CN111384235A - 一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的nsot-mram装置 - Google Patents

Abstract

一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT‑MRAM装置，包括磁性固定层、反铁磁自由层、绝缘层和缓冲层；绝缘层位于磁性固定层和反铁磁自由层之间，一层缓冲层位于绝缘层与磁性固定层之间，另一缓冲层位于绝缘层与反铁磁自由层之间；磁性固定层和反铁磁自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。本发明的器件工作频率高，在THz量级，远高于基于铁磁性自由层的MRAM装置的工作频率。

Description

一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置

技术领域

本发明属于电磁结构技术领域，特别涉及一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置。

背景技术

磁性隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)由两磁性金属(可以是铁磁性、亚铁磁性或反铁磁性金属)和夹在其间的超薄绝缘层组成。其中一磁性金属的磁序参量的取向固定，称为固定层；另一磁性金属的磁序参量的取向可以旋转，称为自由层。如果在两磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可通过隧穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流的大小取决于固定层和自由层的磁序参量的相对取向(平行或反平行，分别称为平行磁结构和反平行磁结构，对应二进制状态的“1”和“0”。)，这种现象称为隧穿磁电阻(tunneling magnetoresistance，TMR)效应，其大小为体系的反平行磁结构的电阻R_反平行与平行磁结构的电阻R_平行的差值与平行磁结构的电阻的比值，既TMR＝(R_反平行-R_平行)/R_平行。两磁性金属层的磁序参量的相对取向可通过施加外部磁场来改变，也可以通过施加电流来改变。

磁性材料的取向可以由单一的磁各向异性场、外加磁场以及交换偏置场或者它们的组合来决定。由于外部磁场的施加不利于磁结构的微型化，通过外部磁场来改变磁性隧道结的自由层的磁序参量的取向这种方法在实验室里应用较多，而在真正的磁性器件上应用较少。通过电流改变磁结构的自由层的磁序参量的取向的方法具有良好的扩展性(scalability)，可以应用到低至几个纳米的磁结构中，是目前改变磁结构的自由层的磁序参量的优选方法。例如在具有两个铁磁金属层和超薄绝缘层的铁磁隧道结中，使电流通过具有固定磁化取向的第一铁磁金属层以实现自旋极化，然后自旋极化的电流可以被引导入自由层中并被局域磁矩吸收，引起角动量的转移，由此激发的自旋转矩(Spin transfertorque，STT)对自由层中的局部磁矩产生影响，当电流超过临界电流将导致自由层的磁化翻转，从而实现二进制信息“1”和“0”的擦和写。

目前，MRAM中MTJ的磁性自由层一般采用铁磁材料。利用自旋极化电流(自旋转矩)实现基于铁磁材料的磁性自由层的MTJ(称为FM-MTJ)的数据擦写的自旋极化电流一般在10⁶到10⁷A/cm²，较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度且同时消耗更多的电量，更大的问题是容易造成FM-MTJ的热击穿。为了解决该问题，可以在FM-MTJ的铁磁自由层下铺设一层重金属层，利用重金属层中的自旋霍尔效应实现FM-MTJ的自由铁磁层的磁化方向翻转。具体是就是横向流过重金属层的电流由于自旋霍尔效应产生垂直FM-MTJ的自由铁磁层和重金属层界面的自旋极化电流，该自旋极化电流被FM-MTJ的自由铁磁层吸收后产生自旋转矩驱动FM-MTJ的自由铁磁层的磁化方向翻转。横向流过重金属层的电流可以在10⁷到10⁸A/cm²，由于重金属的低电阻率和大热导系数，FM-MTJ的自由铁磁层和重金属层界面的局部热效应不会影响FM-MTJ的稳定性。

由于铁磁材料易于受磁矩的影响，基于FM-MTJ的MRAM的稳定性会受到外部磁场和内部电流产生的磁场的影响，这会降低MRAM的可靠性，同时不利于MRAM集成度的提高。另外，电流驱动FM-MTJ的磁矩翻转的特征时间取决于磁性自由层的磁晶各向异性场。典型铁磁材料的磁矩翻转的特征频率在10⁷到10⁹Hz，提高基于FM-MTJ的MRAM的运算性能的一种方法就是尽量提高这个特征频率。

