；
图2本发明提供的电写磁读存储器中电阻随电压变化曲线示意图；
图3本发明提供的电写磁读存储器施加电压前各层磁畴示意图；
图4本发明提供的电写磁读存储器施加电压后各层磁畴示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-铁电单晶衬底，2-底电极，3-掺杂多铁层，4-多铁层，5-磁性固定层，6-磁性绝缘层，7-磁性自由层，8-引线层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种基于多铁异质交换偏置效应的电写磁读存储器，自下而上包括：
铁电单晶衬底；
设置在所述铁电单晶衬底表面的底电极层；
设置在所述底电极层表面的多铁层；
设置在所述多铁层表面的磁性固定层；
设置在所述磁性固定层表面的磁性绝缘层以及
设置在所述磁性绝缘层上的磁性自由层。
本发明采用的铁电单晶衬底为适合铁电材料生长的单晶衬底，可以为常规铁电单晶衬底，一些优选的衬底材料为SrTiO3。
一些实施例中，所述底电极层与所述单晶衬底面积相同；所述多铁层面积小于所述底电极层。
一些实施例中，底电极为Pt电极或SrRuO3电极，底电极为Pt电极时，其厚度一般为150-300nm；底电极为SrRuO3电极时，其厚度一般为20-30nm。
本发明所述多铁层，也可称之为多铁型固定层，该多铁层的设置一方面降低了存储器整体漏电流，另一方面也同时与磁性固定层构成多铁/铁磁性异质结功能层，发挥主要钉扎功能。该多铁型固定层面积小于底电极层，以露出底电极。
本发明所述的多铁层同时具有铁电性与反铁磁性，所述多铁层优选采用的材料为铁酸铋(BiFeO3)。
本发明多铁层用于与磁性固定层之间产生交换偏置效应，一些实施例中，多铁层的厚度为30-50nm。为了产生室温交换偏置效应，磁性固定层的材料起到决定性作用，一些实施例中，磁性固定层采用的材料为MFe2O4，优选为铁酸钴或铁酸镍。实验证明，采用铁酸钴或铁酸镍作为磁性固定层材料，其能够实现室温交换偏置效应。
本发明磁性固定层材料和多铁层构成异质结应有较高截止温度和较大交换偏置效应，一些实施例中，所述磁性固定层和磁性自由层均采用MFe2O4铁磁层，具体可采用NiFe2O4或CoFe2O4。磁性固定层的厚度为5-15nm，磁性自由层的厚度为5-15nm。
本发明的磁性固定层可以导电，可以作为顶电极存在。
本发明采用的磁性绝缘层用于绝缘磁性，其材料可以为任意非磁性材料，作用是隔离上下铁磁层之间的磁相互作用，一些实施例中，采用的磁性绝缘层材料为Cu，其在自旋阀结构中，用于隔离磁性固定层和磁性自由层之间的磁相互作用。
为了减小器件漏电流，一些实施例中，所述底电极层和所述多铁层之间还设置有掺杂多铁层。
考虑到减小漏电流对器件的影响，一些实施例中，掺杂多铁层为Ti掺杂BiFeO3多铁层。掺杂多铁层的厚度一般为20-30nm。
一些优选实施例中，本发明的电写磁读存储器中多铁层材料为铁酸铋，衬底层材料为SrTiO3，为了便于多铁层铁酸铋在底电极上的生长制备，底电极与单晶衬底需具有很高的晶格匹配度，此时底电极材料优选为SrRuO3。
一些实施例中，当底电极层采用SrRuO3时，考虑到其不方便引线，在该底电极层表面还设置有引线层。一些实施例中，该引线层为Au电极层。但是对于底电极层为Pt电极时，此时可不设置引线层。
本发明所述的电写磁读存储器可以通过采用常规的薄膜沉积、图案加工制备工艺逐层制备得到，比如可以通过脉冲激光沉积法在衬底上制备底电极层和多铁层；通过磁控溅射法在多铁层上依次制备磁性固定层、磁性绝缘层以及磁性自由层。采用光刻与Ar离子刻蚀法制备器件图案。采用蒸镀、光刻与剥离法制备最终器件。
