CN111354850A - 自旋轨道耦合磁性器件、电子装置及其操作和制造方法 - Google Patents

Abstract

一种自旋轨道耦合磁性器件、电子装置及其操作和制造方法。该自旋轨道耦合磁性器件包括：依次堆叠设置的N个叠层结构，其中，N个叠层结构每一个依次包括自旋轨道耦合材料层、磁性层以及隔挡层，并且磁性层具有垂直各向异性；以及多个电极，分别耦接到N个叠层结构，其中，N为大于或等于2的整数。该器件可以提升数据存储密度并且同时实现结构更为简单的磁性逻辑器件，从而降低了器件制造的工艺复杂度。

Description

自旋轨道耦合磁性器件、电子装置及其操作和制造方法

技术领域

本发明涉及自旋电子学，具体而言，涉及一种自旋轨道耦合磁性器件、电子装置及其操作和制造方法。

背景技术

与传统的固态存储技术以及普通的半导体逻辑器件相比，基于自旋相关特性的可重配置的磁存储技术以及磁逻辑器件具有高操作频率、可无限重配次数、逻辑信息的非易失性、防辐射、以及存储与逻辑之间相互兼容等优点，因此被认为是下一代数据存储和处理技术的热门方向。传统的磁存储技术通过利用相反的两种磁化方向来表示二进制的数字化信息，并且通过磁场或者自旋极化的电流改变磁化方向从而实现信息的存储和读写。此外，通过对输入的电流和输出的磁化状态分别进行编程，可以实现可编程的磁逻辑器件。然而，随着对于数据存储以及处理的需求的日益增加，对于磁存储器件的存储密度以及磁逻辑器件的性能等提出更高的要求。

发明内容

本发明的实施例提供了一种自旋轨道耦合磁性器件、包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置及其操作和制造方法，以解决现有技术中的存储密度、存储效率和存储器件与逻辑器件集成以及降低工艺复杂度等难以兼顾的问题。

本发明的至少一个方面提供了一种自旋轨道耦合磁性器件，其包括：依次堆叠设置的N个叠层结构，其中，所述N个叠层结构每一个依次包括自旋轨道耦合材料层、磁性层以及隔挡层，并且所述磁性层具有垂直各向异性；以及多个电极，分别耦接到所述N个叠层结构，其中，N为大于或等于2的整数。

本发明的另一个方面提供了一种电子装置，包括上述自旋轨道耦合磁性器件和至少一个控制器，该至少一个控制器被配置根据的控制信号来控制施加到所述叠层结构的电流以及磁场的大小和方向。

本发明的又一个方面还提供了一种操作上述自旋轨道耦合磁性器件的方法，所述方法包括：通过对所述自旋轨道耦合磁性器件施加电流和磁场，以获得所述电流的特征和所述磁场的特征与所述自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻之间的映射关系。

本发明的又一个方面还提供了一种制造自旋轨道耦合磁性器件的方法，包括：形成N个堆叠结构，并由下至上依次堆叠所述N个叠层结构，其中每个叠层结构依次包括自旋轨道耦合材料层、磁性层以及隔挡层；在所述N个叠层结构的边缘处形成多个电极，其中，N为大于或等于2的整数。

依据本发明的上述实施例的自旋轨道耦合磁性器件以及电子装置，其通过实现三维的多个叠层结构实现了数据存储密度的大幅提升，同时可以在单个器件内实现复杂的逻辑功能的级联，降低了工艺的复杂度。

附图说明

参考下面的附图描述了本公开的非限制性和非穷举的实施例，除非另有说明，其中贯穿各个附图相同附图标记指代相同部件。图中的组件并非按比例绘制，并且可能在比例外绘制以促进对本公开的实施例的理解的方便。

图1是示出根据本发明的实施例的示例自旋轨道耦合磁性器件的截面示意图。

图2是示出根据本发明的实施例的示例自旋轨道耦合磁性器件的立体示意图。

图3是示出根据本发明的实施例的包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置的示意图。

图4是示出根据本发明的实施例的包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置作为的磁场驱动存储装置时的电路配置示意图。

图5是示出根据本发明的实施例的包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置作为的电流驱动存储装置时的电路配置示意图。

图6是示出根据本发明的实施例的包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置作为的电流驱动逻辑装置时的电路配置示意图。

图7是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置作为磁场驱动的数据存储装置时的操作流程图。

图8是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置的磁场输入与电阻输出之间映射关系的示意图。

图9是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置作为磁场驱动的数据存储装置时的操作流程图。

图10是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置的磁场输入与电阻输出之间映射关系的示意图。

图11是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置作为电流驱动的数据存储装置时的操作流程图。

图12是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置的电流输入与电阻输出之间映射关系的示意图。

图13是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置作为电流驱动的数据存储装置时的操作流程图。

图14是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置的电流输入与电阻输出之间映射关系的示意图。

图15是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置作为电流驱动的逻辑装置时的操作流程图。

图16是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置作为电流驱动的逻辑装置时的操作流程图。

图17是示出根据本发明的实施例的示例的磁性器件的制造方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

传统的自旋电子存储与逻辑器件通常包括一个重金属层和与其相邻的一个磁性层，其利用重金属层中的自旋轨道耦合效应(Spin Orbit Coupling Effect)产生的自旋轨道转矩来翻转相邻磁性层的磁化强度方向，并进一步通过磁化强度的状态来表达二进制数据。但是由于传统的自旋电子存储与逻辑器件利用一个单一的磁性层，从而限制了可用的状态数为2¹，使得存储密度有限并限制了存储效率。作为逻辑器件时，由于实现不同的逻辑门需要改变面内磁场，在实际应用中增加了实现工艺的难度。此外，由于单一的磁性层的输出逻辑状态只有两种，因此只能实现简单的逻辑功能。当需要实现相对复杂的逻辑功能时，则必须采取多个简单的逻辑门之间的级联，然而器件之间的级联受制于工艺集成的复杂度。

因此，如何提高磁存储器件的存储密度，如何实现多个逻辑状态的级联以及在单个器件中集成数据存储和逻辑功能是开发自旋电子存储与逻辑器件所亟需解决的技术问题。

本发明的至少一个实施例提供一种自旋轨道耦合磁性器件，其包括：依次堆叠设置的N个叠层结构，其中，N个叠层结构每一个依次包括自旋轨道耦合材料层、磁性层以及隔挡层，并且磁性层具有垂直各向异性；以及多个电极，分别耦接到N个叠层结构，其中，N为大于或等于2的整数。

基于上述，在本发明实施例的中提供了一种自旋轨道耦合磁性器件，该器件通过实现具有多个包含磁性层的叠层结构，相对于具有单一的磁性层的自旋器件，可以将数据存储密度提升数倍，并且可以同时实现结构更为简单的磁性逻辑器件，而无须器件之间的级联，从而降低了器件制造的工艺复杂度。