反铁磁材料自发现以来便被认为是“有趣但无用”的，因为它净磁矩为零，具有无杂散磁场、对磁场和温度不敏感的优点，但难以被外磁场调控。因此，长期以来主要用于交换偏置效应中，在巨磁电阻或隧穿磁电阻器件中起硬磁层的作用。现有磁存储技术中未考虑有效利用反铁磁材料性能，在存储器件应用方面的研究亟待开展。例如，充分利用反铁磁净磁矩为零，无杂散场的特点，有望避免目前铁磁存储单元因为杂散场的存在，导致相邻铁磁存储单元不能太近的难题，从而进一步提高存储密度；充分利用反铁磁对温度及外磁场不敏感的特性，进一步提高器件的稳定性。

零净磁矩的反铁磁材料具有优越的磁场稳定性、高达TH_Z(10¹²Hz)的超快自旋进动和极低的能量损耗。调控反铁磁序的有效方法有磁场、电流和热流。由于需要在极高的磁场下才能被有效调控，通过电流和热流来调控反铁磁序成为优选方法。研究表明大约10⁶Acm^-2的电流就可以改变四方CuMnAs的反铁磁序的方向(Wadley,P.et al.,Science 351,587(2016))，大约10⁷Acm^-2的电流就可以改变四方Mn₂Au的反铁磁序的方向(Bodnar,S.Yu.etal.,Nat.Commun.9,348(2018))。四方CuMnAs和Mn₂Au具有中心反对称共线反铁磁结构，横向流过它们的电流会产生奈尔自旋轨道场(Néel spin-orbit field，NSOF)，这个有效场的特别之处是其作用到两个反向的子晶格磁矩上的转矩(Néel spin-orbit torque，NSOT)方向相反。反铁磁序在NSOT作用下发生进动，当横向作用电流超过临界电流时会发生反铁磁序翻转。这些研究引发了反铁磁研究的热潮，促进了反铁磁自旋电子学的发展。四方Mn₂Au具有高达1500K的奈尔温度和约6％的各向异性磁电阻。室温下四方Mn₂Au和CuMnAs的电阻率分别为22μΩ·cm和160μΩ·cm。当电流流过时，在前者中较小的焦尔热更有利于器件的热稳定性和可靠性。

除了横向电流外，纵向流经磁性隧道结的电流产生的自旋转矩也可以驱动反铁磁自由层的磁序参量进动。对于易面的四方反铁磁体，自旋转矩的场分量部分可以决定的使反铁磁自由层的磁序在两个磁构型之间来回翻转。纵向电流可以作为辅助以减小施加的横向写入电流的电流密度。

与基于FM-MTJ的MRAM相比，基于反铁磁材料作为磁性自由层的MTJ(称为：AFM-MTJ)的磁随机存贮器通常利用流过反铁磁材料的横向电流产生的NOST来切换自由层与固定层磁序的相对取向，继而实现数据写入。由于AFM-MTJ的反铁磁自由层的磁矩翻转的特征频率在10¹⁰到10¹²Hz，远大于FM-MTJ的铁磁自由层的磁矩翻转的特征频率，基于AFM-MTJ的MRAM的运算速度远大于基于FM-MTJ的MRAM的运算速度。由于磁场对反铁磁自由层基本没有影响，基于AFM-MTJ的MRAM不受外部磁场和内部电流产生的磁场的影响，具有极高的磁稳定性。由于写电流横向流过低电阻率的反铁磁金属而不流过MTJ，读电流纵向流过MTJ，这种读写分离的结构提高了基于AFM-MTJ的MRAM热稳定性。但这种NSOT-MRAM的写入电流密度依赖于反铁磁金属的自旋转移效率和反铁磁材料的有效场，一般情况下写入的电流密度还是比较高，限制了存储单元阵列的排列密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁性隧道结，包括磁性固定层、反铁磁自由层、绝缘层和缓冲层；绝缘层位于磁性固定层和反铁磁自由层之间，一层缓冲层位于绝缘层与磁性固定层之间，另一缓冲层位于绝缘层与反铁磁自由层之间；磁性固定层和反铁磁自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。

进一步的，反铁磁自由层为四方Mn₂Au或CuMnAs，厚度为0.1nm～10nm。

进一步的，磁性固定层的厚度大于反铁磁自由层的厚度或通过外接反铁磁钉扎层对磁矩进行固定；磁性固定层由铁磁性或亚铁磁性金属Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与元素B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种的合金制成。

进一步的，磁性固定层或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，具体为3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co。

进一步的，磁性固定层或由半金属铁磁材料制成，具体包括形式为XYZ或X₂YZ的Heusler合金，其中X为Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z为Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种。

进一步的，磁性固定层或由反铁磁材料制成，具体为Mn₂Au、CuMnAs、FeMn、IrMn或PtMn。

进一步的，磁性固定层或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料为Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料为Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。

