CN111244268A - 一种压控三态磁存储单元的实现方法 - Google Patents
一种压控三态磁存储单元的实现方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111244268A CN111244268A CN202010040488.6A CN202010040488A CN111244268A CN 111244268 A CN111244268 A CN 111244268A CN 202010040488 A CN202010040488 A CN 202010040488A CN 111244268 A CN111244268 A CN 111244268A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnetic
- voltage
- piezoelectric substrate
- state
- storage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 49
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 229910003266 NiCo Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 13
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000009429 distress Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 210000000352 storage cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
一种压控三态磁存储单元的实现方法，属于磁存储技术领域。以压电基片作为基底，在压电基片的上下表面生长导电层，作为对压电基片施加电压的上电极和下电极，然后在上电极上依次形成磁性存储层和保护层，其中，所述磁性存储层的磁矩初始态为45度角方向，此时可获得一中间值大小的电阻态，在压电基片上施加不同大小的电压，可获得高电阻态和低电阻，这样就可实现高、中、低三种电阻态。本发明通过在压电基片上不施加、施加大于或小于压电基片矫顽电场的电压，来获得高、中、低三种稳定的存储态实现三态存储。由于该三种存储状态只需通过电压大小调制，因此具有结构简单、容易设计且功耗低等优点。
Description
技术领域
本发明属于磁存储技术领域，具体涉及一种基于逆磁电耦合效应、利用磁电阻效应，采用电压调控磁矩方向实现存储单元三种稳定存储状态的方法。
背景技术
磁性材料的电阻值随外加磁场的改变，使磁性材料呈现电阻值高低的变化，这一现象称为磁电阻效应。而利用电阻的稳定高低电阻态，可实现信息的存储。目前常见的磁电阻效应有各向异性磁电阻、巨磁电阻、隧道磁电阻等，利用他们已实现了多种磁性存储方式。各向异性磁电阻是最简单的一种磁电阻效应，其大小由下式决定：R＝R⊥+ΔRcos2θ，其中：ΔR＝R//-R⊥(R//为磁性薄膜材料磁矩与电流平行时电阻值；R⊥为磁性材料磁矩与电流垂直时电阻值)，θ为磁性材料磁矩与电流方向的夹角。因此，当流经磁性薄膜的电流方向与磁性薄膜的磁矩平行时，将获得一大电阻R∥(代表存储信息“1”)；而当流经磁性薄膜的电流方向与磁性薄膜的磁矩垂直时，将获得一小电阻R⊥(代表存储信息“0”)。因此，利用外磁场调制磁性薄膜磁矩取向，使其与测试电流平行或垂直，即可实现信息“0”、“1”的存储。在利用磁电阻来实现存储的过程中，一般固定电流的方向，通过外磁场来改变磁性层磁矩的取向，获得高低电阻态。目前常见的磁存储都为两态存储。而为了进一步的提升存储的密度，实现三态以上的多态存储是解决该问题的一个可行途径，也是未来存储器的一个发展方向。对应于磁存储来说，如果一个存储单元上能获得稳定的多于两种的电阻态，由其来构建存储器，则可以实现多态存储，大大提高存储器件的密度。另一方面，目前的磁存储均采用电流产生的磁场或电流产生的自旋流实现磁矩方向的改变，获取高低存储态。而随着存储密度的提高，所需的电流不断提升，使得该种以电流产生的磁场或自旋流来实现存储的方式能耗特别巨大，阻碍了本领域的快速发展。因此本发明正是着手解决该种需求。
发明内容
本发明提供了一种压控三态磁存储单元的实现方法，基于逆磁电耦合效应，将压电基片产生的应力，通过磁性薄膜磁致伸缩效应耦合，最终实现电压调控下磁电阻值改变来实现磁存储的方法。
本发明提供的一种压控三态磁存储单元的实现方法，首先构建压电/磁性存储层铁电异质结，并将磁性存储层的磁矩初始态设定在与测试电流呈45度角的方向，这时根据各向异性磁电阻的表达式可知，此时可获得一中间值大小的电阻态。如果在压电基片上施加不同大小的电压，利用逆磁电耦合效应，则在压电基片上会产生正或负应力而改变磁矩取向，使磁矩取向平行或垂直于电流方向，而获得高电阻及低电阻态。这样利用高、中、低三种电阻态就可以构建压控的三态磁存储单元。且由于这种磁矩的调制方式只需要电压，不产生电流，因此是一种低能耗的实现方法。
本发明的技术方案如下：
一种压控三态磁存储单元的实现方法，其特征在于，以压电基片作为基片，在压电基片的上下表面生长导电层，作为对压电基片施加电压的上电极和下电极，然后在上电极上依次形成磁性存储层和保护层；其中，所述磁性存储层的磁矩初始态为45度角方向，此时可获得一中间值大小的电阻态，在压电基片上施加不同大小的电压，可获得高电阻态和低电阻，这样就可实现高、中、低三种电阻态。
