CN113451503B - 多功能磁性随机存储单元、存储器及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能磁性随机存储单元、存储器及设备，多功能磁性随机存储单元包括自旋轨道耦合层、设于所述自旋轨道耦合层上的至少一个磁隧道结以及外加磁场，其中，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；当向所述自旋轨道耦合层输入第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态与自旋轨道矩电流的方向对应；当向所述自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态发生改变，本发明可使磁隧道结可以在不同自旋轨道矩电流输入条件下分别实现单极性翻转和双极性翻转。

Description

多功能磁性随机存储单元、存储器及设备

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种多功能磁性随机存储单元、存储器及设备。

背景技术

随着半导体工艺尺寸的不断缩小，摩尔定律放缓，漏电流的增加和互联延迟成为传统CMOS存储器的瓶颈。磁性随机存储器(Magnetic random access memory,MRAM)具有无限擦写次数、非易失性、读写速度快、抗辐照等优点，有望成为通用存储器，是构建下一代非易失主存和缓存的理想器件。磁隧道结是磁随机存储器的基本存储单元。第二代自旋转移矩磁性随机存储器(Spin-transfer torque,STT-MRAM)存在孵化时间较长、读写干扰等缺点，限制了其进一步发展。自旋轨道矩磁性随机存储器(Spin-orbit torque MRAM,SOT-MRAM)由于具有写入速度快、读写路径分离和功耗较低等优点，受到工业界和学术界的广泛重视。

目前基于自旋轨道矩的SOT-MRAM的数据写入根据路径依赖型可以分为两种方式，一种是单极性翻转，另一种是双极性翻转。其中，单极性翻转是指，只要通过自旋轨道矩电流，磁隧道结的阻态就会改变，比如，高阻态变成低阻态，低阻态变成高阻态。这种单极性翻转的方式，在常规的数据写入中，需要设计对应的预读电路，因此每一次数据写操作的复杂程度相对较高，但在逻辑应用中可以实现高效的取反操作。而双极性翻转时磁隧道结的最终阻态与电流方向有关，从而使写操作复杂度相对较低。常见的使用外磁场翻转的自旋轨道矩数据写入方法，即为典型的双极性翻转，在数据写入过程中通过控制电流的方向控制磁隧道结的最终阻态，实现数据的写入。目前的自旋轨道矩磁性随机存储器通常仅能够实现单极性翻转或双极性翻转中的一种数据写入方式，限制了磁性随机存储器的广泛应用。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种多功能磁性随机存储单元，通过结合外加磁场和DMI效应，使磁隧道结可以在不同自旋轨道矩电流输入条件下分别实现单极性翻转和双极性翻转。本发明的另一个目的在于提供一种多功能磁性随机存储器。本发明的还一个目的在于提供一种计算机设备。

为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种多功能磁性随机存储单元，包括自旋轨道耦合层、设于所述自旋轨道耦合层上的至少一个磁隧道结以及外加磁场，其中，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；

当向所述自旋轨道耦合层输入第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态与自旋轨道矩电流的方向对应；当向所述自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态发生改变。

优选的，所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定；或者，

所述第一自旋轨道矩电流大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定；或者，

所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流或者大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定。

优选的，当所述自旋轨道耦合层输入正向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第一阻态，当所述自旋轨道耦合层输入反向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第二阻态。

优选的，所述磁隧道结为椭圆形，所述第一自旋轨道矩电流包括沿自旋轨道耦合层长度或宽度方向输入的第一电流；

所述第二自旋轨道矩电流包括沿所述椭圆形长轴或短轴输入的第二电流。

优选的，所述自旋轨道耦合层长度方向包括相向的第一方向和第二方向，宽度方向包括相向的第三方向和第四方向；

第二电流为沿所述第一方向或第二方向输入的子电流和沿所述第三方向或第四方向输入的子电流复合得到的。

优选的，

所述存储单元包括提供所述外加磁场或等效为所述外加磁场的磁场发生装置；或者，

所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层、势垒层和自由层，所述固定层、势垒层和自由层的至少之一的截面为梯形，用于提供所述外加磁场；或者，

