CN110232939B - 激光加热控制磁随机的存储单元、存储器和逻辑器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加热控制磁随机的存储单元、存储器和逻辑器件，存储单元包括：衬底；自旋轨道耦合层，通过在所述自旋轨道耦合层施加电流产生垂直于所述自旋轨道耦合层表面方向的自旋流；磁性自由层，激光对所述磁性自由层照射加热产生所述磁性自由层磁性的梯度变化，并联合所述自旋流使所述磁性自由层的磁矩发生定向翻转；保护层。本发明通过激光对磁性自由层的照射加热产生磁性的梯度变化，以及在自旋轨道耦合层施加电流后，通过自旋轨道耦合层与磁性自由层界面产生的自旋流诱导梯度变化磁性薄膜的磁矩定向翻转，即可实现无外磁场下调控磁化的翻转，可有效降低能耗，热效应得到有效控制，进而延长器件的工作寿命。

Description

激光加热控制磁随机的存储单元、存储器和逻辑器件

技术领域

本发明涉及信息技术及微电子领域，尤其涉及一种激光加热控制磁随机的存储单元、存储器和逻辑器件。

背景技术

当今信息社会，利用电子自旋进行信息的处理和存储受到全世界广泛关注和研究，包括磁纳米逻辑、全自旋逻辑、磁隧道结作为逻辑运算和存储等。当前商业上大力发展的自旋转移矩-磁随机存储器(STT-MARM)和还处于实验室研究的自旋轨道矩-磁随机存储器(SOT-MRAM)，都是基于存储单元中磁自由层磁化的翻转，导致磁电阻的改变，从而实现信息的存储功能，具有速度快和非易失等优点。

基于自旋转移矩-磁随机存储器中磁自由层的磁化翻转靠电流实现，通常需要非常高的电流密度(10⁶-10⁷A/cm²)，由于大电流通过存储单元结区，不仅导致能耗过大，而且热效应也会极大地降低存储单元的使用寿命。

为了降低整个器件的能耗，提高器件的工作寿命，通常有两个途径来实现：第一是利用电压实现隧穿结中磁自由层的磁化翻转；第二是利用自旋轨道矩效应使存储单元中磁自由层发生磁化翻转实现磁性信息的电学写入。由于信息的写和读在不同的通道上，大电流不通过存储单元结区，因此存储单元的能耗大大降低，使用寿命也大大延长。但通常基于自旋轨道矩效应磁性存储需要外加磁场的辅助，不利于存储器件的微型化，会制约信息技术的进一步发展，因此如何利用自旋轨道矩效应在无外磁场下调控磁化的翻转，实现信息存储和处理是信息领域迫切需要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种激光加热控制磁随机的存储单元、存储器和逻辑器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种激光加热控制磁随机的存储单元，包括：

衬底；

自旋轨道耦合层，其形成在所述衬底上，通过在所述自旋轨道耦合层施加电流产生垂直于所述自旋轨道耦合层表面方向的自旋流；

位于自旋轨道耦合层之上的磁性自由层，激光对所述磁性自由层照射加热产生所述磁性自由层磁性的梯度变化，并联合所述自旋流使所述磁性自由层的磁矩发生定向翻转；

保护层，位于所述磁性自由层之上，用于保护所述磁性自由层不被氧化。

在进一步的实施方案中，在-50℃-200℃零磁场下，激光对所述磁性自由层的照射加热的轨迹与所述自旋轨道耦合层中施加电流的方向相同或相反。

在进一步的实施方案中，所述自旋轨道耦合层在所述衬底上投影呈十字型结构，所述自旋轨道耦合层的十字型结构的其中一对相对端用于施加电流。

在进一步的实施方案中，所述自旋轨道耦合层的十字型结构的另一对相对端为输出端，从所述输出端检测反常霍尔电压以输出信号。

在进一步的实施方案中，在所述磁性自由层和保护层之间还包括：

中间非磁性层，生长在所述磁性自由层之上；

磁性钉扎层，生长在所述中间非磁性层之上；

反铁磁层，生长在所述磁性钉扎层之上；

保护层，生长在所述反铁磁层之上。

根据本发明的另一方面，提供一种逻辑器件，包括一个上述的存储单元，通过控制激光加热所述存储单元中磁性自由层的部位和施加电流的方向，检测所述磁性自由层中磁矩的翻转，相应实现异或门逻辑。

