CN110931633B - 磁隧道结存储单元及存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁隧道结存储单元及存储器。该磁隧道结存储单元包括：顶端电极、铁磁自由层、隧穿层、铁磁参考层、相变层、铁磁被钉扎层、反铁磁钉扎层和底端电极；相变层位于铁磁参考层和铁磁被钉扎层之间，具有响应于外部温度变化或外部光照变化的相变特征；其中，铁磁被钉扎层具有固定的磁化方向；铁磁参考层位于相变层和隧穿层之间，具有响应于相变特征的变化的磁化方向；反铁磁钉扎层位于铁磁被钉扎层和底端电极之间，具有固定的磁化方向；铁磁自由层位于隧穿层和顶端电极之间，具有固定的磁化方向，可以在无磁环境下完成信息写入，降低了功耗和加工成本。

Description

磁隧道结存储单元及存储器
技术领域
本发明涉及自旋电子技术领域，具体地，涉及一种磁隧道结存储单元及存储器。
背景技术
存储器是冯诺依曼架构下计算机五大硬件系统之一，其主要功能是存放程序和数据。存储器目前主要分为磁式、光电式和半导体三类。其中磁性存储器利用物质的自旋特性制成，利用参考层和自由层间自旋取向平行、反平行的排列形成高低阻态，来存储二进制中的“0”和“1”，具备非挥发性、高稳定性等优势，具有广泛的应用背景。随着电子信息技术特别是计算机技术的不断发展，磁性存储器也在不断革新。
磁电阻随机存储器(MRAM)的基本工作单元为磁性隧道结(MTJ)，一般由上、下两层磁性材料和中间绝缘隧穿层构成。磁性层中的电子在通过几纳米的绝缘层隧穿时，会受到上、下两层中电子自旋方向的影响，改变隧穿几率，并对外表现出两个不同的阻值。实际存储单元中除上述三明治结构外，MRAM还需要其他辅助膜层实现器件功能，如提供钉扎作用的反铁磁层，提高薄膜质量的缓冲层和金属电极层等。
受限于目前存储器的结构，现有技术一般采用两种数据写入方式：磁场写入模式与全电流写入模式。前者主要利用了字线与位线在MRAM记录单元上所产生的磁场，使MRAM的自由层在磁场的作用下翻转，并维持参考层的磁化方向。这种写入方式对器件加工工艺的要求很高，为了避免产生读写错误，所允许写入的磁场范围非常有限。另一种方式利用自旋转移矩，通过电流从参考层流向自由层的透射电子或自由层流向参考层时的反射电子改变自由层磁化方向。这种方式限制了翻转手段，耗费了大量的功耗和加工成本。
发明内容
本发明实施例的主要目的在于提供一种磁隧道结存储单元及存储器，以在无磁环境下完成信息写入，降低了功耗和加工成本。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种磁隧道结存储单元，包括：
顶端电极、铁磁自由层、隧穿层、铁磁参考层、相变层、铁磁被钉扎层、反铁磁钉扎层和底端电极；
相变层位于铁磁参考层和铁磁被钉扎层之间，具有响应于外部温度变化或外部光照变化的相变特征；其中，铁磁被钉扎层具有固定的磁化方向；
铁磁参考层位于相变层和隧穿层之间，具有响应于相变特征的变化的磁化方向；
反铁磁钉扎层位于铁磁被钉扎层和底端电极之间，具有固定的磁化方向；
铁磁自由层位于隧穿层和顶端电极之间，具有固定的磁化方向。
本发明实施例的磁隧道结存储单元包括顶端电极、铁磁自由层、隧穿层、铁磁参考层、相变层、铁磁被钉扎层、反铁磁钉扎层和底端电极；相变层具有响应于外部温度变化或外部光照变化的相变特征；铁磁被钉扎层、反铁磁钉扎层和铁磁自由层具有固定的磁化方向；铁磁参考层具有响应于相变特征的变化的磁化方向，可以在无磁环境下完成信息写入，降低了功耗和加工成本。
本发明实施例还提供一种磁隧道结存储器，包括：
相变控制器和如上所述的磁隧道结存储单元；
相变控制器为温度控制器或光照控制器；
温度控制器用于改变相变层的温度以改变铁磁参考层的磁化方向；
光照控制器用于改变相变层所受的光照强度以改变铁磁参考层的磁化方向。
本发明实施例的磁隧道结存储器包括相变控制器和如上所述的磁隧道结存储单元；相变控制器用于改变相变层的温度以改变铁磁参考层的磁化方向或用于改变相变层所受的光照强度以改变铁磁参考层的磁化方向，可以在无磁环境下完成信息写入，降低了功耗和加工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中磁隧道结存储单元的示意图；