进一步地，所述压电基片为在电压作用下能产生正和负应变的压电材料，具体为PMN-PT或PZN-PT等压电材料。
进一步地，所述磁性存储层为具有较大磁致伸缩系数λs的磁性材料，具体为NiCo、CoFe、Co、CoFeB等；其厚度视它们所能获得较大各向异性磁电阻值且能实现较强逆磁电耦合效应的厚度而定，一般为20～300nm。所述磁性存储层的形状选择矩形或椭圆形，测试电流沿存储层长边方向。且在磁性存储层制备时需采用45度角磁场(50～1000Oe)下沉积或倾斜溅射等方法将存储单元初始的磁矩方向设定在45度角方向，这时沿存储层长轴方向加上测试电流，可以获得一中等大小的电阻值。
进一步地，所述保护层为Ta、Cu等金属。
其中，如果选用的磁性存储层材料磁滞伸缩系数λs为正，当压电基片上产生的应变为正时，根据逆磁电耦合机理，磁矩将向平行于电流方向旋转(磁矩与电流方向平行获得高阻态)；当压电基片上产生的应变为负时，磁矩将向垂直于电流方向旋转(磁矩与电流方向垂直获得低阻态)。如果选用的磁性存储层材料磁滞伸缩系数λs为负，当压电基片上产生的应变为正时，磁矩向垂直电流方向旋转(磁矩与电流方向垂直获得低阻态)；当压电基片上产生的应变为负时，磁矩向平行于电流方向旋转(磁矩与电流方向平行获得高阻态)。因此，无论选择的存储层材料磁致伸缩系数λs为正或负，基于不同电压大小在压电基片上获得正或负应力，通过逆磁电耦合效应，利用该方法均能获得高、中、低三种电阻态，实现利用磁电阻效应的三态存储单元。
需要说明的是：为实现所述的压控三态磁存储单元，所选用的压电基片必须存在电压可调的正、负应变态。目前，通过对常用的压电基片PMN-PT或PZN-PT基片的选择，可以获得当所加电压小于Ec(Ec为压电基片的矫顽电场)时产生的为正应变，当所加电压大于Ec时产生的为负应变。即所述的压控三态磁存储单元，通过在压电基片上不施加电压、施加电压产生正应变或负应变，依据上面所述逆磁电耦合规则，即可获得高、中、低三种稳定的存储态。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种压控三态磁存储单元的实现方法，通过在压电基片上不施加、施加负电压获得负应变及施加正电压获得正应变，来获得高、中、低三种稳定的存储态实现三态存储。由于该三种存储状态只需通过电压大小调制，因此具有结构简单、容易设计且功耗低等优点。
附图说明
图1为本发明提供的一种压控三态磁存储单元的结构示意图；其中，1为下电极，2为压电基片，3为上电极，4为磁性存储单元；
图2为实施例所选用基片的应变曲线示意图；
图3为实施例不同电压调制下实现的三态存储。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
一种压控三态磁存储单元的实现方法，包括以下步骤：
选用PMN-PT(011)压电单晶材料作为基片材料，基片厚度为0.5mm，其应变曲线如图2所示。采用镀膜工艺在基片的上下表面沉积Cr(15nm)/Au(300nm)，作为对压电基片施加电压的上下电极。而后采用薄膜沉积工艺在基片的上表面沉积NiCo(30nm)的磁性薄膜，作为磁性存储层，其磁致伸缩系数λs为负。在沉积磁性薄膜层过程中，沿与存储单元长轴45度角方向加300Oe的沉积磁场，使磁性薄膜层的初始易轴(磁矩)沿与存储单元长轴呈45度夹角的方向。而后在存储层上镀制Ta(10nm)作为上电极及存储单元的保护层。
制备完成后，将基片上下电极分别接电压源的正负极，沿存储单元薄膜长轴方向利用恒流源通以1mA的测试电流，并连接电压表测试该单元上的电压，利用电阻的公式R＝V/I计算存储单元上的电阻值。如若我们想在该单元上实现存储信息“1”，则用接于压电基片的电压源先给压电基片加上一-6kv/cm的脉冲电压，然后设置电压到+1.8kv/cm，此时压电基片对应的状态为图2上的A点，此时压电基片上将获得一正应力，通过逆磁电耦合效应，存储层磁矩将向存储单元短轴方向旋转与测试电流呈垂直，测试获得的磁电阻值为5.5496Ω；如若我们想在该单元上实现存储信息“0”，则去掉加于压电基片上的电压，此时测试电流与存储单元呈45度角，测试获得的电阻值为5.5119Ω；如若我们想在该单元上实现第三种存储信息态“-1”，则用接于压电基片的电压源给压电基片加上-2.4kv/cm的电压，对应图2上的B点，此时压电基片上将获得一负应力，通过逆磁电耦合效应，存储层磁矩的将向存储单元长轴方向旋转与测试电流平行，测试获得的磁电阻值为5.446Ω。因此，根据存储信息的需要，通过施加不同电压，可获得能分辨的高、中、低三种稳定电阻态，即可利用其实现三态存储，如图3所示。
Claims (5)
1.一种压控三态磁存储单元的实现方法，其特征在于，以压电基片作为基底，在压电基片的上下表面生长导电层，作为对压电基片施加电压的上电极和下电极，然后在上电极上依次形成磁性存储层和保护层，其中，所述磁性存储层的磁矩初始态为45度角方向；通过在压电基片上不施加电压、施加电压产生正应变、施加电压产生负应变，获得高、中、低三种存储态。
2.根据权利要求1所述的压控三态磁存储单元的实现方法，其特征在于，所述压电基片为在电压作用下能产生正和负应变的压电材料。
3.根据权利要求1所述的压控三态磁存储单元的实现方法，其特征在于，所述压电基片为PMN-PT或PZN-PT。
