CN112289363B - 基于磁性斯格明子的赛道存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于磁性斯格明子的赛道存储器，其可包括存储轨道和设置在所述存储轨道上的读取部件。所述存储轨道由自旋霍尔效应层和形成在所述自旋霍尔效应层上的用于储存斯格明子的磁层形成，并且包括设置在其至少一端的移位写入端。所述移位写入端包括窄部、宽部、以及连接所述窄部和所述宽部的扩展部。所述窄部具有第一宽度，用于接收移位写入电流并且产生斯格明子。所述宽部延伸连接到所述存储轨道的主体部分以接收和移动所述斯格明子，并且具有比所述第一宽度更大的第二宽度。所述扩展部的与所述窄部连接的第一端具有所述第一宽度，与所述宽部连接的第二端具有所述第二宽度，并且从所述第一端的第一宽度逐渐扩展到所述第二端的第二宽度。
Description
技术领域
本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种基于磁性斯格明子的赛道存储器。
背景技术
2008年左右，美国的国家商业机器公司(IBM)提出了一种基于磁畴的赛道存储系统，如图1所示。参照图1，赛道存储系统100可包括磁移位寄存器10、写器件15和读器件20。移位寄存器10包括磁轨道11，其中可包括多个磁畴例如磁畴25、30以存储信息。通过向磁轨道11施加电流45，可以使磁畴25、30沿磁轨道11移动。移位寄存器10可包括数据区35和保留区40，保留区40可设置为足够长，例如可具有与数据区35近似相同的尺寸，以便在数据区35中的所有磁畴可以跨过读写器件(为了读取和写入磁畴的目的)而移动到保留区40中。然而，在图1的赛道存储系统100中，磁畴25、30较不稳定，难以控制各个磁畴具有均匀的大小，并且也难以准确地控制各个磁畴的移动，因此目前这样的赛道存储系统尚未投入市场应用。
磁斯格明子(Skyrmion)，简称斯格明子，如图2所示，是一种在拓扑结构上非平庸的具有涡旋组态的手性自旋结构。图2示出了朝向中心指向的涡旋结构，但是可以理解，斯格明子也可以具有从中心向外指向的涡旋结构。相较于平庸的磁性结构，斯格明子在能量上具有拓扑不连续性，因而具有更高的稳定性。已经有人提出了将斯格明子作为信息存储载体，应用于目前的磁存储器件中。但是，由于斯格明子具有相对独立的磁涡旋结构，其生成、驱动和读取过程都与传统的磁畴结构有所不同。因此，仍需改善磁存储器的结构，以便利用斯格明子来实现存储功能。
发明内容
本发明提供一种基于磁性斯格明子的赛道存储器，其通过特定的材料和结构，改善了斯格明子的生成、输运和读取过程，从而提高了磁存储器的可靠性和实用性。
根据本发明一实施例，提供一种基于磁性斯格明子的赛道存储器，其包括：存储轨道，由自旋霍尔效应层和形成在所述自旋霍尔效应层上的用于储存斯格明子的磁层形成，所述存储轨道包括设置在其至少一端的移位写入端，所述移位写入端包括窄部、宽部、以及连接所述窄部和所述宽部的扩展部，所述窄部具有第一宽度，用于接收移位写入电流并且产生斯格明子，所述宽部延伸连接到所述存储轨道的主体部分以接收和移动所述斯格明子，并且具有比所述第一宽度更大的第二宽度，所述扩展部的与所述窄部连接的第一端具有所述第一宽度，与所述宽部连接的第二端具有所述第二宽度，并且从所述第一端的第一宽度逐渐扩展到所述第二端的第二宽度；以及读取部件，设置在所述存储轨道的磁层上。
在一些实施例中，所述第一宽度为所述第二宽度的60％以下，优选地为所述第二宽度的50％以下，更优选的在所述第二宽度的10％至50％的范围内。
在一些实施例中，所述扩展部的扩展边相对于所述存储轨道的纵轴成一角度，所述角度在80度以下，优选地在10度至75度之间，更优选地在30度至60度之间。
在一些实施例中，所述读取部件具有圆形，且圆心位于所述存储轨道的中心纵轴线上，所述存储轨道关于所述中心纵轴线对称。
在一些实施例中，所述读取部件的直径在所述第一宽度的1.01倍至1.3倍的范围内，优选地在所述第一宽度的1.01倍至1.2倍的范围内。