以下参照附图对根据本发明的至少一个实施例所提出的自旋轨道耦合磁性器件的结构、操作方法及其制备方法进行详细描述。

图1是示出根据本发明的实施例的示例自旋轨道耦合磁性器件的截面示意图。参照图1，示出了自旋轨道耦合磁性器件100，其包括N个叠层结构101A-101N，其依次堆叠设置。自旋轨道耦合磁性器件100还可以包括多个电极102，其耦接到N个叠层结构的侧面。在一个实施例中，N可以是大于或等于2的整数。也就是说，自旋轨道耦合磁性器件100可以是由2个、3个或更多个叠层结构所形成的器件。

进一步参考图1，N个叠层结构中的每一个依照相同的顺序依次包括自旋轨道耦合材料层(SOC)1011、磁性层(FM)1012以及隔挡层(CL)1013；相邻的两个叠层结构中自旋轨道耦合材料层和隔挡层彼此相邻。在一个实施例中，磁性层1012设置在自旋轨道耦合材料层1011和隔挡层1013之间，并且磁性层1012可以具有垂直各向异性(PMA)。

图2是示出根据本发明的实施例的示例自旋轨道耦合磁性器件的立体示意图。参照图2，例如，N个叠层结构101(101A-101N)可以具有第一侧111、第二侧112、第三侧113和第四侧114。在一个实施例中，第一侧111和第二侧112在水平平面中的第一方向(例如x方向)上相对设置，并且第三侧113和第四侧114在水平平面中的第二方向(例如y方向)上相对设置，第一方向和第二方向例如可以在水平平面中相互垂直。

如图2所示，N个叠层结构101A-101N可以沿第三方向(例如z方向)进行堆叠，其中第三方向垂直于第一方向和第二方向。在一个实施例中，多个电极102分别与N个叠层结构101的第一侧111、第二侧112、第三侧113和第四侧114耦接。

在一个实施例中，N个叠层结构101可以整体形成为沿着x方向和y方向交叉的十字形状的霍尔条(Hall Bar)，如图2所示。该十字形状可以具有第一端部111、第二端部112、第三端部113和第四端部114以作为N个叠层结构101的第一侧111、第二侧112、第三侧113和第四侧114。如本领域技术人员可以理解的，N个叠层结构101可以形成为合适的其它形状，例如长方形或正方形等，而不一定限制于图2所示出的十字形状。

在一个实施例中，从第一端部111到第二端部112的距离L可以在1μm-100μm的范围内，并且从第三端部113到第四端部114的距离W可以在1μm-100μm的范围内。此外，在一个实施例中，第一端部111或第二端部112宽度b可以在500nm-100μm的范围内，而第三端部113或第四端部114宽度a可以在500nm-60μm的范围内。

参照图1和图2，在本发明实施例中，形成自旋轨道耦合材料层(SOC)1011的材料可以是重金属。例如，重金属可以是选自包括以下材料的集合中的至少一个或其任意组合：Ta、Pt、W、Re、Os、Ir、Au、Pd。此外，形成自旋轨道耦合材料层(SOC)1011的材料也可以是其他自旋轨道耦合材料，自旋轨道耦合材料可以是选自包括以下材料的集合中的至少一个或其任意组合：Bi、Ni、Bi₂Se₃，Bi₂Te₃；或者可以是具有自旋霍尔效应的磁性材料，例如包括：Ni、Fe以及Ni_1-xFe_x的合金。仅为了说明的目的，在本发明的以下实施例中以自旋轨道耦合材料层1011由Pt来形成的示例进行描述。此外，在本发明的实施例中，所形成的自旋轨道耦合材料层1011的厚度可以在2nm-20nm的范围内。

如图1和图2进一步所示，在本发明实施例中，形成磁性层(FM)1012的材料可以是磁性材料，例如铁磁材料、亚铁磁材料、反铁磁材料。在至少一个实施例中，磁性层1012的材料可以选自包括以下材料的集合中的至少一个或其任意组合：Co、Fe、Tb、Ni、Ge、Gd、B，Dy。例如，N个叠层结构中的每一个磁性层1012被设置为具有不同的矫顽力(Hc)。此外，在本发明的实施例中，所形成的磁性层1012的厚度可以在0.7nm-100nm的范围内，以使得每个磁性层1012具有垂直各向异性。

如图1和图2进一步所示，在本发明实施例中，形成隔挡层1013的材料可以是绝缘材料，以充当多个叠层结构之间的隔绝层。在一个实施例中，隔挡层1013的材料选自包括以下材料的集合：氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)或氮氧化硅(SiON)、三氧化二铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、氮化硼(BN)。在本发明的实施例中，形成隔挡层1013的材料可以是任何与形成自旋轨道耦合材料层1011的材料自旋霍尔角符号相反的材料。此外，在本发明的实施例中，所形成的隔挡层1013的厚度可以大于2nm，并且使得隔挡层1013与自旋轨道耦合材料层1011的总厚度大于6nm。

参见图2，在本发明实施例中，电极102覆盖在N个叠层结构的第一端部111、第二端部112、第三端部113和第四端部114。在一个实施例中，形成电极102的材料可以是任何具备导电和导热性能的材料，例如可以选自包括以下材料的集合中的至少一个或其任意组合：Ta、Pt、Ti、Au、Cr、Cu、Al。如本领域的技术人员应当理解的，图2中仅是为了说明的目的示出了电极的示意性形状，然而电极的形状不受此限制，而是可以形成为有利于电流输入或电压测量的任何形状。并且可以根据需求对于所形成的电极的表面积进行配置以利于器件的测量和/或散热，例如电极102可以形成为相对于叠层结构101具有较大的面积以利于对于器件的测量和/或散热。

图3是示出根据本发明的实施例的包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置300的示意图。如图3所示，电子装置300包含自旋轨道耦合磁性器件301以及控制器302。在本发明实施例中，控制器的数量不受限制，本领域技术人员根据需要可以实现多控制器的电子装置300。

如图3所示，控制器302可以响应于控制信号CTRL来控制自旋轨道耦合磁性器件301的操作模式。在本发明实施例中，操作模式可以包括：磁场驱动存储模式、电流驱动存储模式以及电流驱动逻辑模式。根据不同的用户输入的控制信号，控制器302可以切换电子装置300的操作模式，从而使得电子装置300可以作为不同驱动模式的数据存储装置或逻辑转换装置。在本发明实施例中，例如，控制器可以根据输入控制信号CTRL控制连接到自旋轨道耦合磁性器件301的电流源的数量，并控制每一个电流源的电流的大小和方向。此外，控制器302还可以根据输入控制信号CTRL，控制施加到自旋轨道耦合磁性器件301的磁场的磁场强度和磁场方向。通过控制器的上述控制操作，电子装置300可以在磁场驱动数据存储装置、电流驱动数据存储装置以及电流驱动逻辑装置中进行切换，从而实现了在单一的器件中的数据存储功能以及逻辑转换功能的集成。

图4是示出根据本发明的实施例的包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置作为的磁场驱动存储装置时的电路配置示意图。