以下为实施例：
实施例1
一个优选实施例中，本发明提供的一种电写磁读存储器，其结构如图1所示，自下而上包括铁电单晶衬底1，底电极2，掺杂多铁层3，多铁层4，磁性固定层5，磁性绝缘层6，磁性自由层7，引线层8。
其中，单晶衬底1为考虑到多铁层薄膜的制备，所述铁电单晶衬底1为SrTiO3衬底，一般可在材料公司购买。
考虑薄膜制备时衬底与薄膜的晶格匹配问题，底电极2为SrRuO3电极，厚度为20nm通过采用脉冲激光沉积法制备。
考虑到减小漏电流对器件的影响，掺杂多铁层3为Ti掺杂BiFeO3多铁层，其厚度为30nm，采用脉冲激光沉积法制备。
多铁层4为BiFeO3，其厚度为50nm，采用脉冲激光沉积法制备。
磁性固定层5和磁性自由层7为NiFe2O4或CoFe2O4，其厚度分别为15nm，采用磁控溅射或脉冲激光沉积制备。
磁性绝缘层6为Cu，厚度为10nm，采用磁控溅射或脉冲激光沉积制备。
引线层8为Au电极层，采用蒸镀法或磁控溅射法制备。
图2是本实施例提供的电写磁读存储器器件电阻随电压变化曲线示意图，可以看出当施加电压增大时，电流增长较慢，器件处于低电阻状态，当施加电压减小时，电流减小较快，器件处于高电阻状态，实现了电控磁存储器的功能。
图3和图4分别是本实施例提供的电写磁读存储器施加电压前后各层磁畴示意图。如图3和图4所示，当对器件引线层8与磁性固定层5施加正或负电压时，由于多铁层4本身就具有一定的磁电耦合效应，在电压控制下磁矩会发生转变，而磁性固定层5与多铁层4间由于交换偏置效应的存在，多铁层4内部磁矩发生转变时，磁性固定层5内部磁矩也会随之发生转变，此时磁性自由层7内部磁矩保持不变，两层铁磁层内部磁矩会随电压变化而呈现相反或相同两种状态，因而出现了高低阻态，实现了电控磁存储器的功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于多铁异质交换偏置效应的电写磁读存储器，其特征在于，自下而上包括：
铁电单晶衬底；
设置在所述铁电单晶衬底表面的底电极层；所述底电极层采用的材料为SrRuO3；
设置在所述底电极层表面的多铁层；所述多铁层采用的材料为铁酸铋；
设置在所述多铁层表面的磁性固定层；所述磁性固定层采用的材料为铁酸钴或铁酸镍；
设置在所述磁性固定层表面的磁性绝缘层以及
设置在所述磁性绝缘层上的磁性自由层；
所述底电极层和所述多铁层之间还设置有掺杂多铁层；所述掺杂多铁层采用的材料为钛掺杂的BiFeO3。
2.如权利要求1所述的电写磁读存储器，其特征在于，所述底电极层表面还设置有引线层。
3.如权利要求1所述的电写磁读存储器，其特征在于，所述掺杂多铁层的厚度为20-30nm。
4.如权利要求1所述的电写磁读存储器，其特征在于，所述多铁层同时具有铁电性与反铁磁性。
5.如权利要求1所述的电写磁读存储器，其特征在于，所述多铁层的厚度为30-50nm。
6.如权利要求1所述的电写磁读存储器，其特征在于，所述磁性绝缘层采用的材料为非磁性材料，用于隔离所述磁性固定层和所述磁性自由层之间的磁相互作用。
7.如权利要求1所述的电写磁读存储器，其特征在于，磁性固定层的厚度为5-15nm。
8.如权利要求1所述的电写磁读存储器，其特征在于，所述磁性自由层采用的材料为MFe2O4，其为铁酸钴或铁酸镍；磁性自由层的厚度为5-15nm。
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