所述自旋轨道耦合层的材料为反铁磁材料，所述自旋轨道耦合层与所述自由层形成交换偏置场，用于提供所述外加磁场；或者，

所述磁隧道结包括磁性材料层，用于提供所述外加磁场；或者，

所述磁隧道结具有能够形成形状各向异性场的形状，用于提供所述外加磁场的等效磁场；或者，所述自由层具有梯度的垂直各向异性，用于提供所述外加磁场的等效磁场。

优选的，所述DMI效应的强度为0.1-3mJ/m²。

优选的，进一步包括控制电路；

所述控制电路用于读取所述磁隧道结的阻态，根据所述磁隧道结的阻态和待写入数据确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变，若是，向自旋轨道耦合层输入第二电流使所述磁隧道结的阻态改变以写入所述待写入数据。

本发明还公开了一种多功能磁性随机存储器，包括阵列排布的多个如上所述的多功能磁性随机存储单元。

本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，

所述处理器和/或所述存储器包括如上所述的多功能磁性随机存储单元。

本发明通过在多功能磁性随机存储器中设置外加磁场，并使磁隧道结的自由层受到DMI效应作用。在不同电流密度(电流大小)自旋轨道矩电流输入条件下，使自旋轨道耦合层A1受到不同效应的主要作用，当输入第一自旋轨道矩电流时，磁隧道结受到的外加磁场的作用大于受到的DMI效应的作用或者由于写入的不对称，则磁隧道结在不同方向的第一自旋轨道矩电流的作用下可以实现自由层的双极性翻转，可用于数据写入过程。而当自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，磁隧道结受到的外加磁场的作用小于受到的DMI效应的作用，在第二自旋轨道矩电流的作用下可以实现自由层的单极性翻转，以便于应用于逻辑运算过程中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明多功能磁性随机存储单元一个具体实施例的结构图；

图2示出本发明多功能磁性随机存储单元一个具体实施例随着电流密度变化磁隧道结的阻态变化图；

图3示出本发明多功能磁性随机存储单元一个具体实施例沿自旋轨道耦合层长度或宽度方向输入自旋轨道矩电流的示意图；

图4示出本发明多功能磁性随机存储单元一个具体实施例沿椭圆形短轴输入自旋轨道矩电流的示意图；

图5示出本发明多功能磁性随机存储单元一个具体实施例椭圆形磁隧道结的示意图；

图6示出适于用来实现本发明实施例的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种多功能磁性随机存储单元。如图1所示，本实施例中，所述多功能磁性随机存储单元包括自旋轨道耦合层A1、设于所述自旋轨道耦合层A1上的至少一个磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)以及外加磁场，其中，所述至少一个磁隧道结的自由层B1受到DMI(Dzyaloshinskii-Moriyainteraction)效应作用。

需要说明的是，DMI效应是一种界面效应，可引起磁矩的非平行排列，即引起磁矩的不均匀分布。在实际生产中，可采用通过控制磁隧道结自由层B1的工艺和设置插入层的方式使自由层B1受到DMI效应的影响，产生磁矩的不均匀分布。其中，自由层B1的上表面和/或下表面可受到DMI效应作用。具体的，自由层B1与自旋轨道耦合层A1接触的下表面可受到DMI效应作用，自由层B1与势垒层B2或插入层接触的上表面也可受到DMI效应作用。例如，可通过控制自由层B1上下表面的退火温度或者添加Mg插入层使自由层B1受到DMI效应的影响。在实际应用中，本领域技术人员可根据实际需求设置自由层B1受到的DMI效应，在此不再赘述。