如图4所示，电子装置400中的自旋轨道耦合磁性器件401包括分别与其叠层结构的四个端部电连接的四个电极411、412、413和414。在一个实施例中，控制器(未示出)可以被配置为将电流源421连接到电极411和412之间，并且将电流源421配置为在电极411和电极412之间提供幅值一定、频率一定的交流电。在一个实施例中，控制器还被配置为将电压表422连接到电极413和414之间，以用于测量自旋轨道耦合磁性器件401两端之间的电压。在一个实施例中，控制器进一步被配置为例如通过电磁铁(线圈)的方式向自旋轨道耦合磁性器件401提供沿着z方向且磁场强度变化的磁场。通过如上所述的配置，电子装置400可以形成为根据磁场驱动的存储装置。具体操作方式将在如下参照图7-图10进行描述。

图5是示出根据本发明的实施例的包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置作为的电流驱动存储装置时的电路配置示意图。

如图5所示，电子装置500中的自旋轨道耦合磁性器件501包括分别与其叠层结构的四个端部连接的四个电极511、512、513和514。在一个实施例中，控制器(未示出)可以被配置为将电流源521和电流源523连接到第一电极511和第二电极512之间，并且将电流源521配置为在电极511和电极512之间提供幅值一定、频率一定的交流电，而将电流源523配置为向自旋轨道耦合磁性器件501提供使得磁化强度翻转的脉冲电流。在一个实施例中，控制器还被配置为将电压表522连接到电极513和514之间，以用于测量自旋轨道耦合磁性器件501两端之间的电压。在一个实施例中，控制器进一步被配置为向自旋轨道耦合磁性器件501提供沿着x方向且磁场大小固定的磁场Hx。通过如上控制器的配置，电子装置500可以形成为通过电流驱动的存储装置。具体操作方式将在如下参照图11-图14进行描述。

图6是示出根据本发明的实施例的包含自旋轨道耦合磁性器件的电子装置作为的电流驱动逻辑装置时的电路配置示意图。

如图6所示，电子装置600的自旋轨道耦合磁性器件601包括分别与其叠层结构的四个端部连接的四个电极611、612、613和614。在一个实施例中，控制器(未示出)被配置为将电流源621连接到电极611和612之间。在一个实施例中，控制器还可以被配置为将作为输入的多个电流源连接到电极611和612之间，其中作为输入的电流源的数量可以根据需要的逻辑输入的位数以及自旋轨道耦合磁性器件中叠层结构的数量来确定。例如，在一个实施例中，当叠层结构的数量为N时，作为输入的电流源的数量为N-1。在图6所示的实施例中，以N＝3作为示例，控制器可以将两个电流源作为输入连接到电极611和612之间，而当N的数量增加时，可以将更多的电流源连接到电极611和612之间以提供逻辑输入。此外，在一个实施例中，控制器还被配置为将电压622连接到电极613和614之间，以用于测量两端之间的电压。在一个实施例中，控制器进一步被配置为向自旋轨道耦合磁性器件601提供沿着x方向且磁场大小固定的面内磁场Hx，以作为电子装置600的使能端。通过如上控制器的配置，电子装置600可以形成为根据电流驱动的逻辑装置。具体操作方式将在如下参照图15和图16进行描述。

以下将详细说明根据不同的操作模式来操作根据本发明的实施例的上述电子装置，使其实现不同的功能的具体方式。为了方便说明，在以下的示例中，分别以自旋轨道耦合磁性器件中的叠层结构的数量为3个(N＝3)以及4个(N＝4)来进行说明，但是应当理解的是，以下说明以及附图的有关内容仅是示意性的，而并非对本发明的限制。自旋轨道耦合磁性器件中的叠层结构的数量可以根据本领域技术人员所需的方式来进行配置。

图7是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置作为磁场驱动的数据存储装置时的操作流程图。图8是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置的磁场输入与电阻输出之间映射关系的示意图，其中图8的左侧示出了具有三层堆叠结构(N＝3)的自旋轨道耦合磁性器件，其中三个磁性层FM1、FM2和FM3中的每一个具有不同矫顽力大小，右侧示出了磁场输入与电阻输出之间映射关系。

下面将结合图4、图7和图8来说明当叠层结构的数量为3时，以磁场的方式来驱动电子装置400以作为数据存储装置的示例。

以上述参考图4描述的方式来配置电子装置400，具体地，在本实施例中，可以通过控制器将磁场方向设置为z方向，并将电极411和412之间的电流设置为0.5mA，以通过电极将电流施加至叠层结构中的每一层。

参考图7，该操作方法包括步骤S701～S703，分别说明如下。

步骤S701，控制器被配置为在磁场强度的预定的初始变化范围内进行第一次磁场扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

在进行磁场扫描之前，控制器可以被配置为设定初始的磁场强度的变化范围(-H₁，H₁)。磁场强度的变化范围的初始边界值H₁可以根据叠层结构中每一个磁性层的矫顽力大小进行预估。例如，在本发明的实施例中，可以将该初始边界值H₁设定为大于三个磁性层FM1、FM2和FM3中的最大矫顽力的值。在如图8所示的示例中，可以将该初始边界值H₁设定为300mT。在一个实施例中，控制器可以响应于所设定的磁场变换范围的初始边界值H₁为300mT，而在-300mT到300mT的范围内进行扫描的第一环路。例如，可以使磁场从-300mT增加到300mT再从300mT减小到-300mT，以完成磁场扫描的第一环路。在磁场扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图8所示，输入磁场H和输出电阻Rxy之间的映射关系可以形成对应于第一环路的闭合回线C1。

由于三个磁性层FM1、FM2和FM3中的矫顽力Hc₁、Hc₂、Hc₃的大小不同(在图8的示例中，Hc₁>Hc₃>Hc₂)，所以当磁场从负饱和状态向正饱和状态均匀变化(即，从-300mT增加到300mT)时，三个磁性层的磁化状态按照矫顽力从小到大的顺序依次翻转，并且当磁场再从正饱和状态向负饱和状态均匀变化(即，从300mT减小到-300mT)时，三个磁性层的磁化状态再次按照矫顽力从小到大的顺序依次翻转，从而形成六种不同的磁化状态：↓↑↑、↓↓↑、↓↓↓、↑↓↓、↑↑↓、↑↑↑，其中从左到右的三个箭头分别代表从上到下的三个磁性层FM1、FM2和FM3的磁化状态。如图8所示，该六种磁化状态分别对应于闭合回线C1中的六个不同电阻值的平台。若定义↓为0，↑为1，则可以获得六个不同电阻值以及其所对应的六个二进制的值011、001、000、100、110、111。

步骤S702，控制器被配置为在磁场变化的第二边界值的范围内进行两次磁场扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