在一些实施例中，所述读取部件包括：设置在所述存储轨道的磁层上的中间层；以及设置在所述中间层上的固定磁层，其中，所述固定磁层中形成有一个斯格明子。
在一些实施例中，所述固定磁层中的斯格明子具有与所述存储轨道中的斯格明子基本相同的大小。
在一些实施例中，所述读取部件位于所述存储轨道的中部或者与所述移位写入端相反的端部。
在一些实施例中，所述存储轨道包括设置在其相对两端的两个移位写入端。
在一些实施例中，所述赛道存储器还可包括：设置在所述存储轨道的相对两端并且与端面相接触的两个电极，用于施加沿所述存储轨道流动的移位写入电流；以及设置在所述存储轨道的自旋霍尔效应层下方并且与所述读取部件相对的电极，用于施加垂直流经所述读取部件和所述存储轨道的读取电流。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面参照附图对示例性实施例的描述而变得显而易见。
附图说明
图1示出一种现有的基于磁畴的赛道存储器的示意结构。
图2是磁斯格明子的示意图。
图3A和3B分别示出根据本发明一实施例的基于斯格明子的赛道存储器的俯视图和侧视图。
图4示出根据本发明一实施例的基于斯格明子的赛道存储器的移位写入端的结构示意图。
图5示出根据本发明一实施例的写入电流脉冲和移位电流脉冲的示意图。
图6示出根据本发明一实施例的基于斯格明子的赛道存储器的读取部的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例。注意，附图不是按比例绘制的。
图3A和3B分别示出根据本发明一实施例的基于斯格明子的赛道存储器200的俯视图和侧视图。如图所示，赛道存储器200包括存储轨道210以及设置在存储轨道210相对两端的第一电极201和第二电极203，第一电极201和第二电极203设置在存储轨道210的相对端面上并且与之相接触，从而向存储轨道210施加电流。
存储轨道210可具有双层结构，即包括自旋霍尔效应层214和位于自旋霍尔效应层214上并与之接触的磁层212。顾名思义，自旋霍尔效应层214由具有自旋霍尔效应的材料形成，例如常用的具有强自旋轨道耦合(SOC)的重金属材料，其示例包括但不限于Pt、Ta、Ir、W、IrMn等材料，或者拓扑绝缘体材料例如Bi2Se3、BiSbTe、SnTe、BiSb等，其是一种内部绝缘，仅允许电荷在表面界面移动的材料,或者可以是诸如MoS2、WTe2等之类的二维材料，以及诸如Mn3Sn、Mn3Ge、TaAs等之类的外尔半金属。磁层212可由适于形成布洛赫(Bloch)型斯格明子或者奈耳(Neel)型斯格明子的导电磁性材料形成，例如具有DM(Dzyaloshinkii-Moriya)相互作用的导电磁性材料，其示例包括但不限于：(1)具备空间反演对称性破缺的B20晶体结构磁材料例如FeGe、FeSi、FeCoSi、MnGe、MnSi等；(2)与自旋霍尔效应层214形成的异质结构界面具有对称性破缺的磁性材料例如Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、CoFeB等铁磁性材料和CoTb、GdCo、GdFeCo等亚铁磁材料；以及(3)周期性层叠磁性多层膜结构例如(Ir/Fe)n、(Fe/Pd)n、(Co/Pt)n等，其中n为正整数。存储轨道210的宽度可以在例如5nm至10μm的范围内，从提高存储密度的角度考虑，存储轨道210的宽度可以优选地在5nm至500nm的范围，更优选地在5nm至50nm的范围。磁层212的厚度可以在2nm至500nm的范围，优选地在2nm至50nm的范围，更优选地在2nm至10nm的范围。自旋霍尔效应层214的厚度可以在5nm至5μm的范围内，优选地在10nm至1μm的范围内，更优选地在20nm至500nm的范围内。应注意，优选地，自旋霍尔效应层214的厚度大于磁层212的厚度。
第一电极201和第二电极203可由具有良好导电性的材料形成，其示例包括但不限于Cu、Ag、Ta等。第一电极201和第二电极203的尺寸没有特殊限制，只要其能够向轨道210提供电流即可。
存储轨道210可包括设置在其一端的移位写入端230，以用于向存储轨道210中写入斯格明子和使斯格明子移位。为了稳定地写入斯格明子，移位写入端230可具有喇叭形状，其将在后面参照图4进行详细描述。在本发明的实施例中，取决于磁层212的材料，所写入的斯格明子可以是布洛赫型斯格明子或者奈耳型斯格明子。斯格明子的存在可表示数据“1”，斯格明子的不存在可表示数据“0”，或者反之亦可。图3A中示意性示出了写入的4比特数据“1011”。
在一些实施例中，可以在存储轨道210的两端都形成移位写入端，其可以具有相同的结构，如图3A和3B所示。这样，可以从存储轨道210的两端进行写入。可以理解的是，当从存储轨道210的两端进行写入时，写入电流的方向彼此相反，斯格明子的移位方向也彼此相反。例如，从第一电极201端写入时，电子流方向Je为图3A中的箭头所示；当从第二电极203端写入时，施加的电子流方向与图3A所示的方向Je相反。
赛道存储器200还包括读取部件250。在图3A和3B所示的实施例中，读取部件250可设置在存储轨道210的中部。这样，读取部件250可以将存储轨道210划分为数据区(例如左侧区域)和保留区(例如右侧区域)。数据区和保留区可以具有基本相同的大小，这样数据区中存储的数据可以跨过读取部件250而移动到保留区中，以便于读取部件250读取任一所存储的数据。在一些实施例中，读取部件250也可以设置在存储轨道210的端部，例如在与移位写入端230相反的一端，所存储的数据在离开存储轨道210时被读取。读取部件250的具体结构将在下面参照图6来详细描述。
图4示出根据本发明一实施例的基于斯格明子的赛道存储器200的移位写入端230的结构示意图。下面，将参照图4，并且结合图3A和3B来描述赛道存储器200的移位写入过程。
参照图4所示的俯视图，移位写入端230具有喇叭状结构。具体而言，移位写入端230包括窄部232、宽部236、以及连接窄部232和宽部236的扩展部234。宽部236可以具有与存储轨道210的主体部分相同的宽度W2，窄部232的宽度W1小于宽部236的宽度W2。扩展部234的连接到窄部232的一端具有宽度W1，连接到宽部236的一端具有宽度W2，且扩展部234从宽度W1均匀扩展到宽度W2。如前所述，存储轨道210的主体部分的宽度W2可以在5nm至10μm的范围内。
窄部232的宽度W1可以在例如1nm至2μm的范围。应注意，窄部232的宽度W1优选为主体宽度W2的60％以下，更优选为50％以下。例如，宽度W1可以为宽度W2的10％至50％的范围。窄部232的长度L1可以为5nm以上，优选地在10nm以上，例如在10nm至5μm的范围。
在写入时，通过电极201向移位写入端230的窄部232注入写电流脉冲Iw，如图5所示。当接收到写电流脉冲Iw时，自旋霍尔效应层214由于自旋霍尔效应，在其与磁层212之间的界面处产生并积累自旋流，所积累的自旋流在垂直方向上注入到磁层212中，以偏转磁层212中的磁化方向。此时，磁层212中的交换相互作用倾向于使相邻磁矩呈现平行或反平行排列，而DM相互作用倾向于使相邻磁矩垂直排列。当写入电流脉冲Iw具有足够的电流强度和从而在两种相互作用的共同作用下，产生涡旋结构的磁性斯格明子。这里，通过使窄部232相对于宽度236具有更窄的宽度，能够促进斯格明子在磁层212的晶体结构缺陷或磁层边缘处成核，从而使得写入脉冲Iw能够精确并且稳定地产生大小相同的斯格明子，确保了写入操作的准确性和稳定性。通过提供窄部232，还大大减小了斯格明子成核所需的电流密度，从而降低了能耗。
应理解，上面的写入电流脉冲Iw将会写入新的斯格明子，其对应于例如数据“1”，并且使存储轨道210中原来写入的斯格明子规则地移动一个步长，该步长取决于电流脉冲的大小。当要写入数据“0”时，也就是说，不写入新的斯格明子而使原有的斯格明子移位一个步长，此时可以施加移位电流脉冲Is，如图5所示。移位电流脉冲Is可以具有比写入电流脉冲Iw更短的持续时间，从而不会导致新的斯格明子成核，但是其可以具有比写入电流脉冲Iw更大的脉冲强度，从而可以使存储轨道210中已有的斯格明子的移位步长与施加写入电流脉冲Iw时产生的移位步长相同。这里，也可以将移位电流脉冲Is视为写入数据“0”的写入电流脉冲，因此将写入电流脉冲Iw和移位电流脉冲Is统称为移位写入电流或电流脉冲，根据要写入的数据是“1”还是“0”来决定施加电流脉冲Iw或者Is。
在本发明的实施例中，由于存储轨道210包括磁层212和自旋霍尔效应层214的双层结构，能够稳定地驱动磁层212中的斯格明子。具体而言，电流流经磁层212时，产生自旋极化电流，自旋极化电流在流经斯格明子时通过自旋转移力矩(STT)对斯格明子产生一个驱动力。另一方面，流经自旋霍尔效应层214的电流通过自旋霍尔效应而产生垂直注入到磁层212中的纯自旋流，其通过自旋轨道耦合力矩(SOT)而对斯格明子产生一个驱动力。在这两种驱动力的作用下，存储轨道210中的斯格明子被稳定地移位一个比特的步长。与仅设置磁层212相比，通过设置自旋霍尔效应层214，能进一步保证斯格明子的稳定移位。
注意，在斯格明子从窄部232经展开部234移动到宽部236中时，通过设置逐渐展开的展开部234，能够使在窄部232中被约束的斯格明子逐渐展开并形成规则的圆形涡旋结构，避免了在没有设置展开部234时由于宽度突变而引起的斯格明子在横向方向上的随机位移。如图4所示，展开部234可具有一长度L2，从而展开部234的展开边缘相对于存储轨道210的纵轴成一角度A，该角度A在80度以下，例如在10度至75度之间，优选在30度至60度之间。应注意，移位写入端230关于存储轨道210的纵轴对称。
当存储数据，例如代表数据“1”的斯格明子或者代表数据“0”的无斯格明子，移动到读取部件250处时，可以被读取部件250读取。读取部件250可具有与斯格明子对应的圆形结构，其圆心位于存储轨道210的纵轴上，因此读取部件250可以对准移位写入端230产生并移位的斯格明子。如图3B和图6所示，读取部件250可包括固定磁层252和位于固定磁层252与存储轨道210的磁层212之间的中间层254。固定磁层252可由铁磁导电材料形成，其中具有固定磁化，中间层254可以是绝缘或导电非磁材料，例如Cu、Ru、MgO、Al2O3等，从而可以通过隧穿磁致电阻(TMR)或巨磁致电阻(GMR)效应来读取磁层212的对应部分中的磁化状态，进而读取所存储的数据“0”或“1”。虽然在图3B中未示出，但是在自旋霍尔效应层214下侧与读取部件250相对的位置处，可以设置有读取电极以施加垂直流经读取部件250和存储轨道210的读取电流。
继续参照图6，在本发明的一些实施例中，读取部件250的固定磁层252中可以形成有一个斯格明子，此时固定磁层252可以由适于形成斯格明子的材料例如具备空间反演对称性破缺的B20晶体结构的导电铁磁材料形成。读取部件250的固定磁层252可以具有与斯格明子基本相同的大小，也就是说，固定磁层252的大小恰好足以容纳该斯格明子。而且，固定磁层252中存储的斯格明子与移位写入端230写入到存储轨道210的磁层212中的斯格明子的大小基本相同。在一些实施例中，读取部件250的直径可以在2nm至2μm的范围。优选地，读取部件250的直径略大于移位写入端230的窄部232的宽度W1，但是显著小于宽部236的宽度W2。例如，读取部件250的直径可以在1.01W1至1.3W1的范围，优选地在1.01W1至1.2W1的范围。
这样，当存储轨道210中的斯格明子位移到读取部件250下方，并且与读取部件250中的斯格明子基本上对准时，两个斯格明子使磁矩处于平行态或者反平行态，从而产生与平行态对应的最小电阻或者与反平行态对应的最大电阻，其对应于读取信号的波峰或者波谷，表示数据“1”。当存储轨道210中没有斯格明子或者通过其他类型的磁畴结构如磁畴壁和磁泡时，读取部件250测量得到的电阻处于中间状态，表示数据“0”。通过在读取部件250的固定磁层252中设置斯格明子来获取具有磁矩空间分辨功能的电学读取，可以大大提高读取信号的信噪比，并且可以排除其他非斯格明子结构的磁畴造成的信号误差，从而准确读取存储轨道210中存储的数据“0”和“1”。
读取部件250的固定磁层252中的斯格明子可以通过例如用探针来注入垂直自旋极化电流来形成。虽然未示出，但是在一些实施例中，还可以在固定磁层252上方形成反铁磁钉扎层或者硬磁钉扎层来钉扎固定磁层252中的斯格明子，使得其不会因外磁场而发生改变。
上面参照图3A、图3B、图4、图5和图6描述了根据本发明实施例的基于磁性斯格明子的赛道存储器200。通过上面的描述可以理解，本发明的赛道存储器200通过特定的结构和材料设计，改善了斯格明子的生成、移位和读取过程，从而提供了具有高的可靠性和实用性的磁存储器件。
尽管已经图示并描述了本申请的具体实施例和应用，但是要理解，所述实施例不限于在这里公开的确切结构和组件，并且可以在本申请的方法和设备的安排、操作和细节上做出对于本领域技术人员而言明显的各种修改、改变和变化，而没有脱离如在所附权利要求中限定的本公开的精神和范围。
Claims (15)
1.一种基于磁性斯格明子的赛道存储器，包括：
存储轨道，由自旋霍尔效应层和形成在所述自旋霍尔效应层上的用于储存斯格明子的磁层形成，所述存储轨道包括设置在其至少一端的移位写入端，所述移位写入端包括窄部、宽部、以及连接所述窄部和所述宽部的扩展部，所述窄部具有第一宽度，用于接收移位写入电流并且产生斯格明子，所述宽部延伸连接到所述存储轨道的主体部分以接收和移动所述斯格明子，并且具有比所述第一宽度更大的第二宽度，所述扩展部的与所述窄部连接的第一端具有所述第一宽度，与所述宽部连接的第二端具有所述第二宽度，并且从所述第一端的第一宽度逐渐扩展到所述第二端的第二宽度；以及
读取部件，设置在所述存储轨道的磁层上。
2.如权利要求1所述的赛道存储器，其中，所述第一宽度为所述第二宽度的60％以下。
3.如权利要求2所述的赛道存储器，其中，所述第一宽度为所述第二宽度的50％以下。
4.如权利要求2所述的赛道存储器，其中，所述第一宽度在所述第二宽度的10％至50％的范围内。
5.如权利要求1所述的赛道存储器，其中，所述扩展部的扩展边相对于所述存储轨道的纵轴成一角度，所述角度在80度以下。
6.如权利要求5所述的赛道存储器，其中，所述角度在10度至75度之间。
7.如权利要求5所述的赛道存储器，其中，所述角度在30度至60度之间。
8.如权利要求1所述的赛道存储器，其中，所述读取部件具有圆形，且圆心位于所述存储轨道的中心纵轴线上，所述存储轨道关于所述中心纵轴线对称。
9.如权利要求8所述的赛道存储器，其中，所述读取部件的直径在所述第一宽度的1.01倍至1.3倍的范围内。
10.如权利要求9所述的赛道存储器，其中，所述读取部件的直径在所述第一宽度的1.01倍至1.2倍的范围内。
11.如权利要求8所述的赛道存储器，其中，所述读取部件包括：
设置在所述存储轨道的磁层上的中间层；以及
设置在所述中间层上的固定磁层，
其中，所述固定磁层中形成有一个斯格明子。
12.如权利要求11所述的赛道存储器，其中，所述固定磁层中的斯格明子具有与所述存储轨道中的斯格明子基本相同的大小。
13.如权利要求1所述的赛道存储器，其中，所述读取部件位于所述存储轨道的中部或者与所述移位写入端相反的端部。
14.如权利要求1所述的赛道存储器，其中，所述存储轨道包括设置在其相对两端的两个移位写入端。
15.如权利要求1所述的赛道存储器，还包括：
设置在所述存储轨道的相对两端并且与端面相接触的两个电极，用于施加沿所述存储轨道流动的移位写入电流；以及
设置在所述存储轨道的自旋霍尔效应层下方并且与所述读取部件相对的电极，用于施加垂直流经所述读取部件和所述存储轨道的读取电流。
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