进一步的，绝缘层为氧化物、氮化物或氮氧化物，具体为Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Pd、Ag、Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；

绝缘层或为SiC、C或陶瓷材料；

缓冲层为Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.0nm～10nm。

一种基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置，包括六个电极，第一电极与第二电极分别置于磁性隧道结的磁性固定层外侧和反铁磁自由层外侧；第三到第六电极置于反铁磁自由层侧面，其中第三电极和第五电极成对，其方向沿反铁磁自由层的一个易磁化方向，第四电极和第六电极成对，其方向沿反铁磁自由层的另一个易磁化方向；

进一步的，电极材料为金属或合金材料，具体为Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种；

电极材料或为碳系导电材料，具体为石墨、碳纳米管或竹炭。

NSOT：Néel spin-orbit torque，称为NSOT,奈尔自旋-轨道矩；

MRAM：magnetic random access memory，称为MRAM，磁性随机存储器；

NSOT-MRAM：奈尔自旋-轨道矩磁性随机存储器。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的MRAM器件基于AFM-MTJ，其工作频率取决于反铁磁自由层的特征频率。典型的反铁磁材料的特征频率在10¹⁰到10¹²Hz，基于AFM-MTJ的MRAM器件的工作频率一般远高于基于FM-MTJ的MRAM器件的工作频率。

本发明的结构写入电流有两个，一个是横向流过反铁磁金属的电流，一个是纵向流过AFM-MTJ的电流，因而写入电流的密度更低，磁化翻转临界电流密度大约在10⁷～10⁸Acm^-2，而单纯使用自旋转移矩操控反铁磁自由层的磁性随机存储器的翻转临界电流密度大约为10⁸～10⁹Acm^-2；

本发明基于AFM-MTJ的MRAM的核心结构为一个磁性固定层，一个绝缘层、一个反铁磁自由层和界于绝缘层和磁性固定层以及反铁磁自由层的两个的缓冲层，相比采用SOT驱动的基于FM-MTJ的MRAM少了一层重金属层。通过施加在反铁磁自由到的横向电流产生的NSOT操控磁性隧道结的磁结构，简化了反铁磁隧道结的设计，利于减小隧道结的厚度和器件体积，利于提高存储单元阵列排列密度；

本发明通过纵向小电流读取存贮在MRAM中的信息，通过一个横向流过反铁磁金属自由层的电流和一个纵向流过AFM-MTJ的电流擦写信息。这种读写分离的结构有助于保护磁性结构在反复操作中不易被高电流密度损坏。

附图说明

图1为一种基于反铁磁自由层的磁性结构的示意图。

图2为一种基于反铁磁自由层的NSOT-MRAM示意图。

图3(a)为一种基于反铁磁自由层的NSOT-MRAM写入数据“0”的过程；图3(b)和(c)展示出两种在基于反铁磁自由层的NSOT-MRAM上数据“0”读取示意图。

图4(a)为一种基于反铁磁自由层的NSOT-MRAM写入数据“1”的过程；图4(b)和(c)展示出两种在基于反铁磁自由层的NSOT-MRAM上数据“1”读取示意图。

图5(a)为根据本发明公开的一个实施例的Fe-MgO-Ag-Mn₂Au隧道结的平行磁结构和反平行磁结构的电导G随MgO势垒层厚度的变化曲线，左侧电极选用Ag,右侧电极选用Ta。图5(b)是图5(a)所示隧道结系统的磁电阻随MgO势垒层厚度的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图5，图1展示出根据本发明公开的一种磁性装置，图1和本发明的任何其它图示未按比例画出。图1所示的铁磁固定层15的磁化方向大致垂直指向面外或平行于面内，所示的反铁磁自由层11的磁序参量方向大致垂直指向面外或平行于面内。如图1所示，该磁性装置由“铁磁层15-缓冲层14-势垒层13-缓冲层12-反铁磁层11”构成，该磁性装置横向线度为1nm～100nm且各组成部分可以根据需要具有不同的形状，外加电场的电压调控所需范围为0.1V～15V，上述势垒层的厚度为0.3nm～10nm，反铁磁自由层的厚度在0.6nm～10nm，缓冲层厚度在0.0nm～10nm，磁性固定层的厚度应显著大于反铁磁自由层的厚度或通过外接反铁磁钉扎层(未示出)对磁矩进行固定。在一些实施例中，磁性隧道结装置可以根据需要具有圆形、椭圆形、矩形、正方形或任何其它形状的横截面。

在本实施例中，磁性固定层15、反铁磁自收层11以及缓冲层12和14都是导电的。

在本实施例中，固定层15由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种。

在其他实施例中，固定层15或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co。

或由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X₂YZ的Heusler

合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种。

或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。

或由反铁磁材料制成，选自Mn₂Au、CuMnAs、FeMn、IrMn和PtMn。

在本实施例中，绝缘层13是绝缘隧道势垒层，可以为氧化物，氮化物，或氮氧化物，组成元素选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Pd、Ag、Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种。

在另一些实施例中，绝缘层13选自但不限于SiC、C或陶瓷材料。

在本实施例中，缓冲层12和14的组成元素选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。

在本实施例中，反铁磁自由层11材料选自四方Mn₂Au和CuMnAs。

图2展示出一种基于反铁磁自由层的NSOT-MRAM装置。由磁性结构10、第一电极21、第二电极22、和电极23、24、25和26组成的MRAM装置。该装置包括一个基于反铁磁自由层11的磁性隧道结10，其包括一个磁性固定层15、一个反铁磁自由层11和一个位于磁性固定层15和反铁磁自由层11之间的势垒层13，还包括位于反铁磁自由层11和势垒层13之间的缓冲层12以及位于磁性固定层15和势垒层13之间的缓冲层14。磁性固定层15和反铁磁自由层11的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。

第一电极21与磁性隧道结的磁性固定层15接触，第二电极22与磁性隧道结的反铁磁自由层11下侧接触，第三到第六电极23-26与磁性隧道结的反铁磁自由层11的侧面接触，其中第三电极23与第五电极25相对，第四电极24与第六电极26相对，第三电极23指向第五电极25的方向与第四电极24指向第六电极26的方向近乎垂直。第三电极23指向第五电极25的方向和第四电极24指向第六电极26的方向与反铁磁自由层11的磁序参量的方向，既反铁磁自由层11中所示粗箭头的方向，近乎平行或者垂直。

本实施例中，电极材料为金属或合金材料，选自但不限于Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种；

在一些实施例中，电极材料为碳系导电材料，选自但不限于石墨、碳纳米管或竹炭。

通过向反铁磁自由层11单独施加横向电流来实现写入时，所述横向电流密度大于临界值J_c；通过同时向反铁磁自由层11施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流来实现写入时，所述横向电流密度低于临界值J_c，其中J_c在10⁷～10⁸Acm^-2；所述横向电流和纵向电流为直流或交流。为了保证横向电流主要流过反铁磁自由层11，可以适当减小缓冲层12和电极22的横向半径；或者在反铁磁自由层11和电极22之间增加适当厚度的绝缘层(未示出)。

图3(a)展示了一种在横向和纵向电流共同作用下，基于反铁磁自由层11的NSOT-MRAM装置写入数据“0”的过程：同时向反铁磁自由层11施加横向未临界电流和向磁性隧道结施加纵向辅助电流来实现数据写入时，反铁磁自由层11的磁矩在横向未临界电流和纵向辅助电流的共同作用下发生翻转，开始写入数据“0”，其中VDD1、VDD2为高电平，GND1和GND2为低电平，横向写电流从VDD1流入后经反铁磁自由层从GND1流出，纵向写电流从VDD2流入后经磁性隧道结从GND2流出；反铁磁自由层11的磁矩发生翻转后，磁性隧道结的电阻态与未翻转前不同，磁结构在电流作用与完成数据“0”的写入；图3(b)和图3(c)展示出两种不同方向电流下读取该磁性隧道结数据的示意图，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构从GND流出，读出当前数据“0”。

图4(a)展示了一种在横向和纵向电流共同作用下，基于反铁磁自由层11的NSOT-MRAM装置写入数据“1”的过程：同时向反铁磁自由层11施加横向未临界电流和向磁性隧道结施加纵向辅助电流来实现数据写入时，反铁磁自由层11的磁矩在横向未临界电流和纵向辅助电流的共同作用下发生翻转，开始写入数据“1”，其中VDD1、VDD2为高电平，GND1和GND2为低电平，横向写电流从VDD1流入后经反铁磁自由层从GND1流出，纵向写电流从VDD2流入后经磁性隧道结从GND2流出；反铁磁自由层11的磁矩发生翻转后，磁性隧道结的电阻态与未翻转前不同，磁结构在电流作用与完成数据“1”的写入；图4(b)和图4(c)展示出两种不同方向电流下读取该磁性隧道结数据的示意图，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构从GND流出，读出当前数据“1”。

基于可靠的第一性原理计算方法(夏钶等，CN108010549A)可以获得基于反铁磁自由层的磁结构的电导G和隧穿磁电阻TMR。图5(a)展示了一个实施例Fe-MgO-Ag-Mn₂Au隧道结的平行磁结构和反平行磁结构的电导G随MgO势垒层厚度的变化曲线，左侧电极Ag和Fe连接,右侧电极Ta和Mn₂Au连接，在MgO和Mn₂Au之间有缓冲层Ag，在Fe和MgO之间没有缓冲层。本实施例仅给出了一种特别情况下的Fe-MgO-Ag-Mn₂Au隧道结的电导和隧穿磁电阻，第一是MgO在Fe上外延生长，MgO的氧原子生长在Fe原子上；Ag在MgO-Fe之上外延生长，Ag原子生长在MgO的氧原子上；计算过程中不考虑界面的晶胞失配；第二是Mn₂Au在Ag上溅射生长，通过构建二维超胞的方法获得Ag-Mn₂Au，通过调整界面上的Ag和Mn₂Au原子的位置使它们之间的重合度最小；第三是Mn₂Au原子的Au原子生长在Ag原子上。在所有的计算过程中都不考虑界面可能存在的缺陷和无序现象。图5(a))和(b)给出了Fe-MgO-Ag-Mn₂Au隧道结随MgO的原子层数变化的电导G和隧穿电阻TMR。计算过程取4原子层Ag。界面Ag-Mn₂Au有三种可能构型，第一种是Au原子与Ag原子接触，第二种是磁矩取向与Fe的磁矩取向相同的Mn原子与Ag原子接触，第三种是磁矩取向与Fe的磁矩取向相反的Mn原子与Ag原子接触。图5(a))和(b)中仅给出了第一种构型下(既Au原子与Ag原子接触界面)的Fe-MgO-Ag-Mn₂Au隧道结随MgO的原子层数变化的电导G和隧穿电阻TMR。由图5(a)可见，在所示范围内反平行磁结构的电导G随MgO势垒层的厚度增加呈指数减小，平行磁结构的电导G仅当MgO势垒层大于5个原子层时才随MgO势垒层的厚度增加呈指数减小。图5(b)是根据图5(a)数据得到的体系的磁电阻随MgO势垒层厚度的变化曲线。在MgO势垒层有9个原子层厚度时，该实施例Fe-MgO-Ag-Mn₂Au隧道结的TMR达到约2000％。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁性隧道结，其特征在于，包括磁性固定层、反铁磁自由层、绝缘层和缓冲层；绝缘层位于磁性固定层和反铁磁自由层之间，一层缓冲层位于绝缘层与磁性固定层之间，另一缓冲层位于绝缘层与反铁磁自由层之间；磁性固定层和反铁磁自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。

2.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结，其特征在于，反铁磁自由层为四方Mn₂Au或CuMnAs，厚度为0.1nm～10nm。

3.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层的厚度大于反铁磁自由层的厚度或通过外接反铁磁钉扎层对磁矩进行固定；磁性固定层由铁磁性或亚铁磁性金属Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与元素B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种的合金制成。

4.根据权利要求3所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，具体为3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co。

5.根据权利要求3所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层或由半金属铁磁材料制成，具体包括形式为XYZ或X₂YZ的Heusler合金，其中X为Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z为Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层或由反铁磁材料制成，具体为Mn₂Au、CuMnAs、FeMn、IrMn或PtMn。

7.根据权利要求3所述的一种磁性隧道结，其特征在于，磁性固定层或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料为Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料为Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结，其特征在于，绝缘层为氧化物、氮化物或氮氧化物，具体为Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Pd、Ag、Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；

绝缘层或为SiC、C或陶瓷材料；

缓冲层为Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.0nm～10nm。

9.一种基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置，其特征在于，基于权利要求1至8任意一项所述的一种磁性隧道结，包括六个电极，第一电极与第二电极分别置于磁性隧道结的磁性固定层外侧和反铁磁自由层外侧；第三到第六电极置于反铁磁自由层侧面，其中第三电极和第五电极成对，其方向沿反铁磁自由层的一个易磁化方向，第四电极和第六电极成对，其方向沿反铁磁自由层的另一个易磁化方向。

10.根据权利要求9所述的一种基于磁性隧道结的NSOT-MRAM装置，其特征在于，电极材料为金属或合金材料，具体为Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种；

电极材料或为碳系导电材料，具体为石墨、碳纳米管或竹炭。

Images