控制器可以被配置为通过在小于三个磁性层FM1、FM2和FM3中的最大矫顽力，且大于三个磁性层FM1、FM2和FM3中的次大的矫顽力的磁场范围内确定第二边界值H₂。例如，在图8的示例中，可以在小于Hc₁，大于Hc₃的磁场范围内确定第二边界值H₂，从而获得第二和第三次磁场扫描的范围(-H₂，H₂)。如此，可以使得具有最大矫顽力的磁性层的磁化状态固定，而剩余两个FM层的磁化状态将随磁场变化而翻转。在如图8所示的示例中，可以将第二边界值H₂设置为120mT。在一个实施例中，控制器可以响应于所设定的第二边界值H₂为120mT，并以↓↑↑为初始状态，在-120mT到120mT的范围内以与上述相同方式的进行第二次扫描，以形成第二环路。进一步地，控制器还可以以↑↓↓为初始状态，在-120mT到120mT的范围内以与上述相同方式进行第三次扫描，以形成第三环路。在以上两次磁场扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图8所示，输入磁场H和输出电阻R_xy之间的映射关系形成对应于第二环路的闭合回线C2和对应于第三环路的闭合回线C3。需要说明的是，仅是为了更为清楚描述的目的，未将所有的闭合回线绘制在相同位置，例如，图8中相同的数字标号代表数值相同的点，例如共同标记为1、2、3或4的点代表的数值相同。以上描述的方式也适用于图10、图12和图14，以下将不再赘述。

在第二环路和第三环路中，由于FM1的磁化状态固定，而FM2和FM3的磁化状态随磁场变化而相应翻转，从而沿着磁场变化的顺序，分别形成↑↑↑、↑↓↑、↑↓↓、↑↑↓以及↓↑↑、↓↓↑、↓↓↓、↓↑↓共八种磁化状态，其中六个磁化状态与第一次扫描中的六种磁化状态重复，因而第二和第三环路中各自形成一个新的磁化状态，即↑↓↑和↓↑↓。如图8所示，该两个新的磁化状态分别对应于闭合回线C2和C3中的两个不同电阻值的平台。并且根据如上定义↓为0，↑为1，则可以获得两个不同的电阻值以及其所对应的两个二进制的值101、010。

步骤S703，控制器可以建立输入磁场H的变化与输出反常霍尔电阻R_xy之间的映射关系，并存储该映射关系。

在一个实施例中，当需要对在磁场驱动的操作模式下的数据存储装置进行存储操作时，可以通过控制器根据所存储的映射关系来对自旋轨道耦合磁性器件相应地施加电流和磁场，以改变自旋轨道耦合磁性器件的磁化状态，从而进行数据的存储操作。例如，当需要从一个磁化状态变化到另一个磁化状态时，可以根据映射关系中闭合回线的磁场施加的顺序，来相应地变化磁场，从而改变磁化状态以实现对数据存储装置的写入。此外，可以通过测量自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻并根据所存储的映射关系确定每个自旋轨道耦合磁性器件的磁化状态，从而实现数据的读取。例如，参考图8，当希望从状态↓↑↑变为↑↓↓时，可以按照闭合回线C1中的磁场变换顺序，将磁场从对应于↓↑↑的磁场变换到对应于↑↓↓的磁场，即依次施加经过↓↑↑、↓↓↑、↓↓↓、↑↓↓所对应的磁场来进行写入。在另一实施例中，当希望从状态↓↓↑变为↑↑↓时，可以按照闭合回线C1中的磁场变换顺序依次施加对应于↓↓↑、↓↓↓、↑↓↓、↑↑↓的磁场，以获得↑↑↓的状态。在另一个实施例中，可以通过测量反常霍尔电阻R_xy并根据映射关系来读取数据。以下以类似的方式实现磁场驱动的数据的存取，故不再赘述。在如图4所示的配置中，当N＝3时，可以获得八种(2³)不同的磁化状态，并且通过将上述共八种不同的磁化状态表示为二进制数，可以实现八位(2³)数据的存储。通过该实现方式的数据存储的密度相对于单层磁性层的磁存储器件密度提高了四倍。

图9是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置作为磁场驱动的数据存储装置时的操作流程图。图10是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置的磁场输入与电阻输出之间映射关系的示意图，其中图10的左侧示出了具有四个堆叠结构(N＝4)的自旋轨道耦合磁性器件，其中四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中的每一个具有不同矫顽力大小，右侧示出了磁场输入与电阻输出之间映射关系。

下面将结合图4、图9和图10来说明当叠层结构的数量为4时，以磁场的方式来驱动电子装置400以作为数据存储装置的示例。

以上述参考图4来描述的方式来配置电子装置400，具体地，在本实施例中，可以通过控制器将磁场方向沿着z方向，并将电极411和412之间的电流设置为0.5mA，以通过电极将电流施加至叠层结构中的每一层。

参考图9，该操作方法包括步骤S901～S904，分别说明如下。

步骤S901，控制器被配置为在磁场强度的预定的初始变化范围内进行第一次磁场扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

在进行磁场扫描之前，控制器可以被配置为设定初始的磁场强度的变化范围(-H₁，H₁)。磁场强度的变化范围的初始边界值H₁可以根据叠层结构中每一个磁性层的矫顽力大小进行预估。例如，在本发明的实施例中，可以将该初始边界值H₁设定为大于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中的最大矫顽力的值。在如图10所示的示例中，可以将该初始边界值H₁设定为250mT。在一个实施例中，控制器可以如上所述地在-250mT到250mT的范围内进行扫描的第一环路。在磁场扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图10所示，输入磁场H和输出电阻R_xy之间的映射关系可以形成对应于第一环路的闭合回线C1。

由于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4的矫顽力Hc₁、Hc₂、Hc₃、Hc₄的大小不同(在图10的示例中，Hc₁>Hc₂>Hc₃>Hc₄)，所以当磁场从负饱和状态向正饱和状态转而再向负饱和状态均匀变化时，四个磁性层的磁化状态如上所述地按照矫顽力从小到大的顺序依次翻转，从而形成八个不同的磁化状态：↓↑↑↑、↓↑↑↓、↓↑↓↓、↓↓↓↓、↑↓↓↓、↑↓↓↑、↑↓↑↑、↑↑↑↑，其中从左到右的四个箭头分别代表从上到下的四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4的磁化状态。如图10所示，该八种磁化状态分别对应于闭合回线C1中的八个不同电阻值的平台。若定义↓为0，↑为1，则可以获得八个不同电阻值以及其所对应的八个二进制的值0111、0110、0100、0000、1000、1001、1011、1111。

步骤S90，控制器被配置为在磁场变化的第二边界值的范围内进行两次磁场扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

控制器可以被配置为通过在小于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中的最大矫顽力Hc₁，且大于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中第二大的矫顽力Hc₂的磁场范围内确定第二边界值H₂。例如，在图10的示例中，可以确定第二边界值H₂为160mT，从而获得第二和第三次磁场扫描的范围(-160mT，160mT)。如此，可以使得具有最大矫顽力的FM1层的磁化状态固定，而剩余三个磁性层的磁化状态将随磁场变化而继续翻转。在一个实施例中，控制器可以响应于确定扫描范围为(-160mT，160mT)，并分别以↓↑↑↑和↑↓↓↓为初始状态，在-160mT到160mT的范围内以与上述相同方式的进行第二次扫描和第三次扫描，以形成第二环路和第三环路。在以上两次磁场扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图10所示，输入磁场H和输出电阻R_xy之间的映射关系形成对应于第二环路的闭合回线C2和对应于第三环路的闭合回线C3。