4.根据权利要求1所述的压控三态磁存储单元的实现方法，其特征在于，所述磁性存储层为NiCo、CoFe、Co或CoFeB，厚度为20～300nm。
5.根据权利要求1所述的压控三态磁存储单元的实现方法，其特征在于，所述磁性存储层的形状为矩形或椭圆形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010040488.6A CN111244268B (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种压控三态磁存储单元的实现方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010040488.6A CN111244268B (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种压控三态磁存储单元的实现方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111244268A true CN111244268A (zh) | 2020-06-05 |
| CN111244268B CN111244268B (zh) | 2022-07-26 |
Family
ID=70865438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010040488.6A Expired - Fee Related CN111244268B (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种压控三态磁存储单元的实现方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111244268B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113224232A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-08-06 | 中国科学院微电子研究所 | 基于底电极垂直向电压控制的sot-mram及制造、写入方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104599826A (zh) * | 2015-01-09 | 2015-05-06 | 电子科技大学 | 一种可实现三态非易失性调制的电感及其调制方法 |
| CN106328807A (zh) * | 2016-11-08 | 2017-01-11 | 郑州轻工业学院 | 一种电写磁读磁电存储单元及制备方法 |
| CN106531884A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-03-22 | 中国科学院半导体研究所 | 电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件 |
| CN109669149A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-04-23 | 电子科技大学 | 一种线性各向异性磁电阻传感器及其实现方法 |
| CN109904307A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-06-18 | 电子科技大学 | 一种基于各向异性磁电阻的压控存储单元及其实现方法 |
-
2020
- 2020-01-15 CN CN202010040488.6A patent/CN111244268B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104599826A (zh) * | 2015-01-09 | 2015-05-06 | 电子科技大学 | 一种可实现三态非易失性调制的电感及其调制方法 |
| CN106328807A (zh) * | 2016-11-08 | 2017-01-11 | 郑州轻工业学院 | 一种电写磁读磁电存储单元及制备方法 |
| CN106531884A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-03-22 | 中国科学院半导体研究所 | 电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件 |
| CN109669149A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-04-23 | 电子科技大学 | 一种线性各向异性磁电阻传感器及其实现方法 |
| CN109904307A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-06-18 | 电子科技大学 | 一种基于各向异性磁电阻的压控存储单元及其实现方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113224232A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-08-06 | 中国科学院微电子研究所 | 基于底电极垂直向电压控制的sot-mram及制造、写入方法 |