根据本发明的又一方面，提供一种逻辑器件，包括两个上述的存储单元，各所述存储单元包括一检测磁性自由层磁性翻转输出端；

其中，两个所述存储单元的测磁性自由层磁性翻转输出端电性连接，通过控制两个所述存储单元中各自磁性自由层的部位和测量电流的方向，实现非、与、或非以及与非逻辑。

根据本发明的再一方面，提供一种磁电阻器件，利用上述的磁随机存储单元形成的外延结构，所述磁电阻器件包括：磁隧道结、巨磁电阻器件或各向异性隧道磁电阻器件。

根据本发明的再一方面，提供一种存储器，包括多个上述的存储单元组成的阵列，所述阵列的各列通过自旋轨道耦合层相连，各行通过保护层相连，其中，各所述存储单元独立输入激光照射加热，以及独立输出所检测的各所述存储单元中磁性自由层的磁性的定向翻转。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的激光加热控制磁随机的存储单元、存储器和逻辑器件至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明提供的存储单元通过激光对磁性自由层的精准照射加热产生磁性的梯度变化，以及在自旋轨道耦合层施加电流后，通过自旋轨道耦合层与磁性自由层界面产生的自旋流诱导梯度变化磁性薄膜的磁矩定向翻转，即可实现无外磁场下调控磁化的翻转，由于不再使用高密度电流通过磁随机存储单元的结区，可有效降低能耗，热效应得到有效控制，进而延长器件的工作寿命。

(2)本发明利用-50℃-200℃零磁场下激光加热和施加电流产生可控的磁化定向翻转实现磁随机存储单元的功能；

(3)利用磁随机存储单元构建可编译逻辑功能以及磁随机存储器，可以非常方便快捷，只用激光扫描一下存储单元的位置，就可以获得不同功能，实现逻辑，编译等功能；

(4)本发明通过激光加热可以实现无外磁场的定向翻转，而通过激光加热存储单元的不同位置就可以实现器件不同功能，使多个存储单元组成的器件可编译，从而实现存储单元、逻辑器件和存储器件具有工作在-50℃-200℃环境下，无外加磁场依赖、可编译、低功耗等优点；可应用于非易失高密度存储、高速非易失逻辑计算等领域。

附图说明

图1为本发明实施例的一种激光加热和电流来控制磁随机存储单元的结构示意图；

图2为本发明实施例的另一种用激光加热和电流控制磁随机存储单元结构示意图；

图3为本发明实施例的两个磁随机存储单元组成的可编译逻辑器件示意图；

图4为本发明实施例的用激光加热和电压控制磁随机存储单元构成的加密磁随机存储器示意图；

具体实施方式

本发明通过激光加热磁随机存储单元中磁性自由层产生磁性的梯度变化，在自旋轨道耦合层施加电流，通过自旋流诱导该磁性薄膜的磁矩定向翻转；由于不再使用高密度电流通过磁随机存储单元的结区，可有效降低能耗，热效应得到有效控制，进而延长器件的工作寿命。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。为清楚起见，附图中的元器件可能并未依照比例绘示。此外，可能从附图中省略一些元器件。可以预期的是，一实施例中的元器件和特征，可以有利地纳入于另一实施例中，而未再加以阐述。

本发明提供一种激光加热控制磁随机的存储单元，所述存储单元具有基本的多层膜结构，其包括：衬底10；自旋轨道耦合层1，其形成在所述衬底上，通过在所述自旋轨道耦合层1施加电流产生垂直于所述自旋轨道耦合层1表面方向的自旋流；磁性自由层2，位于自旋轨道耦合层1之上，激光对所述磁性自由层2照射加热产生所述磁性自由层2磁性的梯度变化，并联合所述自旋流使所述磁性自由层2的磁矩发生定向翻转。其中，激光照射加热区域4一般为局部，无需全部进行照射。通过激光对所述磁性自由层2的照射加热处理，使得磁性自由层中形成磁性的梯度变化，在自旋轨道耦合层1中施加电流，通过所述自旋轨道耦合层1与磁性自由层2界面产生的自旋流诱导梯度变化的磁性薄膜发生磁矩定向翻转，从而实现对信息的写入。

本发明的膜层结构在上述基本的多层膜结构基础上，根据读取方式的不同可以延伸出至少两种结构的膜层堆叠方式。一种是采用反常霍尔效应读出信息的结构，参见图1所示：依次往上生长自旋轨道耦合层1、磁性自由层2和保护层7；另一种是采用磁电阻效应读出信息，参见图2所示，依次往上生长有自旋轨道耦合层1、磁性自由层2、中间非磁性层3、磁性钉扎层5、反铁磁层6以及保护层7。上述两种方式只是读出方式存在差别。其中，为了保护磁性自由层2不被氧化，在第一种结构中，激光加热通过加热所述保护层7将热量传至所述磁性自由层2；在第二种结构中，激光加热通过加热所述中间非磁性层3将热量传至所述磁性自由层2。

其中，所述自旋轨道耦合层1，可以使用自旋轨道耦合很强的重金属材料(例如Pt，Ta或W等)、还可以为反铁磁材料(例如IrMn，FeMn，PtMn等)拓扑绝缘体材料(例如Bi₂Se₃，Bi₂Te₃等)、金属氧化物材料(如SrRuO₃)或半导体材料，在所述自旋轨道耦合层1中通入电流，由于很强的自旋轨道耦合作用产生自旋流，利用此自旋流可以实现磁性层的翻转。

所述磁性自由层2，该磁性层可以选择Co或Co₄₀Fe₄₀B₂₀等。所述磁性自由层为具有垂直磁各向异性的磁性金属、合金和磁性金属多层膜、磁性半导体等具有铁磁性的材料。

在采用反常霍尔效应读出信息的结构中，整个薄膜在衬底10上的投影呈一十字结构。其十字结构的其中一对相对端施加电流，十字结构的另外一对相对端可以连接输出端，通过检测相应的反常霍尔电压获取输出信号。

更进一步利用电子束曝光和离子刻蚀技术对磁性自由层2及保护层3进行刻蚀，在十字结构的中央刻蚀出纳米级别的磁性单元，呈柱体，器件结构如图1所示，其中激光照射加热的轨迹4沿着十字结构中施加电流的方向。通过激光照射加热形成磁性的梯度变化，通过施加电压U(产生电流I)在自旋轨道耦合层1和磁性自由层2界面形成垂直的自旋流，十字结构的另外一对相对端检测相应的反常霍尔电压V获取信号。

在采用磁电阻效应读出信息的结构中其它微加工处理工艺参照步骤B，不同之处在于自旋轨道耦合层1在衬底上的投影呈“一”字结构，由于不需要测量相应的反常霍尔电压，所以原有的十字结构另外一对相对端可以省略设置；另外存储单元中磁性自由层2及中间非磁性层3须留出额外长条形加热区域4供激光照射加热，使得该磁性自由层形成磁性的梯度变化，通过界面自旋流驱动该磁性层2实现无外磁场下的定向翻转。此外磁性钉扎层5，反铁磁层6和保护层7比所述磁性自由层2和中间非磁性层3的面积要小，在保护层上连接输出端，如图2所示。

根据上述制备的存储单元结构，可进行相应的信息存储和读取。具体原理在于：

在十字电极处通入脉冲电压U(产生脉冲电流I)，电流通过自旋轨道耦合层1，由自旋霍尔效应，在其表面会产生自旋流，自旋流扩散到上面磁性自由层2中，从而改变该磁性层中磁矩的方向。磁矩的方向可用反常霍尔电阻测，即可读出输出信号。正常情况下该电流脉冲不能对磁矩翻转方向产生决定性的影响，即磁矩在电流脉冲过后可能向上或向下。当用激光对磁自由层2进行照射加热后(激光运动轨迹沿着施加脉冲电流的方向)，使得该磁性自由层形成磁性的梯度变化，这种磁性的梯度变化在自旋霍尔效应产生的自旋流作用下，使得磁矩向上和向下的翻转不再简并，导致了电流诱导磁化定向翻转，从而实现对信息的写入。

上述为采用反常霍尔效应读出信息的结构的原理，本领域技术人员可根据第一种方式的具体技术特征和细节相应地应用至第二种方式中，在此不再赘述。

接下来，通过对上述存储单元的制备方法进行说明以更加全面、清楚地公开本发明，该制备方法包括：

步骤S1：在一衬底10上生长自旋轨道耦合层1；

步骤S2：在所述自旋轨道耦合层1上生长磁性自由层2；

步骤S3：刻蚀所述自旋轨道耦合层1和所述磁性自由层2；

步骤S4：激光照射加热所述刻蚀后的所述磁性自由层2使其形成磁性的梯度变化。

在步骤S3具体包括：

步骤S31：刻蚀所述自旋轨道耦合层1，使其在所述衬底10上的投影呈十字结构；

步骤S32：刻蚀所述磁性自由层2形成纳米级别的柱体状磁性单元。

在步骤S31中，利用电子束曝光和/或光刻技术将所述自旋轨道耦合层1做出需要的十字图案，利用离子束刻蚀把所述自旋轨道耦合层1刻蚀到衬底10，使整个薄膜在衬底10上的投影呈一个十字结构。