其中，当向所述自旋轨道耦合层A1输入第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结受到的外加磁场的作用大于受到的DMI效应的作用，所述磁隧道结的阻态与自旋轨道矩电流的方向对应；当向所述自旋轨道耦合层A1输入第二自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结受到的外加磁场的作用小于受到的DMI效应的作用，所述磁隧道结的阻态发生改变。

本发明通过在多功能磁性随机存储器中设置外加磁场，并使磁隧道结的自由层B1受到DMI效应作用。在不同电流密度(电流大小)自旋轨道矩电流输入条件下，使自旋轨道耦合层A1受到不同效应的主要作用，当输入第一自旋轨道矩电流时，磁隧道结受到的外加磁场的作用大于受到的DMI效应的作用，或者由于不同磁隧道结阻态对应的写入临界电流的不对称性，则磁隧道结在不同方向的第一自旋轨道矩电流的作用下可以实现自由层B1的双极性翻转，可用于数据写入过程。在此过程中，外加磁场对磁隧道结的磁矩翻转起主要作用。而当自旋轨道耦合层A1输入第二自旋轨道矩电流时，磁隧道结受到的外加磁场的作用小于受到的DMI效应的作用，在第二自旋轨道矩电流的作用下可以实现自由层B1的单极性翻转，以便于应用于逻辑运算过程中。在此过程中，DMI效应对磁隧道结的磁矩翻转起主要作用。

在优选的实施方式中，所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定。

可以理解的是，如图2所示，根据实验验证，随着自旋轨道矩电流的电流密度不断提高，磁隧道结自由层B1受到的外加磁场和DMI效应的作用效果不同。因此，根据不同电流密度的自旋轨道矩电流输入条件下，磁隧道结的阻态的变化情况可以确定第一临界电流和第二临界电流。当输入自旋轨道耦合层A1的第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流时，由于不同初始数据写入的临界电流的不对称性，或者，磁隧道结受到的外加磁场的作用大于受到的DMI效应的作用，从而此时磁隧道结可以实现双极性翻转，使磁隧道结的最终阻态与第一自旋轨道矩电流的方向相对应，可以实现确定性数据的写入，降低写操作的复杂度。

然而，当输入自旋轨道耦合层A1的第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流时，磁隧道结受到的外加磁场的作用小于受到的DMI效应的作用，从而此时磁隧道结仅能够实现单极性翻转，在输入第二自旋轨道矩电流时，磁隧道结的阻态发生改变。即，若磁隧道结的原始阻态为高阻态，第二自旋轨道矩电流输入后，磁隧道结的阻态变为低阻态；若磁隧道结的原始阻态为低阻态，第二自旋轨道矩电流输入后，磁隧道结的阻态变为高阻态。从而第二自旋轨道矩电流输入时，可以实现磁隧道结的阻态变化，相当于针对于磁隧道结中存储的数据作了一次“非”逻辑运算，以应用于各种逻辑运算中，作为逻辑器件使用。综上，通过确定多功能磁性随机存储单元的第一临界电流和第二临界电流，即可通过控制输入自旋轨道耦合层A1的自旋轨道矩电流的电流方向和电流密度实现单极性翻转和双极性翻转的不同需求，使该磁性随机存储单元可应用于数据写入和逻辑运算等多种应用场景。

在优选的实施方式中，所述第一自旋轨道矩电流大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定。

可以理解的是，再次参见图2的实验验证结果，当输入自旋轨道耦合层A1的自旋轨道矩电流的电流密度大于第二临界电流时，同样可以实现磁隧道结的双极性翻转，从而在该优选的实施方式中，也可以使输入的第一自旋轨道矩电流大于第二临界电流，实现数据的确定性写入。在实际应用中，第一自旋轨道矩电流既可以选择小于第一临界电流的电流密度范围，也可以选择大于第二临界电流的电流密度范围，本领域技术人员可根据实际需求确定，本发明对此并不作限定。

可以理解的是，所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流或者大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定。再次参见图2的实验验证结果，基于类似原理，输入自旋轨道耦合层A1的第一自旋轨道矩电流可以在小于第一临界电流和大于第二临界电流的电流范围中选择。