在第二和第三环路中，由于磁性层FM1的磁化状态固定，而磁性层FM2、FM3和FM4的磁化状态随磁场变化而相应翻转，从而沿着磁场变化的顺序，分别形成↓↑↑↑、↓↑↑↓、↓↑↓↓、↓↓↓↓、↓↓↓↑、↓↓↑↑和↑↑↑↑、↑↑↑↓、↑↑↓↓、↑↓↓↓、↑↓↓↑、↑↓↑↑共12种磁化状态，其中8个磁化状态与第一次扫描中的8种磁化状态重复，因而第二和第三环路中各自形成两个新的磁化状态↓↓↓↑、↓↓↑↑和↑↑↑↓、↑↑↓↓。如图10所示，该四个新的磁化状态分别对应于闭合回线C2和C3中的四个不同电阻值的平台。并且根据如上定义的：↓为0，↑为1，则可以获得四个不同的电阻值以及其所对应的四个二进制的值0001、0011和1110和1100。

步骤S903，控制器被配置为在磁场变化的第三边界值的范围内进行四次磁场扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

在如图10所示的实施例中，控制器可以被配置为通过在小于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中的第二大矫顽力Hc₂，且大于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中第三大的矫顽力Hc₃的磁场范围内确定第三边界值H₃。例如，在图10的示例中，控制器将第三边界值H₃配置为100mT。如此，可以使得两个具有最大矫顽力的磁性层FM1和FM2的磁化状态固定，而剩余两个磁性层FM3和FM4的磁化状态将随磁场变化而继续翻转。在一个实施例中，控制器可以响应于所设定的第三边界值H₃为100mT，并且分别以↑↓↑↑、↑↑↓↓、↓↑↓↓、和↓↓↑↑为初始状态，在-100mT到100mT的范围内以与上述相同方式的进行四次扫描，以形成第四环路、第五环路、第六环路和第七环路。在以上四次磁场扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图10所示，输入磁场H和输出电阻R_xy之间的映射关系分别形成第四闭合回线C4、第五闭合回线C5、第六闭合回线C6和第七闭合回线C7。

在第四环路、第五环路、第六环路和第七环路中，由于磁性层FM1和磁性层FM2的磁化状态固定，而磁性层FM3和FM4的磁化状态随磁场变化而相应翻转，从而沿着磁场变化的顺序，分别形成↑↓↑↑、↑↓↑↓、↑↓↓↓、↑↓↓↑和↑↑↓↓、↑↑↓↑、↑↑↑↑、↑↑↑↓和↓↑↓↓、↓↑↓↑、↓↑↑↑、↓↑↑↓和↓↓↑↑、↓↓↑↓、↓↓↓↓、↓↓↓↑共16个磁化状态，其中12个磁化状态与前述扫描的12种磁化状态重复，因而第四环路、第五环路、第六环路和第七环路中各自形成一个新的磁化状态，即↓↑↓↑、↓↓↑↓、↑↓↑↓、↑↑↓↑。如图10所示，该四个新的磁化状态分别对应于闭合回线C4、C5、C6和C7中的四个不同电阻值的平台。并且根据如上定义的：↓为0，↑为1，则可以获得四个电阻值以及其所对应的四个二进制的值0101、0010和1010和1101。

步骤S904，控制器可以建立输入磁场H的变化与输出反常霍尔电阻R_xy之间的映射关系，并存储映射关系。在如图4所示的配置中，当N＝4时，可以获得16种(2⁴)不同的磁化状态，并且通过将上述共16种不同的磁化状态表示为二进制数，可以实现16位(2⁴)数据的存储。通过该实现方式的数据存储的密度相对于单层磁性层的磁存储器件密度提高了八倍。

通过对于以上实施例的描述，本领域技术人员应当理解，以上对于电子装置中具有三层或四层堆叠结构的描述仅是示意性的，可以按照需求对堆叠结构的数量进行修改以实现更高密度的存储器。

例如，根据本发明的实施例，当具有N层堆叠结构时，可以按照以上描述的步骤来获得输入磁场H与输出反常霍尔电阻R_xy之间的映射关系。具体而言，首先，控制器可以在预定的磁场强度的范围内，形成磁场扫描的第一环路，以获得2N个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值以及对应的磁化状态的二进制表示。其次，在进行第一环路的磁场扫描之后，可以在对应于每个边界值为H_i(i为从1开始的整数序列)的相应的磁场强度的范围内，进行2^(i-1)次扫描，并共进行2^(N-1)-2次磁场扫描，形成磁场扫描的2^(N-1)-2个环路，以获得2^N-2N个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值。通过如上所述的方式，可以建立磁场的特征与所述2^N个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值之间的所述映射关系，并建立2^N个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值与对应的磁化状态的二进制表示之间的映射关系，并且根据磁场的特征与2^N个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值之间的映射关系，对自旋轨道耦合磁性器件施加相应的操作电流和操作磁场，以实现2^N位数据的存储操作。通过该实现方式的数据存储的密度相对于单层磁性层的磁存储器件密度提高了2^(N-1)倍。

图11是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置作为电流驱动的数据存储装置时的操作流程图。图12是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置的电流输入与电阻输出之间映射关系的示意图，其中图12的左侧示出了具有三层堆叠结构(N＝3)的自旋轨道耦合磁性器件，其中三个磁性层FM1、FM2和FM3中的每一个具有不同矫顽力大小，右侧示出了电流输入与电阻输出之间映射关系。

下面将结合图5、图11和图12来说明当叠层结构的数量为3时，以电流的方式来驱动电子装置500以作为数据存储装置的示例。

在一个实施例中，可以以上述参考图5描述的方式来配置电子装置500，具体地，可以通过控制器将磁场方向设置为x方向，并固定磁场的大小，例如为50mT。控制器还可以将第一电流源521的电流大小设置为0.5mA，并同时使第二电流源523提供脉冲电流作为对电子装置500的输入。

参考图11，该操作方法包括步骤S1101～S1103，分别说明如下。

步骤S1101，控制器被配置为在电流强度的预定的初始变化范围内进行第一次电流扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

在进行电流扫描之前，控制器被可以被配置为设定初始的电流强度的变化范围(-I₁，I₁)。电流强度的变化范围的初始边界值I₁可以根据叠层结构中每一个磁性层的矫顽力大小以类似于如上所述的方式进行预估。例如，在本发明的实施例中，初始边界值I₁可以设定为大于三个磁性层FM1、FM2和FM3中的最大矫顽力所对应的电流值。在如图12所示的示例中，可以将该边界值I₁设定为60mA。例如，在本发明的实施例中，控制器可以在-60mA到60mA的范围内进行类似以上所描述的扫描的第一环路。在电流扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图12所示，输入电流I和输出电阻R_xy之间的映射关系可以形成第一环路的闭合回线C1。