| CN113224232B (zh) * | 2021-04-26 | 2024-02-02 | 中国科学院微电子研究所 | 基于底电极垂直向电压控制的sot-mram及制造、写入方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111244268B (zh) | 2022-07-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200211612A1 (en) | Switching Skyrmions With VCMA/Electric Field for Memory, Computing and Information Processing | |
| US10964468B2 (en) | Magnetic memory structures using electric-field controlled interlayer exchange coupling (IEC) for magnetization switching | |
| US6483741B1 (en) | Magnetization drive method, magnetic functional device, and magnetic apparatus | |
| CN108336222A (zh) | 一种基于铁磁材料的忆阻器件 | |
| US7800938B2 (en) | Oscillating current assisted spin torque magnetic memory | |
| US8508005B2 (en) | STRAM with compensation element and method of making the same | |
| US8981503B2 (en) | STT-MRAM reference layer having substantially reduced stray field and consisting of a single magnetic domain | |
| US20080137405A1 (en) | Current Injection Magnetic Domain Wall Moving Element | |
| KR20050013215A (ko) | 감소된 스위칭 필드를 갖는 자기저항식 랜덤 액세스 메모리 | |
| CN106796960B (zh) | 一种电磁转换器件以及包含这种电磁转换器件的信息存储器 | |
| Han et al. | Demonstration of magnetoelectric memory cell in (110)[Pb (Mg1/2Nb2/3) O3] 0.68-[PbTiO3] 0.32/Ru/FeCo heterostructures | |
| CN111244268B (zh) | 一种压控三态磁存储单元的实现方法 | |
| Zhao et al. | Electric field manipulated multilevel magnetic states storage in FePt/(011) PMN-PT heterostructure | |
| JP7352930B2 (ja) | 磁気素子、磁気メモリチップ、磁気記憶装置及び磁気素子の書き込み方法 | |
| US7569902B2 (en) | Enhanced toggle-MRAM memory device | |
| CN110880349B (zh) | 逻辑器件及其逻辑控制方法 | |
| CN104851973A (zh) | 一种利用电场写入数据的四态磁存储单元 | |
| Wang et al. | Magnetic moment orientation of nano-islands by electrostriction along two directions | |
| Sun et al. | Field-free switching of perpendicular magnetization through spin–orbit torque in FePt/[TiN/NiFe] 5 multilayers | |
| Zhang et al. | Electric-field effect on magnetic properties of FePt/PZN-PT heterostructures | |
| US20230394291A1 (en) | Neuron device based on spin orbit torque | |
| CN214705445U (zh) | 一种人工合成反铁磁结构、磁性存储单元及存储器 | |
| CN112993149A (zh) | 一种存储单元 | |
| CN110581214B (zh) | 复合多层磁性纳米环阵列存储器件及其制备方法和应用 | |
| WO2021057179A1 (zh) | 存储器、存储器的写入方法和读取方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220726 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |