CN112736195B - 铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器 - Google Patents

铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器 Download PDF

Info

Publication number
CN112736195B
CN112736195B CN202011575436.5A CN202011575436A CN112736195B CN 112736195 B CN112736195 B CN 112736195B CN 202011575436 A CN202011575436 A CN 202011575436A CN 112736195 B CN112736195 B CN 112736195B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
magnetic layer
magnetic
ferroelectric
free
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.)
Active
Application number
CN202011575436.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112736195A (zh
Inventor
闵泰
周雨晴
周雪
李桃
郭志新
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202011575436.5A priority Critical patent/CN112736195B/zh
Publication of CN112736195A publication Critical patent/CN112736195A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112736195B publication Critical patent/CN112736195B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

本发明涉及铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器。一种自旋转移矩磁随机存储器可包括多个存储单元，每个存储单元可包括：固定磁层；形成在所述固定磁层上的间隔层；形成在所述间隔层上的具有人工反铁磁结构的自由磁层，所述自由磁层包括：形成在所述间隔层上的第一磁层；形成在所述第一磁层上的非磁耦合层；以及形成在所述非磁耦合层上的第二磁层；以及形成在所述自由磁层上的铁电层。本发明通过铁电层导致的电荷转移及极化电场来调控自由层的人工反铁磁结构从反铁磁耦合转变到铁磁耦合，降低了写入过程所需的电流密度，从而节省了存储器件的功耗。

Description

铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器
技术领域
本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种包括铁电调控的人工反铁磁自由层结构的自旋转移矩磁随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory,STT-MRAM)。
背景技术
磁随机存储器(MRAM)通过改变自由磁层相对于固定磁层(也称为参考磁层)的磁化方向，形成分别与平行态和反平行态对应的不同磁电阻态来完成数据的存储。MRAM具有高速读写、高集成度、低能耗、以及近乎无限次擦写等优点，因此被视为下一代存储器件的候选之一。MRAM可包括自旋阀(Spin Valve)或磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)，其均包括自由磁层、固定磁层、以及夹在二者之间的间隔层，其中自旋阀的间隔层可包括非磁金属材料例如Ru、Cu等，磁性隧道结的间隔层可包括非磁绝缘材料例如诸如MgO、Al2O3之类的金属氧化物等。当自由层的磁化方向平行于固定层的磁化方向时，自旋阀或磁性隧道结具有低电阻；当自由层的磁化方向反平行于固定层的磁化方向时，自旋阀或磁性隧道结具有高电阻。自旋阀和磁性隧道结的低阻态和高阻态可分别对应于二进制数据的“0”和“1”，或者反之亦可。为了简单起见，下面将主要以磁性隧道结为例来进行描述，但是应理解，这里描述的磁性隧道结的实施例也可以应用到自旋阀器件。
传统的MRAM借助电流产生的磁场来改变两磁层的相对磁化取向，以实现“0”和“1”的写入。然而，这需要较高的电流密度和功耗。后来，提出了利用由电流产生的自旋转移矩(STT)来切换自由层和固定层的相对磁化取向的STT-MRAM，其能在一定程度上减小用于写操作的电流密度和功耗。但是，进一步降低操作电流密度和减小功耗，一直是磁存储器件的重要发展方向。
发明内容
针对上述以及其他现有技术中存在的问题，本发明提供一种铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器，所述铁电层在偏置电压作用下会发生饱和极化，形成铁电增强的极化电场。同时，铁电层极化后在上表面聚积正(负)电荷，在下表面聚积负(正)电荷，此时在其上方并与其接触的中间电极层在下表面聚集负(正)电荷，上表面聚集正(负)电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层与中间电极层之间发生显著电荷转移，与纯电场调控相比，其能有效放大穿透中间电极层的电场强度，协同铁电极化电场效应来共同调控作为自由层的人工反铁磁结构在反铁磁耦合状态和铁磁耦合状态之间切换，可以实现减小的写入电流密度，从而节约能耗，并且提高响应速度，还能将存储单元形成得更小，从而可以提高存储密度。
根据一实施例，一种自旋转移矩磁随机存储器可包括多个存储单元，每个存储单元可包括：固定磁层；形成在所述固定磁层上的间隔层；形成在所述间隔层上的具有人工反铁磁结构的自由磁层，所述自由磁层包括：形成在所述间隔层上的第一磁层；形成在所述第一磁层上的非磁耦合层；以及形成在所述非磁耦合层上的第二磁层；以及形成在所述自由磁层上的铁电层。
在一些实施例中，所述铁电层由绝缘或半导体铁电材料形成。
在一些实施例中，所述第一磁层的磁矩大于所述第二磁层的磁矩。
在一些实施例中，每个存储单元还包括：形成在所述固定磁层一侧的第一电极；形成在所述第二磁层与所述铁电层之间的第二电极；以及形成在所述铁电层与所述第二电极相反的表面上在相对两侧的第三电极和第四电极，其中，所述第一电极和所述第二电极用于施加流经所述固定磁层、所述间隔层和所述自由磁层的垂直电流，且其中，所述第三电极和所述第四电极用于向所述铁电层施加电压，以将所述铁电层的极化电场调控到垂直方向或相对于所述垂直方向倾斜的倾斜方向上。
在一些实施例中，所述第二电极的厚度小于所述第一电极、所述第三电极和所述第四电极的厚度。
根据一实施例，一种操作上述自旋转移矩磁随机存储器的方法可包括：施加流经所述固定磁层、所述间隔层和所述自由磁层的第一垂直电流，并且向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加第一极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的铁磁耦合，从而向所述存储单元写入数据；以及在向所述存储单元写入数据之后，向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加第二极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的反铁磁耦合，从而在所述存储单元中保持所写入的数据，其中，向所述存储单元写入的数据取决于所述第一垂直电流的方向。
在一些实施例中，当所述第一垂直电流沿第一方向时，向所述存储单元写入数据“0”，当所述第一垂直电流沿与所述第一方向相反的第二方向时，向所述存储单元写入数据“1”。
在一些实施例中，所述第一极化电场是垂直于所述自由磁层的垂直电场，所述第二极化电场是相对于所述自由磁层倾斜的倾斜电场。
在一些实施例中，所述方法还包括：在所述铁电层向所述自由磁层施加第二极化电场时，施加流经所述固定磁层、所述间隔层和所述自由磁层的第二垂直电流，以读取所存储的数据。
在一些实施例中，所述第二垂直电流小于所述第一垂直电流。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
图1示出根据本发明一实施例的自旋转移矩磁随机存储器的单元结构示意图。
图2示出根据本发明一实施例的自旋转移矩磁随机存储器的结构示意图。