在步骤S32中，利用电子束曝光和离子刻蚀技术对磁性自由层2及保护层3进行刻蚀，在十字结构的中央刻蚀出纳米级别的磁性单元，呈柱体。

其中，生长所述自旋轨道耦合层1和所述磁性自由层2优先采用磁控溅射的方式制备。

在步骤S3之前还包括：在所述磁性自由层2上从下至上依次生长中间非磁性层3、磁性钉扎层5、反铁磁层6和保护层7；并刻蚀所述中间非磁性层3、磁性钉扎层5、反铁磁层6和保护层7。

本发明实施例的另一方面，还提供一种利用上述存储单元实现的逻辑器件。

第一种逻辑器件，包括如上所述的存储单元，通过控制激光加热存储单元中磁性自由层2的部位和施加电流的方向，检测磁性自由层中磁矩的翻转，相应实现异或门逻辑的功能：我们发现沿着施加脉冲电流方向用激光加热磁随机存储单元柱体的左半部分与右半部分会出现完全相反的磁性自由层翻转方向。设定沿施加脉冲电压U(产生脉冲电流I)方向，磁性自由层2的左半部分被激光加热为0，右半部分被激光加热为1。

在十字两端输入脉冲电压U(产生脉冲电流I)，作为信息的写入方式。正电压为1，负电压为0。测量十字另两端的反常霍尔电压V读出信息。磁性材料磁矩的上和下会使霍尔电压发生变化，分别代表实际应用中的高电平和低电平，即1和0。磁性自由层2在未进行激光加热的情况下，输入脉冲电压U(产生脉冲电流I)不能引起磁矩的定向翻转，即读出的信号是随机的0和1。通过施加脉冲电压U(产生脉冲电流I)为正的情况下，激光对磁性自由层的右半部分(1)进行照射加热输出低电平0，激光对左半部分(0)进行照射加热时输出高电平1。通过施加脉冲电压U(产生脉冲电流I)为负的情况下，在激光对磁性自由层2的右半部分(1)进行照射输出高电平1，激光对磁性自由层2的左半部分(0)进行照射加热输出低电平0。这种表现是异或门功能，所以利用单个器件即可实现异或门。

第二种逻辑器件，包括两个如上所述的存储单元，各所述存储单元包括一检测磁性自由层2磁性翻转的输出端；其中，两个存储单元的输出端电性连接，通过控制两个存储单元中各自磁性自由层2的部位和测量电流的方向，实现非、与、或非以及与非逻辑。

如图3所示，图3为本发明实施例的两个磁随机存储单元组成的可编译逻辑器件示意图。

利用两个上述磁随机存储单元可以实现或非门或与门。或非门实现方法：两个器件如图3中所示排列连接，输出端为两个磁随机存储单元的串联。两个磁随机存储单元的脉冲电压U₁和U₂(分别产生脉冲电流I₁和I₂)都输入1，1时，两个单元都输出高电平时为1，其他情况都为0。例如当两单元的右半部位被激光照射加热(对应1，1)，两个磁随机存储单元都输出低电压，所以最终输出是0。当两存储单元的激光加热部位输入1，0或0，1时，两个随机存储单元输出一个低电平和一个高电平、或一个高电平和一个低电平，叠加起来抵消，所以输出还是0。当两单元的激光加热部位都输入0，0时，两个单独的磁随机存储单元都输出高电平，叠加之后还是高电平，所以最终输出是1。此功能是或非门功能。

与门的实现方法：上述两个磁随机存储单元的脉冲电压U₁和U₂(分别产生脉冲电流I₁和I₂)都输入0，0时，两个单元都输出高电平时为1，其他情况都为0。例如当两单元的右半部分被激光照射加热(对应1，1)，两个磁随机存储单元都输出高电平，所以最终输出是1。当两存储单元的激光加热部位输入1，0或0，1时，两个随机存储单元输出一个低电平和一个高电平、或一个高电平和一个低电平，叠加起来抵消，所以输出还是0。当两单元的激光加热部位都输入0，0时，两个磁随机存储单元都输出低电平，所以输出为0。此功能是与门功能。

或门和与非门功能可以同样通过两个磁随机存储单元实现，即改变激光加热存储单元的部位(0或1)可实现两种逻辑功能的转换。这极大的提高了逻辑的可编译特性，提高运算效率和逻辑器件密度。

本发明实施例的其它方面，提供一种磁电阻器件，利用上述的磁随机存储单元形成的外延结构，所述磁电阻器件还包括：磁隧道结、巨磁电阻器件或各向异性隧道磁电阻器件。

本发明实施例的再一方面，还提供一种磁随机存储器，包括多个如上述磁随机存储单元组成的阵列，所述阵列的各列通过自旋轨道耦合层1相连，各行通过保护层7相连，其中，对每一磁随机存储单元独立输入激光加热的部位4，以及独立输出所检测的每一磁随机存储单元中磁性自由层2的磁性翻转。磁随机存储器的构架图如图4所示，每个单元块对应独立的磁性薄膜结构，且每个单元块能够独立进行激光加热和施加脉冲电压U(产生脉冲电流I)，每个单元也独立输出V。

通过上述存储单元、存储器和逻辑器件的实施例，通过对铁磁自由层局部进行精准的激光加热产生磁性的梯度变化，在自旋轨道矩效应产生的自旋流作用下，可控制电流诱导磁性薄膜磁矩翻转的方向。利用室温零磁场下激光加热和电压(电流)产生可控的磁化定向翻转实现磁随机存储单元的功能。

至此本实施例介绍完毕。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光加热控制磁随机的存储单元，其特征在于，包括：

衬底(10)；

自旋轨道耦合层(1)，其形成在所述衬底上，通过在所述自旋轨道耦合层(1)施加电流产生垂直于所述自旋轨道耦合层(1)表面方向的自旋流；

位于自旋轨道耦合层(1)之上的磁性自由层(2)，激光对所述磁性自由层(2)照射加热产生所述磁性自由层(2)磁性的梯度变化，并联合所述自旋流使所述磁性自由层(2)的磁矩发生定向翻转；

保护层(7)，位于所述磁性自由层(2)之上，用于保护所述磁性自由层(2)不被氧化。

2.根据权利要求1所述的激光加热控制磁随机的存储单元，其特征在于，在-50℃-200℃零磁场下，激光对所述磁性自由层(2)的照射加热的轨迹与所述自旋轨道耦合层(1)中施加电流的方向相同或相反。

3.根据权利要求1所述的激光加热控制磁随机的存储单元，其特征在于，所述自旋轨道耦合层(1)在所述衬底(10)上投影呈十字型结构，所述自旋轨道耦合层(1)的十字型结构的其中一对相对端用于施加电流。

4.根据权利要求3所述的激光加热控制磁随机的存储单元的方法，其特征在于，所述自旋轨道耦合层(1)的十字型结构的另一对相对端为输出端，从所述输出端检测反常霍尔电压以输出信号。

5.根据权利要求1所述的激光加热控制磁随机的存储单元，其特征在于，在所述磁性自由层(2)和保护层(7)之间还包括：

中间非磁性层(3)，生长在所述磁性自由层(2)之上；

磁性钉扎层(5)，生长在所述中间非磁性层(3)之上；

反铁磁层(6)，生长在所述磁性钉扎层(5)之上；

保护层(7)，生长在所述反铁磁层(6)之上。

6.一种逻辑器件，其特征在于，包括一个权利要求1-5中任一项所述的存储单元，通过控制激光加热所述存储单元中磁性自由层(2)的部位和施加电流的方向，检测所述磁性自由层(2)中磁矩的翻转，相应实现异或门逻辑。

7.一种逻辑器件，包括两个存储单元，其特征在于，所述存储单元采用如权利要求1-5中任一项所述的存储单元，各所述存储单元包括一检测磁性自由层(2)磁性翻转输出端；

其中，两个所述存储单元的检测磁性自由层(2)磁性翻转输出端电性连接，通过控制两个所述存储单元中各自磁性自由层(2)的部位和测量电流的方向，实现非、与、或非以及与非逻辑。

8.一种磁电阻器件，利用权利1-5中任一项所述的磁随机的存储单元形成的外延结构，所述磁电阻器件包括：磁隧道结、巨磁电阻器件或各向异性隧道磁电阻器件。

9.一种存储器，其特征在于，包括多个如权利要求1-5中任一项所述的存储单元组成的阵列，所述阵列的各列通过自旋轨道耦合层(1)相连，各行通过保护层(7)相连，其中，各所述存储单元独立输入激光照射加热，以及独立输出所检测的各所述存储单元中磁性自由层(2)的磁性的定向翻转。

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