图2是本发明实施例中氧化钒的电阻率与温度的关系示意图；
图3是本发明实施例中氧化钒的电阻率与光照强度的关系示意图；
图4是本发明第一实施例中磁隧道结存储器的示意图；
图5是本发明第二实施例中磁隧道结存储器的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
鉴于现有技术限制了翻转手段，耗费了大量的功耗和加工成本，本发明实施例提供一种磁隧道结存储单元及存储器，可以在无磁环境下完成信息写入，降低了功耗和加工成本。以下结合附图对本发明进行详细说明。
本发明可以通过控制外部的温度或外加光照，诱导相变材料发生金属-绝缘体相变后，带来铁磁被钉扎层和铁磁参考层之间层间交换耦合的强度乃至耦合形式的变化，从而基于外界刺激引起相变，从而改变铁磁参考层的自旋极化方向，并通过隧道结的高低阻态转变记录下来，实现改变磁存储器磁阻状态的目的。
图1是本发明实施例中磁隧道结存储单元的示意图。如图1所示，磁隧道结存储单元包括：
顶端电极31、铁磁自由层32、隧穿层33、铁磁参考层34、相变层35、铁磁被钉扎层36、反铁磁钉扎层37和底端电极38。
一实施例中，顶端电极和底端电极均包括：铂(Pt)、铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、钛(Ti)、金(Au)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)和氮化钛(TiN)的其中之一或任意组合。隧穿层包括纳米级的氧化镁(MgO)和/或氧化铝(Al2O3)等高介电常数材料。
相变层位于铁磁参考层和铁磁被钉扎层之间，具有响应于外部温度变化或外部光照变化的相变特征；其中，相变层包括氧化钒(VO2)和/或锗锑碲合金(GST)，相变层的厚度大于0.1纳米且小于10纳米。铁磁被钉扎层具有固定的磁化方向。
图2是本发明实施例中氧化钒的电阻率与温度的关系示意图。图3是本发明实施例中氧化钒的电阻率与光照强度的关系示意图。图2中的横坐标为温度，单位为℃；纵坐标为电阻率，单位为Ω·m。图3中的横坐标为光照强度；纵坐标为电阻率，单位为Ω·m。如图2-图3所示，可以通过外部温度变化或外部光照变化调节相变层的电阻，改变铁磁被钉扎层和铁磁参考层之间层间交换耦合的形式变化，从而实现基于外界刺激的磁存储器存储状态改变。
铁磁参考层位于相变层和隧穿层之间，具有响应于相变特征的变化的磁化方向；
反铁磁钉扎层位于铁磁被钉扎层和底端电极之间，具有固定的磁化方向；其中，反铁磁钉扎层包括铱锰(IrMn)、铁锰(FeMn)、镍锰(NiMn)、铂锰(PtMn)和氧化镍(NiO)的其中之一或任意组合。
铁磁自由层位于隧穿层和顶端电极之间，具有固定的磁化方向。
一实施例中，铁磁自由层、铁磁参考层和铁磁被钉扎层均由磁性薄膜材料构成，均包括镍铁(NiFe)、钴铁硼(CoFeB)、钴铂(Co/Pt)和钆铁钴(GdFeCo)的其中之一或任意组合。
其中，磁隧道结存储单元的厚度大于1纳米且小于100微米。磁隧道结存储单元的形状可以为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)。
综上，本发明实施例的磁隧道结存储单元包括顶端电极、铁磁自由层、隧穿层、铁磁参考层、相变层、铁磁被钉扎层、反铁磁钉扎层和底端电极；相变层具有响应于外部温度变化或外部光照变化的相变特征；铁磁被钉扎层、反铁磁钉扎层和铁磁自由层具有固定的磁化方向；铁磁参考层具有响应于相变特征的变化的磁化方向，可以在无磁环境下完成信息写入，降低了功耗和加工成本。
本发明实施例的磁隧道结存储器是通过采用传统的离子束外延、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射等方法将磁隧道结存储单元的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进行图形化，并在相应位置加入温度控制器或光照控制器，最终完成器件的制备。若相变控制器为温度控制器，则应在基底上预制凹槽，并将温度控制器置入其中。
图4是本发明第一实施例中磁隧道结存储器的示意图。图5是本发明第二实施例中磁隧道结存储器的示意图。如图4-图5所示，磁隧道结存储器包括：