图3A-3C示出根据本发明一实施例的自旋转移矩磁随机存储器的写入和读取数据“0”的过程示意图。
图4A-4C示出根据本发明一实施例的自旋转移矩磁随机存储器的写入和读取数据“1”的过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的示例性实施例。应理解，附图不是按比例绘制的。描述这些实施例以便于理解本发明的原理，但是这些实施例不以任何方式对本发明的范围进行限制。
图1示出根据本发明一实施例的自旋转移矩磁随机存储器的存储单元的结构示意图。虽然未示出，但是自旋转移矩磁随机存储器可包括排列成阵列的多个图1所示的存储单元，每个存储单元可存储一比特数据“0”或“1”。如图1所示，该单元结构可包括自旋阀或磁性隧道结31和铁电层32，还包括顶电极33、中间电极34和两个底电极35、36。
自旋阀或磁性隧道结31可包括固定层23、间隔层22和自由层21。固定层23可具有固定的磁化方向。例如，虽然未示出，但是固定层23的与间隔层22相反的一侧可具有反铁磁(AFM)钉扎层以钉扎固定层23的磁化方向；或者，固定层23也可以具有自钉扎结构，例如固定层23可以由具有较高矫顽力的材料或结构形成。
在一些实施例中，固定层23可包括铁磁或亚铁磁金属材料或合金，其示例包括但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePt、FePd、CoFe、CoPt、CoPd、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，以及它们与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt组成的多组元合金等；或者包括合成铁磁或亚铁磁材料，如A/B多层结构，其中A是诸如Co、Fe、Ni之类的铁磁金属或者包括其的合金，B是3d/4d/4f/5d/5f稀土金属材料；或者包括半金属铁磁材料，如形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金等，其中X选自Fe、Co、Ni、Mn、Pd或Cu，Y选自Fe、Co、Mn、Ni、Ti、Cr或V，Z选自In、Si、Ge、Al、Sn、Ga或Sb；或者包括人工反铁磁结构，具有耦合层分隔开的两个铁磁层，其中铁磁层材料可选用Fe、Co、Ni、CoFe、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n等，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，耦合层材料可选用Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Au、Cu、Ag、Re、Ru、Os、Rh或Ir等。在一些实施例中，固定层23的厚度可以在2nm～40nm的范围，优选地在2nm～20nm的范围，更优选地在2nm～10nm的范围。
间隔层22可包括非磁导电材料或者非磁绝缘材料。当间隔层22由非磁导电材料形成时，其厚度优选地不大于该材料的自旋电子平均自由程。当间隔层22由非磁绝缘材料形成时，其亦常称为势垒层，电子可通过隧穿效应穿过该势垒层，从而在固定层23和自由层21之间流动。
在一些实施例中，可用于间隔层22的非磁绝缘材料的示例包括但不限于Mg、Ca、B、Al、Cu、Ta、V、Cr、W、Sr、La、Ti、Hf、Ru、In、Si或Eu等元素的氧化物、氮化物或氮氧化物，以及SiC、C或陶瓷材料等。在一些实施例中，可用于间隔层22的非磁导电材料可包括非磁金属或合金，其示例包括但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V以及它们的合金等。在一些实施例中，间隔层22的厚度可以在0.1nm～10nm的范围内，优选地在0.1nm～5nm的范围内，更优选地在0.1nm～2nm的范围内。
自由层21具有人工反铁磁(SAF)结构，包括第一磁层11、非磁耦合层12以及第二磁层13，并且第一磁层11和第二磁层13的磁化可以自由翻转。非磁耦合层12可以诱导第一磁层11和第二磁层13之间的反铁磁耦合，因此这种结构也称为人工反铁磁结构。虽然图1示出了固定层23和自由层21(包括第一磁层11和第二磁层13)二者均具有垂直磁化(也可称为面外磁化或离面磁化)，但是从下面的描述可以理解，固定层23和自由层21也可以具有面内磁化。
在一些实施例中，第一磁层11和第二磁层13可由常见的铁磁材料形成，其示例包括但不限于Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n等，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；或者可由垂直磁晶各向异性较强的铁磁材料形成，其示例包括但不限于Fe、Fe-4％Si、Co、CoFe、CoFe2O4、BaFe12O19等。第一磁层11和第二磁层13每个的厚度可以在0.1nm～8nm的范围内，优选地在0.2nm～5nm的范围内，更优选地在0.2nm～3nm的范围内。
在一些实施例中，靠近固定层23的第一磁层11具有比远离固定层23的第二磁层13更大的磁矩。例如，第一磁层11可以具有比第二磁层13更大的厚度，或者第一磁层11可以由比第二磁层13具有更大磁矩的材料形成。
在一些实施例中，非磁耦合层12可由非磁导电材料形成，其示例包括但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Au、Cu、Ag、Re、Ru、Os、Rh或Ir等。非磁耦合层12的厚度可以在0.1nm～10nm的范围内，更优选地在0.2nm～5nm的范围内。
铁电层32形成在中间电极层34的与自由层21相反的一侧。铁电层32可由绝缘或半导体铁电材料形成。可用于铁电层32的材料的示例包括但不限于：所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：PMN-PT((1-x)[PbMg1/ 3Nb2/3O3]-x[PbTiO3])、PZN-PT((1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3])、PSN-PT(Pb(Sc1/2Nb1/2)-PbTiO3)、Pb(In1/2Nb1/2)-PbTiO3,Pb(Yb1/2Nb1/2)-PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf(1-x)ZrxO2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1-xTix)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、BaxSr1-xTiO3(BST)、(Pb,La)TiO3(PLT)、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O12(BLT)、SrRuO3、BaHfO3、La1-xSrxMnO3、BaMnF4、α-In2Se3、β'-In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β-GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF-TrFE)、C13H14ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g-C6N8H以及极性化学基团-CH2F,-CHO,-COOH或-CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。在一些实施例中，铁电层32的厚度可以在0.1nm～500nm的范围，优选地在1nm～200nm的范围，更优选地在10nm～100nm的范围。
自旋阀或磁性隧道结31的上下两侧可以分别形成有顶电极33和中间电极34，并且中间电极34位于自旋阀或磁性隧道结31与铁电层32之间。铁电层32的与中间电极34相反一侧的表面上的相对两端可形成有底电极35和36，其通过铁电层32与中间电极34电隔离开。顶电极33可以覆盖固定层23，其可由具有良好的导电性和耐腐蚀性的材料形成，从而也可以起到保护作用。底电极35和36可用于向铁电层33施加预定电压，以产生所需的极化电场。
在一些实施例中，顶电极33、中间电极34、以及两个底电极35和36可由具有良好导电性的金属或合金材料形成，其示例包括但不限于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等，也可由碳系导电材料形成，其示例包括但不限于石墨、碳纳米管或竹炭等。顶电极33和两个底电极35、36的厚度可以在1nm-1μm的范围，优选地在5nm-500nm的范围，更优选地在10nm-200nm的范围。中间电极34的厚度可以小于其他电极的厚度，例如可以在0.1nm-200nm的范围，优选地在0.5nm-100nm的范围，更优选地在1nm-20nm的范围，从而便于铁电层32向自由磁层21施加垂直电场。
在一些实施例中，图1所示的多层结构可以具有各种形状，例如圆形、椭圆形、正方向、长方形、环形等，其直径或长轴尺寸可以在1nm-200nm的范围，优选地在1nm-100nm的范围。
图2示出包括图1所示的具有铁电调控人工反铁磁自由层的单元结构的自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM)的示意图。虽然未示出，但是自旋转移矩磁性随机存储可包括布置成行和列的阵列的多个图1所示的单元结构，每个单元结构可以如图2所示的那样连接，从而能对各个单元结构进行下面详细描述的读写操作。如图2所示，SL为源线，WBL为写位线，RBL为读位线，WWL为写字线，RWL为读字线，VCD为电压控制器，VCL1及VCL2为电压控制线。如图2所示，WBL和RBL可以共用同一布线，WWL和RWL可以共用同一布线。所示单元结构的中间电极34与源线SL连接，并且可以始终接地(GND)。连接控制晶体管T1的栅极的字线WWL/RWL在进行数据写入和读取时，施加高电平(Vg)，电路导通，在自旋阀/磁性隧道结31中形成电流；在进行数据存储时，不施加电压，此时电路不导通，自旋阀/磁性隧道结31中呈开路状态。两底电极35和36外接电压控制器VCD后接入两电压控制线VCL1和VCL2，进而实现对铁电层32的极化方向控制。下面，将结合图3A-3C以及4A-4C来描述利用图2所示的结构对自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM)的单元结构进行读写操作的详细过程。
具体而言，在本发明的一些实施例中，可以在自旋转移矩(STT)和铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下，实现对图1和图2所示的自旋转移矩磁随机存储器的写入。图3A-3C示出写入和读取数据“0”的过程，图4A-4C示出写入和读取数据“1”的过程，这些过程中对各个电极施加的电压示于下面的表1中。但是应理解，自旋转移矩磁随机存储器中的固定磁层23与自由磁层21，或者更具体地说，自由磁层21的人工反铁磁结构中的与间隔层22接触的第一磁层11，之间的平行和反平行磁化状态(及其对应的磁致电阻状态)与所存储的数据“1”和“0”之间的对应关系可以自由地确定。换言之，图3A-3C也可以描述为写入数据“1”的过程，而图4A-4C也可以描述为写入数据“0”的过程。
表1
首先参照图3A，对顶电极33施加正向高电压Vwp，中间电极34接地(GND)，自旋阀或磁性隧道结31中将产生垂直向下的自旋电流；同时，对两底电极35和36施加正向电压Vp，铁电层32的极化方向被调控至垂直向上，在垂直方向产生较大的电荷转移及极化电场。一方面，自旋电流通过自旋转移矩将第一磁层11的磁化翻转到与固定层23的磁化相反的方向上；另一方面，铁电层32产生的垂直电场使自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态切换到铁磁耦合状态，从而第二磁层13的磁化方向与第一磁层11彼此平行。在两者的共同作用下，使自由层21中的磁层的磁化翻转至图3A中的箭头所示的方向上，开始写入数据“0”。
继续参照图3B，在完成图3A所示的写操作后，撤去顶电极33上的电压或者将其接地，并对两个底电极35、36分别施加正向电压Vp和负向电压Vn，使得铁电层32的极化方向从垂直偏转到倾斜方向，垂直方向的极化电场减小，从而自由层21的人工反铁磁结构由铁磁耦合状态退回至反铁磁耦合状态。此时，由于第一磁层11的磁矩大于第二磁层13的磁矩，所以第二磁层13的磁矩被翻转到与第一磁层11相反的方向上，自旋阀或磁性隧道结31中的固定层23与自由层21中的第一磁层11的磁化彼此反平行(高阻态)，完成了数据“0”的写入和保持。
图3C示出了读取数据“0”的过程，其中对顶电极33施加正向较小电压Vrp，中间电极34接地(GND)，两底电极35、36仍然分别施加正向电压Vp和负向电压Vn，此时通过自旋阀或磁性隧道结31中形成的垂直电流可以读取自旋阀或磁性隧道结31的电阻状态为高阻态或低阻态，从而确定其中存储的是数据“0”还是数据“1”。
应注意的是，这里描述的电流方向是正电流方向，即电子流动方向实际上与电流方向相反。上面虽然描述了正电压和负电压，但是应理解，电压是相对概念，上面描述的电压的符号和大小均可以适当地改变，只要能产生所需电流即可。
继续参照图4A，对顶电极33施加负向高电压Vwn，中间电极34接地(GND)，自旋阀或磁性隧道结31中将产生垂直向上的自旋电流；同时，对两底电极35和36施加正向电压Vp，铁电层32的极化方向被调控至垂直向上，在垂直方向产生较大的电荷转移及极化电场。一方面，自旋电流通过自旋转移矩将第一磁层11的磁化翻转到与固定层23的磁化相同的方向上；另一方面，铁电层32产生的垂直电场使自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态切换到铁磁耦合状态，从而第二磁层13的磁化方向与第一磁层11彼此平行。在两者的共同作用下，使自由层21中的磁层的磁化翻转至图4A中的箭头所示的方向上，开始写入数据“1”。
参照图4B，在完成图4A所示的写入过程后，撤去顶电极33上的电压或者将其接地，并对两底电极35、36分别施加正向电压Vp和负向电压Vn，使铁电层32的极化方向从垂直方向偏转到倾斜方向，垂直方向的极化电场减小，从而自由层21的人工反铁磁结构从铁磁耦合状态退回至反铁磁耦合状态。此时，由于第一磁层11的磁矩大于第二磁层13的磁矩，所以第二磁层13的磁矩被翻转到与第一磁层11相反的方向上，自旋阀或磁性隧道结31中的固定层23与自由层21中的第一磁层11的磁化彼此平行(低阻态)，完成了数据“1”的写入和保持。
图4C示出了读取数据“1”的过程，其中对顶电极33施加正向较小电压Vrp，中间电极34接地(GND)，两底电极35、36仍然分别施加正向电压Vp和负向电压Vn，此时通过自旋阀或磁性隧道结31中形成的垂直电流可以读取自旋阀或磁性隧道结31的电阻状态为高阻态或低阻态，从而确定其中存储的是数据“0”还是数据“1”。应理解，在图3C和图4C的读取过程中施加的垂直读取电流可以远小于在图3A和图4A的写入过程中施加的垂直写入电流，从而在读取期间不会因自旋转移矩而导致自由层21的磁矩意外翻转。
在上面描述的过程中，应注意施加铁电极化电场和自旋转移矩脉冲电流的时序问题，确保二者的施加时具有重叠时间T0，其范围可以为0.05ns-10ns，并且优选地铁电极化电场的施加应不早于电流的施加，以保证在数据写入之前自由层21的人工反铁磁结构处于反铁磁耦合状态，进一步降低了数据写入时的临界电流密度。
虽然图3A-3C和图4A-4C中示出了各个磁层具有垂直磁化，但是应理解，本发明的原理也可以应用到各个磁层具有面内磁化的实施例中，STT电流同样可以用于翻转自由磁层的面内磁化方向，并且铁电层的垂直电场同样可以使具有面内磁化的自由层的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态切换到铁磁耦合状态。应用到面内磁化时的操作细节与上面参照图3A-3C、4A-4C描述的过程相同，这里不再赘述。
还应理解，由于铁电材料具有极化保持特性，因此在上面描述的写入步骤(图3A和4A)与保持/存储步骤(图3B和4B)中向铁电层32上的底部电极35和36施加不同的电压，以调控铁电层32的极化。在保持/存储步骤中，向铁电层32上的底部电极35和36施加的电压Vp和Vn可以互换，只要使铁电层32的极化在倾斜方向上，从而向自由层21施加的垂直电场很小，使自由层21的人工反铁磁结构保持为反铁磁耦合状态即可。还应理解，上面描述的电流和电压可以是脉冲电流和电压，因为各个磁层可以保持其自身的磁矩，铁电层也可以保持其极化状态。
在上面描述的实施例中，通过在写入时，利用铁电层产生的电荷转移及极化电场使自由层的人工反铁磁结构从反铁磁耦合转变到铁磁耦合，可以使自由层的磁矩更容易翻转，从而降低了写入过程所需的电流密度，节省了存储器件的功耗，而且避免的存储器件被过大的电流或电压击穿，有利于延长存储器件的使用寿命。此外，由于更容易进行磁矩翻转，所以还可以将存储单元制备地更小，提高了存储密度。
虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。

Claims (9)

1.一种自旋转移矩磁随机存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：
固定磁层；
形成在所述固定磁层上的间隔层；
形成在所述间隔层上的具有人工反铁磁结构的自由磁层，所述自由磁层包括：
形成在所述间隔层上的第一磁层；
形成在所述第一磁层上的非磁耦合层；以及
形成在所述非磁耦合层上的第二磁层；
形成在所述自由磁层上的铁电层；
形成在所述固定磁层一侧的第一电极；
形成在所述第二磁层与所述铁电层之间的第二电极；以及
形成在所述铁电层与所述第二电极相反的表面上在相对两侧的第三电极和第四电极，
其中，所述第一电极和所述第二电极用于施加流经所述固定磁层、所述间隔层和所述自由磁层的垂直电流，且
其中，所述第三电极和所述第四电极用于向所述铁电层施加电压，以将所述铁电层的极化电场调控到垂直方向或相对于所述垂直方向倾斜的倾斜方向上。
2.如权利要求1所述的自旋转移矩磁随机存储器，其中，所述铁电层由绝缘或半导体铁电材料形成，所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：PMN-PT((1-x)[PbMg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3])、PZN-PT((1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3])、PSN-PT(Pb(Sc1/2Nb1/2)-PbTiO3)、Pb(In1/2Nb1/2)-PbTiO3,Pb(Yb1/2Nb1/2)-PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf(1-x)ZrxO2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1-xTix)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、BaxSr1-xTiO3(BST)、(Pb,La)TiO3(PLT)、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O12(BLT)、SrRuO3、BaHfO3、La1-xSrxMnO3、BaMnF4、α-In2Se3、β'-In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β-GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF-TrFE)、C13H14ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g-C6N8H以及极性化学基团-CH2F,-CHO,-COOH或-CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。
3.如权利要求1所述的自旋转移矩磁随机存储器，其中，所述第一磁层的磁矩大于所述第二磁层的磁矩。
4.如权利要求1所述的自旋转移矩磁随机存储器，其中，所述第二电极的厚度小于所述第一电极、所述第三电极和所述第四电极的厚度。
5.一种操作权利要求1-4中的任一项所述的自旋转移矩磁随机存储器的方法，包括：
施加流经所述固定磁层、所述间隔层和所述自由磁层的第一垂直电流，并且向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加第一极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的铁磁耦合，从而向所述存储单元写入数据；以及
在向所述存储单元写入数据之后，向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加第二极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的反铁磁耦合，从而在所述存储单元中保持所写入的数据，
其中，向所述存储单元写入的数据取决于所述第一垂直电流的方向。
6.如权利要求5所述的方法，其中，当所述第一垂直电流沿第一方向时，向所述存储单元写入数据“0”，当所述第一垂直电流沿与所述第一方向相反的第二方向时，向所述存储单元写入数据“1”。
7.如权利要求5所述的方法，其中，所述第一极化电场是垂直于所述自由磁层的垂直电场，所述第二极化电场是相对于所述自由磁层倾斜的倾斜电场。
8.如权利要求5所述的方法，还包括：
在所述铁电层向所述自由磁层施加第二极化电场时，施加流经所述固定磁层、所述间隔层和所述自由磁层的第二垂直电流，以读取所存储的数据。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第二垂直电流小于所述第一垂直电流。
CN202011575436.5A 2020-12-28 2020-12-28 铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器 Active CN112736195B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011575436.5A CN112736195B (zh) 2020-12-28 2020-12-28 铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011575436.5A CN112736195B (zh) 2020-12-28 2020-12-28 铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112736195A CN112736195A (zh) 2021-04-30
CN112736195B true CN112736195B (zh) 2023-09-01

Family

ID=75606159

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011575436.5A Active CN112736195B (zh) 2020-12-28 2020-12-28 铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112736195B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150119509A (ko) * 2014-04-14 2015-10-26 한양대학교 산학협력단 다치화 저항이 구현된 stt-mram 소자
CN107946454A (zh) * 2017-11-17 2018-04-20 南方科技大学 一种磁随机存储器及其写入方法、读取方法和制备方法
CN109036485A (zh) * 2017-06-09 2018-12-18 桑迪士克科技有限责任公司 垂直自旋轨道扭矩磁阻式随机存取存储器的存储器单元
CN109037434A (zh) * 2018-07-06 2018-12-18 西安交通大学 基于人工反铁磁自由层的隧道结器件及磁性随机存储装置
CN109244233A (zh) * 2018-07-26 2019-01-18 西安交通大学 基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结器件及随机存储装置
CN109560193A (zh) * 2018-10-29 2019-04-02 西安交通大学 基于人工反铁磁固定层的磁性结构及sot-mram

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11374163B2 (en) * 2018-06-19 2022-06-28 Intel Corporation Spin orbit memory with multiferroic material

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150119509A (ko) * 2014-04-14 2015-10-26 한양대학교 산학협력단 다치화 저항이 구현된 stt-mram 소자
CN109036485A (zh) * 2017-06-09 2018-12-18 桑迪士克科技有限责任公司 垂直自旋轨道扭矩磁阻式随机存取存储器的存储器单元
CN107946454A (zh) * 2017-11-17 2018-04-20 南方科技大学 一种磁随机存储器及其写入方法、读取方法和制备方法
CN109037434A (zh) * 2018-07-06 2018-12-18 西安交通大学 基于人工反铁磁自由层的隧道结器件及磁性随机存储装置
CN109244233A (zh) * 2018-07-26 2019-01-18 西安交通大学 基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结器件及随机存储装置
CN109560193A (zh) * 2018-10-29 2019-04-02 西安交通大学 基于人工反铁磁固定层的磁性结构及sot-mram

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Aitian Chen等."Giant nonvolatile manipulation of magnetoresistance in magnetic tunnel junctions by .《Nature communications》.2019,第10卷第2页第1栏倒数第9行-第6页第1栏第6行、附图1. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112736195A (zh) 2021-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10734054B2 (en) Magnetic structure based on synthetic antiferromagnetic free layer and derivative SOT-MRAM
CN108376736B (zh) 磁装置和用于设置磁装置的方法
US10953319B2 (en) Spin transfer MRAM element having a voltage bias control
JP5321991B2 (ja) 磁気メモリー素子及びその駆動方法
JP4533837B2 (ja) 電圧制御磁化反転記録方式のｍｒａｍ素子及びそれを利用した情報の記録及び読み出し方法
CN112701214B (zh) 铁电调控人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器
JP5961785B2 (ja) スイッチングが改良されたハイブリッド磁気トンネル接合要素を提供するための方法およびシステム
US9099188B2 (en) Magnetoresistive element
CN112701216B (zh) 一种磁多层结构及sot-mram
CN106887247B (zh) 信息存储元件和存储装置
CN111834521A (zh) 磁性隧道结器件
JP7102448B2 (ja) 磁気交換結合自由層を備えた磁気トンネル接合記憶素子
CN112701217B (zh) 一种磁性结构和自旋转移矩-磁随机存储器及其写入方法
KR20220029381A (ko) 쌍극자 결합 스핀 궤도 토크 구조
US20140301135A1 (en) Mram having novelself-referenced read method
US11038100B1 (en) Magnetoresistive element having a perpendicular AFM structure
US11444239B1 (en) Magnetoresistive element having an adjacent-bias layer and a toggle writing scheme
US8750035B2 (en) Memory element and memory device
CN112767979B (zh) 一种磁多层膜结构及自旋转移矩磁随机存储器
JP7335167B2 (ja) 磁気トンネル接合記憶素子
CN112736195B (zh) 铁电调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随机存储器
US20220045267A1 (en) Magnetoresistive element having a sidewall-current-channel structure
KR20200099583A (ko) 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리
CN112701215B (zh) 一种铁电辅助调控人工反铁磁固定层的sot-mram
Bandiera et al. Magnetic Random Access Memories

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