如上所述，在一个实施例中，在上述第一环路的闭合回线C1中，三个磁性层的磁化状态按照矫顽力从小到大的顺序依次翻转，从而形成类似于以上所描述的三个磁性层FM1、FM2和FM3的六种不同的磁化状态：↓↑↑、↓↓↑、↓↓↓、↑↓↓、↑↑↓、↑↑↑。如图12所示，该六种磁化状态分别对应于闭合回线C1中的六个不同电阻值的平台。若定义↓为0，↑为1，则可以获得六个不同电阻值以及其所对应的六个二进制的值011、001、000、100、110、111之间的映射关系。

步骤S1102，控制器被配置为在电流强度变化的第二边界值的范围内进行两次电流扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

控制器可以被配置为通过在小于三个磁性层FM1、FM2和FM3中的最大矫顽力，且大于三个磁性层FM1、FM2和FM3中的次大的矫顽力的磁场范围所对应的电流强度中确定第二边界值I₂。如此，可以使得具有最大矫顽力的FM层的磁化状态固定，而剩余两个磁性层的磁化状态将随电流的大小变化而翻转。在图12的示例中，控制器可以将第二边界值I₂设置为42mA。此时，控制器可以分别以↓↑↑和↑↓↓作为初始状态，在-42mA到42mA的范围内以与上述相同方式的进行第二次和第三次电流扫描，以形成第二环路和第三环路。在以上两次电流扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图12所示，输入电流I和输出电阻R_xy之间的映射关系形成第二环路的闭合回线C2和第三环路的闭合回线C3。

参考以上类似的描述，在第二环路和第三环路中，由于FM1的磁化状态固定，而FM2和FM3的磁化状态随磁场变化而相应翻转，从而第二和第三环路中各自形成新的磁化状态↑↓↑和↓↑↓。该两个新的磁化状态分别对应于闭合回线C2和C3中的两个不同电阻值的平台。并且根据如上定义↓为0，↑为1，则可以获得两个不同的电阻值以及其所对应的两个二进制的值101和010。

步骤S1103，控制器可以建立输入电流I的变化与输出反常霍尔电阻R_xy之间的映射关系，并存储该映射关系。

在一个实施例中，当需要对在电流驱动的操作模式下的数据存储装置进行存储操作时，可以通过控制器根据所存储的映射关系来对自旋轨道耦合磁性器件相应地施加电流和磁场，以改变自旋轨道耦合磁性器件的磁化状态，从而进行数据的存储操作。例如，当需要从一个磁化状态变化到另一个磁化状态时，可以根据映射关系中闭合回线的电流施加的顺序，来相应地变化电流强度，从而改变磁化状态以实现对数据存储装置的写入。此外，可以通过测量自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻并根据所存储的映射关系确定每个自旋轨道耦合磁性器件的磁化状态，从而实现数据的读取。以下以类似的方式实现电流驱动的数据的存取，故不再赘述。

例如，在如图5所示的配置中，当N＝3时，通过电流的驱动，可以获得八种(2³)不同的磁化状态，并且通过将上述共八种不同的磁化状态表示为二进制数，可以实现八位(2³)数据的存储。通过该实现方式的数据存储的密度相对于单层磁性的磁存储器件密度提高了四倍。

图13是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置作为电流驱动的数据存储装置时的操作流程图。图14是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置的电流输入与电阻输出之间映射关系的示意图，其中图14的左侧示出了具有四层堆叠结构(N＝4)的自旋轨道耦合磁性器件，其中四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中的每一个具有不同矫顽力大小，右侧示出了电流输入与电阻输出之间映射关系。

下面将结合图5、图13和图14来说明当叠层结构的数量为4层时，以电流的方式来驱动电子装置500以作为数据存储装置的示例。

参考图5的电路配置，在一个实施例中，可以通过控制器将磁场方向设置为x方向，并固定磁场的大小，例如为100mT。控制器还可以将第一电流源的电流大小设置为0.5mA，并同时使第二电流源523提供脉冲电流作为对电子装置500的输入。

参考图13，该操作方法包括步骤S1301～S1304，分别说明如下。

步骤S1301，控制器被配置为在电流强度的初始变化范围内进行第一次电流扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

在进行电流扫描之前，控制器被可以被配置为以与上述类似的方式设定初始的电流强度的变化范围(-I₁，I₁)。在如图14所示的示例中，控制器可以将该边界值I₁设定为80mA。并且然后控制器可以在-80mA到80mA的范围内进行类似以上所描述的扫描的第一环路。在电流扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图14所示，输入电流I和输出电阻R_xy之间的映射关系可以形成第一环路的闭合回线C1。

类似于以上所述，由于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4的矫顽力Hc₁、Hc₂、Hc₃、Hc₄的大小不同(在图14的示例中，Hc₁>Hc₂>Hc₃>Hc₄)，所以当电流按上述顺序变化时，四个磁性层的磁化状态按照矫顽力从小到大的顺序依次翻转，从而形成八种不同的磁化状态：↓↓↑↑、↓↓↑↓、↓↓↓↓、↓↑↓↓、↑↑↓↓、↑↑↓↑、↑↑↑↑、↑↓↑↑，其中从左到右的四个箭头分别代表从上到下的四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4的磁化状态。如图14所示，该八种磁化状态分别对应于闭合回线C1中的八个不同电阻值的平台。若定义↓为0，↑为1，则可以获得八个不同电阻值以及其所对应的八个二进制的值0011、0010、0000、0100、1100、1101、1111、1011。

步骤S1302，控制器被配置为在电流强度变化的第二边界值的范围内进行两次电流扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。

控制器可以被配置为通过在小于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中的最大矫顽力Hc₁，且大于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中第二大的矫顽力Hc₂的所对应的电场强度的范围内确定第二边界值I₂。例如，在图14的示例中，可以确定第二边界值I₂为48.8mA。如此，可以使得具有最大矫顽力的磁性层的磁化状态固定，而剩余三个磁性层的磁化状态将随磁场变化而继续翻转。在一个实施例中，控制器可以响应于确定扫描范围为(-48.8mA，48.8mA)，并分别以↓↓↑↑和↑↑↓↓作为初始状态进行第二次和第三次扫描，以形成第二环路和第三环路。在以上两次磁场扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图14所示，输入电流I和输出电阻R_xy之间的映射关系形成第二环路的闭合回线C2和第三环路的闭合回线C3。

如上所述，在第二环路和第三环路中，由于磁性层FM1的磁化状态固定，而磁性层FM2、FM3和FM4的磁化状态随磁场变化而相应翻转，从而沿着磁场变化的顺序，分别形成12种磁化状态，其中8个磁化状态与第一次扫描中的8种磁化状态重复，因而第二和第三环路中各自形成两个新的磁化状态，即↑↓↑↓、↑↓↓↓和↓↑↑↑、↓↑↓↑。如图14所示，该四个新的磁化状态分别对应于闭合回线C2和C3中的四个不同电阻值的平台。并且根据如上定义的：↓为0，↑为1，则可以获得四个不同的电阻值以及其所对应的四个二进制的值1010、1000和0111和0101。

在步骤S1303处，控制器被配置为在电流强度变化的第三边界值的范围内进行四次电流扫描，并控制电压表测量所输出的霍尔电压。在如图14所示的实施例中，控制器可以被配置为通过在小于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中的第二大矫顽力Hc₂，且大于四个磁性层FM1、FM2、FM3和FM4中第三大的矫顽力Hc₃的所对于的电流强度的范围内确定第三边界值I₃。例如，在图14的示例中，可以确定第三边界值I₃为45.8mA。如此，可以使得两个具有最大矫顽力的磁性层FM1和FM2的磁化状态固定，而剩余两个磁性层FM3和FM4的磁化状态将随磁场变化而继续翻转。在一个实施例中，控制器可以被配置为在-45.8mA到45.8mA的范围内以与上述相同方式，分别以↑↑↑↑、↑↓↓↓、↓↓↓↓、和↓↑↑↑为初始状态进行四次扫描，以形成第四环路、第五环路、第六环路和第七环路。在以上四次磁场扫描的过程中，控制器控制电压表实时测量所输出的霍尔电压，并进一步计算获得自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻R_xy。如图14所示，输入电流I和输出电阻R_xy之间的映射关系可以形成第四闭合回线C4、第五闭合回线C5、第六闭合回线C6和第七闭合回线C7。

在第四环路、第五环路、第六环路和第七环路中，由于磁性层FM1和磁性层FM2的磁化状态固定，而磁性层FM3和FM4的磁化状态随磁场变化而相应翻转，可以各自形成4个磁化状态，因此总共形成16个磁化状态，其中12个磁化状态与前述扫描的12种磁化状态重复，因而第四环路、第五环路、第六环路和第七环路中各自形成4个新的磁化状态↑↑↑↓、↑↓↓↑、↓↑↑↓、↓↓↓↑。如图14所示，该四个新的磁化状态分别对应于闭合回线C4、C5、C6和C7中的四个不同电阻值的平台。并且根据如上定义的：↓为0，↑为1，则可以获得四个电阻值以及其所对应的四个二进制的值1110、1001和0110和0001。

步骤S1304，控制器可以建立输入电流的变化与输出反常霍尔电阻R_xy之间的映射关系，并存储映射关系。

在如图5所示的配置中，当N＝4时，可以获得16(2⁴)种不同的磁化状态，并且通过将上述共16种不同的磁化状态表示为二进制数，可以实现16位(2⁴)数据的存储。通过该实现方式的数据存储的密度相对于单层磁性层的磁存储器件密度提高了八倍。

此外，根据本发明的实施例，当具有N层堆叠结构时，可以按照以上描述的步骤来获得输入电流I与输出反常霍尔电阻R_xy之间的映射。具体而言，首先，控制器可以在预定的电流大小的范围内，进行第一环路的电流扫描，以获得2N个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值以及对应的磁化状态的二进制表示。其次，在进行第一环路的电流扫描之后，可以在对应于每个边界值为I_i(i为从1开始的整数序列)的相应的电流大小的范围内，进行2^(i-1)次扫描，并共进行2^(N-1)-2次电流扫描，形成电流扫描的2^(N-1)-2个环路，以获得2^N-2N个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值。通过如上所述的方式，可以建立并存储电流的特征与2^N个不同的所述自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值之间的所述映射关系，并建立2^N个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值与对应的磁化状态的二进制表示之间的映射关系，并根据电流的特征与2^N个不同的所述自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值之间的映射关系，对自旋轨道耦合磁性器件施加相应的操作电流和操作磁场，以实现2^N位数据的存储操作。通过该实现方式的数据存储的密度相对于单层磁性层的磁存储器件密度提高了2^(N-1)倍。

图15是示出根据本发明的实施例的具有三个叠层结构的电子装置作为电流驱动的逻辑装置时的操作流程图。

下面将结合图6和图15来说明当叠层结构的数量为3层时，以两个电流作为输入的自旋轨道耦合磁性器件实现2-4译码器的示例。

以上述参考图6描述的电路连接方式来配置电子装置600，具体地，在本实施例中，可以通过控制器沿着x方向提供固定大小为50mT的面内磁场，作为器件的使能。控制器还可以将第四电流源625设置为提供幅值为42.25mA且沿着+x方向的脉冲电流I_bias，并将第二电流源623和第三电流源624配置为提供脉冲电流I_A和I_B作为输入。

参考图15，该操作方法包括步骤S1501～S1503，分别说明如下。

步骤S1501，控制器可以被配置为将两个电流I_A和I_B的不同组合作为对自旋轨道耦合磁性器件的逻辑输入。

在一个实施例中，控制器可以将I_A设置为幅值为8.75mA的脉冲电流，并将IB设置为幅值为11mA的脉冲电流。并且可以如下定义逻辑输入：将沿着+x方向的电流I_A或I_B定义为逻辑输入“1”，且将沿着-x方向的电流I_A或I_B定义为逻辑输入“0”。通过以上方式，在一个实施例中，根据I_A和I_B的电流的不同输入方向的组合，可以实现00、10、01、11四种逻辑输入的组合。

步骤S1502，控制器可以被配置为测量相应的霍尔电压，而输出对应的四个不同磁化状态以及相应四个反常霍尔电阻值。

如上所述，参考图12所示的电流输入与电阻输出之间映射关系可知，从-60mA到60mA的电流扫描中，特定的电流值(例如，22.5mA、40mA、44.5mA、62mA)将对应于四个不同的电阻值的平台，即四个不同的磁化状态。因此，在一个实施例中，控制器可以被配置为从初始的磁化状态↓↑↑出发，通过电流输入的不同组合(输入电流I_A和I_B的逻辑运算+偏置电流I_bias)，而分别实现↓↑↑、↓↓↑、↓↓↓、↑↓↓四个不同的磁化状态，其同样地对应四个不同的反常霍尔电阻值R_xy。

步骤S1503，控制器可以被配置为建立两个输入的逻辑值与四个反常霍尔电阻值之间的映射关系，并存储映射关系，从而实现2-4译码器电路。

所得到的映射关系如下面的表1中所示。

表1

在一个实施例中，当需要对在电流驱动的操作模式下的数据存储装置进行逻辑操作时，可以通过控制器根据所存储的映射关系(例如表1)来对自旋轨道耦合磁性器件相应地施加电流和磁场，以改变自旋轨道耦合磁性器件的磁化状态，从而进行数据的逻辑转换操作。此外，可以通过测量自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻并根据所存储的映射关系确定每个自旋轨道耦合磁性器件的磁化状态，从而实现数据的读取。以下以类似的方式实现电流驱动的数据的逻辑转换操作，故不再赘述。

通过上述操作方式，可以在单个器件中，实现用多个逻辑门组合得到的逻辑单元，即2-4译码器的功能，而无需多个器件的级联。

图16是示出根据本发明的实施例的具有四个叠层结构的电子装置作为电流驱动的逻辑装置时的操作流程图。

下面将结合图6和图16来说明当叠层结构的数量为4层时，以三个电流作为输入的自旋轨道耦合磁性器件实现3-8译码器的示例。

以上述参考图6描述的电路连接方式来配置电子装置600，具体地，在本实施例中，可以通过控制器沿着x方向提供固定大小为50mT的面内磁场，作为器件的使能。控制器还可以将第二电流源623、第三电流源624和第四电流源625作为输入分别提供脉冲电流I_A、I_B和I_C。

参考图16，该操作方法包括步骤S1601～S1603，分别说明如下。

步骤S1601，控制器可以被配置为将三个电流I_A、I_B和I_C的不同组合作为对自旋轨道耦合磁性器件的逻辑输入。

在一个实施例中，控制器可以将I_A设置为幅值为1.4mA的脉冲电流，将I_B设置为幅值为3.6mA的脉冲电流，并将I_C设置为幅值为44.4mA的脉冲电流。并且可以如下定义逻辑输入：将沿着+x方向的电流I_A、I_B或I_C定义为逻辑输入“1”，且将沿着-x方向的电流I_A、I_B或I_C定义为逻辑输入“0”。通过以上方式，在一个实施例中，根据I_A、I_B和I_C的电流的不同输入方向的组合，可以实现输入的逻辑组合：001、101、011、111、000、100、010、110。

步骤S1602，控制器可以被配置为测量相应的霍尔电压，而输出对应的八个不同磁化状态以及相应的八个反常霍尔电阻值。

如上所述，参考图14所示的电流输入与电阻输出之间映射关系可知，在-80mA到80mA的电流扫描环路中，特定的电流值将对应于八个不同的电阻值的平台，即八个不同的磁化状态：↓↓↑↑、↓↓↑↓、↓↓↓↓、↓↑↓↓、↑↑↓↓、↑↑↓↑、↑↑↑↑、↑↓↑↑。因此，在一个实施例中，控制器可以被配置为通过三个电流的八种组合输入(001、101、011、111、000、100、010、110)分别实现↓↓↑↑、↓↓↑↓、↓↓↓↓、↓↑↓↓、↑↑↓↓、↑↑↓↑、↑↑↑↑、↑↓↑↑八种不同的磁化状态的输出，其同样地对应八个不同的反常霍尔电阻值R_xy。

步骤S1603，控制器可以被配置为建立三个电流输入的逻辑值与八个反常霍尔电阻值之间的映射关系，从而实现3-8译码器电路。

所得到的映射关系如下面的表2中所示。

表2

通过上述操作方式，可以在单个器件中，实现需用多个逻辑门组合实现的3-8译码器的功能，而无需多个器件的级联。

通过对于以上实施例的描述，本领域技术人员应当理解，以上对于电子装置中具有三层或四层堆叠结构的描述仅是示意性的，可以按照需求对堆叠结构的数量进行修改以实现更复杂的逻辑器件。例如，对于具有N个叠层结构的自旋轨道耦合磁性器件，可以将包括N-1个电流的操作电流作为对自旋轨道耦合磁性器件的输入，并且通过对于霍尔电压的测量，可以获得2^N-1个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值作为输出，由此可以建立并存储N-1个电流输入的逻辑值与2^N-1个反常霍尔电阻值之间的映射关系。根据N-1个输入的逻辑值与2^N-1个不同的自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值之间的映射关系，对自旋轨道耦合磁性器件施加相应的操作电流和操作磁场，以进行数据的逻辑操作——例如实现更高级别的译码器电路。

图17是示出根据本发明的实施例的示例的磁性器件的制造方法的流程图。如图17所示，制备如图1的磁性器件100的方法包括以下步骤：

参考图17，该制造方法包括步骤S1701～S1702，分别说明如下。

步骤S1701，形成N个堆叠结构，并由下至上依次堆叠N个叠层结构，其中每个叠层结构包括自旋轨道耦合材料层、磁性层以及隔挡层。在一个实施例中，通过超高真空磁控溅射系统生长多个堆叠结构。并且然后利用激光直写将多个堆叠结构制作为十字形状。

步骤S1702，在N个叠层结构的边缘处形成多个电极。在形成了上述多个叠层结构之后，可以在十字形状的四个端部沉积四个金属电极。从而形成自旋轨道耦合磁性器件100。

虽然上文中已经用一般性说明及具体实施方式，对本公开作了详尽的描述，但在本公开实施例基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本公开精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本公开要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种自旋轨道耦合磁性器件，其包括：

依次堆叠设置的N个叠层结构，其中，所述N个叠层结构每一个依次包括自旋轨道耦合材料层、磁性层以及隔挡层，并且所述磁性层具有垂直各向异性；以及

多个电极，分别耦接到所述N个叠层结构，

其中，N为大于或等于2的整数。

2.如权利要求1所述的器件，其中，所述N个叠层结构中的每一个所述磁性层被设置为具有不同的矫顽力。

3.一种电子装置，包括：

如权利要求1-2任一所述的自旋轨道耦合磁性器件；以及

至少一个控制器，被配置根据的控制信号来控制施加到所述叠层结构的电流以及磁场的大小和方向。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述控制器被配置为将一个或多个电流源连接到与所述N个叠层结构的第一端部和第二端部耦接的电极，以向其施加一个或多个操作电流。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述控制器被配置为将至少一个电压表连接到与所述N个叠层结构的第三端部和第四端部耦接的电极，以通过所述电压表来测量所述N个叠层结构的霍尔电压。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述控制器被配置为通过对所述自旋轨道耦合磁性器件施加操作电流和操作磁场，以获得所述操作电流的特征和所述操作磁场的特征与所述自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻之间的映射关系，

其中，所述操作电流的特征包括所施加的电流的个数、大小以及方向，并且所述操作磁场的特征包括磁场强度和磁场方向。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述控制器被配置为根据所述操作磁场的特征与2^N个不同的所述自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值之间的映射关系，对所述自旋轨道耦合磁性器件施加相应的所述操作电流和所述操作磁场，以进行数据的存储操作。

8.如权利要求6所述的装置，其中，所述控制器被配置为根据所述操作电流的特征与2^N个不同的所述自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值之间的映射关系，对所述自旋轨道耦合磁性器件施加相应的所述操作电流和所述操作磁场，以进行数据的存储操作。

9.如权利要求6所述的装置，其中，所述控制器被配置为根据N-1个输入的逻辑值与2^N-1个不同的所述自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻值之间的映射关系，对所述自旋轨道耦合磁性器件施加相应的所述操作电流和所述操作磁场，以进行数据的逻辑操作。

10.一种操作如权利要求1所述的自旋轨道耦合磁性器件的方法，包括：

通过对所述自旋轨道耦合磁性器件施加操作电流和操作磁场，以获得所述操作电流的特征和所述操作磁场的特征与所述自旋轨道耦合磁性器件的反常霍尔电阻之间的映射关系，

其中，所述操作电流的特征包括所施加的电流的个数、大小以及方向，并且所述操作磁场的特征包括磁场强度和磁场方向。

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