相变控制器和如上所述的磁隧道结存储单元；
相变控制器为温度控制器49或光照控制器59；
温度控制器用于改变相变层的温度以改变铁磁参考层的磁化方向；
光照控制器用于改变相变层所受的光照强度以改变铁磁参考层的磁化方向。如图5所示，光照控制器发出的光线聚焦在相变层上，可以调节相变层所受的光照强度。
如图4所示，当相变控制器为温度控制器时，磁隧道结存储器还包括：基底40；
基底位于温度控制器和底端电极之间。
温度控制器在基底的凹槽中，并处于磁隧道结存储单元的正下方。恒流源50控制电流从顶端电极31注入，底端电极38流出，电压表测量两端的电压。当铁磁自由层和铁磁参考层的磁化方向相同时，得到电压和电流的比值R。当改变温度条件时，相变层35发生相变，铁磁自由层和铁磁被钉扎层的磁化方向不变，铁磁参考层的磁化方向产生翻转。当铁磁参考层与铁磁自由层之间的磁化方向成为反平行时，可以得到不同的R，改变量为ΔR，隧穿磁阻可以定义为ΔR/R。
综上，本发明实施例的磁隧道结存储器包括相变控制器和如上所述的磁隧道结存储单元；相变控制器用于改变相变层的温度以改变铁磁参考层的磁化方向或用于改变相变层所受的光照强度以改变铁磁参考层的磁化方向，可以在无磁环境下完成信息写入，降低了功耗和加工成本。
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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (10)

1.一种磁隧道结存储单元，其特征在于，包括：
顶端电极、铁磁自由层、隧穿层、铁磁参考层、相变层、铁磁被钉扎层、反铁磁钉扎层和底端电极；
所述相变层位于所述铁磁参考层和所述铁磁被钉扎层之间，具有响应于外部温度变化或外部光照变化的相变特征；其中，所述铁磁被钉扎层具有固定的磁化方向；
所述铁磁参考层位于所述相变层和所述隧穿层之间，具有响应于所述相变特征的变化的磁化方向；
所述反铁磁钉扎层位于所述铁磁被钉扎层和所述底端电极之间，具有固定的磁化方向；
所述铁磁自由层位于所述隧穿层和所述顶端电极之间，具有固定的磁化方向。
2.根据权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，
所述磁隧道结存储单元的厚度大于1纳米且小于100微米。
3.根据权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，
所述顶端电极和所述底端电极均包括：铂、铝、镍、铜、钛、金、钽、氮化钽和氮化钛的其中之一或任意组合。
4.根据权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，
所述铁磁自由层、所述铁磁参考层和所述铁磁被钉扎层均包括镍铁、钴铁硼、钴铂和钆铁钴的其中之一或任意组合。
5.根据权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，
所述隧穿层包括氧化镁和/或氧化铝。
6.根据权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，
所述相变层包括氧化钒和/或锗锑碲合金。
7.根据权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，
所述相变层的厚度大于0.1纳米且小于10纳米。
8.根据权利要求1所述的磁隧道结存储单元，其特征在于，
所述反铁磁钉扎层包括铱锰、铁锰、镍锰、铂锰和氧化镍的其中之一或任意组合。
9.一种磁隧道结存储器，其特征在于，包括：
相变控制器和权利要求1至8任一权利要求所述的磁隧道结存储单元；
所述相变控制器为温度控制器或光照控制器；
所述温度控制器用于改变所述相变层的温度以改变所述铁磁参考层的磁化方向；
所述光照控制器用于改变所述相变层所受的光照强度以改变所述铁磁参考层的磁化方向。
10.根据权利要求9所述的磁隧道结存储器，其特征在于，当所述相变控制器为温度控制器时，所述磁隧道结存储器还包括：
基底；
所述基底位于所述温度控制器和所述底端电极之间。
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