在优选的实施方式中，如图1所示，当所述自旋轨道耦合层A1输入正向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第一阻态，当所述自旋轨道耦合层A1输入反向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第二阻态。

可以理解的是，通过控制第一自旋轨道矩电流的方向的不同，使磁隧道结的最终阻态发生确定性改变。即在该优选的实施方式中，在自旋轨道耦合层A1中输入正向的第一自旋轨道矩电流时，磁隧道结的阻态变为第一阻态，在自旋轨道耦合层A1中输入反向的第一自旋轨道矩电流时，磁隧道结的阻态变为第二阻态。其中，根据磁隧道结的结构不同，第一阻态可以是高阻态，相应的第二阻态为低阻态；第一阻态也可以是低阻态，则相应的第二阻态为高阻态。在实际应用中，可通过改变磁隧道结的结构和增加外围电路等方式实现第一自旋轨道矩电流的方向与磁隧道结阻态的对应，本发明对此并不作限定。

在优选的实施方式中，所述磁隧道结为圆形，如图1所示。其中，Hex为外加磁场的场强方向。所述自旋轨道耦合层长度方向包括相向的第一方向和第二方向，例如图5示出的C3，C5节点，宽度方向包括相向的第三方向和第四方向，例如图5示出的C2，C4节点。第一自旋轨道矩电流包括沿自旋轨道耦合层长度或宽度方向输入的第一电流。第二自旋轨道矩电流包括沿自旋轨道耦合层长度或宽度方向输入的第二电流。

可以理解的是，自旋轨道耦合层输入第一自旋轨道矩电流时，磁隧道结自由层的磁矩发生双极性翻转。即假设第一自旋轨道矩电流沿着第一方向C3或第三方向C2输入自旋轨道耦合层时，磁隧道结的阻态最终为第一阻态。而当第一自旋轨道矩电流沿着第二方向C5或第四方向C4输入自旋轨道耦合层时，磁隧道结的阻态最终为第二阻态，从而可实现双极性翻转。具体的，第一方向的第一子电流和第二方向的第二子电流输入自旋轨道耦合层A1的电流方向相反，从而假设当沿第一方向向自旋轨道耦合层A1输入第一子电流时，磁隧道结的最终阻态为第一阻态。则沿与第一方向相反的第二方向向自旋轨道耦合层A1输入第一子电流时，磁隧道结的最终阻态为第二阻态。同理的，第三方向的第二子电流和第四方向的第二子电流输入自旋轨道耦合层A1的电流方向相反，从而假设当沿第三方向向自旋轨道耦合层A1输入第二子电流时，磁隧道结的最终阻态为第一阻态。则沿与第三方向相反的第四方向向自旋轨道耦合层A1输入第二子电流时，磁隧道结的最终阻态为第二阻态，可实现双极性翻转。

自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，磁隧道结自由层的磁矩发生单极性翻转。即假设磁隧道结的初始阻态为第一阻态时，第二自旋轨道矩电流沿着第一方向C3、第三方向C2、第二方向C5或第四方向C4输入自旋轨道耦合层时，磁隧道结的阻态发生改变，变为第二阻态，从而可实现单极性翻转。

可以理解的是，所述外加磁场需要与第一自旋轨道矩电流共线，才可以实现数据的确定性写入。本领域技术人员可根据公知常识确定磁场的方向，本发明在此不再赘述。

在优选的实施方式中，所述磁隧道结为椭圆形，如图5所示。所述自旋轨道耦合层长度方向包括相向的第一方向和第二方向，如C3，C5节点，宽度方向包括相向的第三方向和第四方向，如C2，C4节点。所述第一自旋轨道矩电流包括沿自旋轨道耦合层A1长度或宽度方向输入的第一电流。所述第二自旋轨道矩电流包括沿所述椭圆形长轴或短轴的两端的第二电流。

可以理解的是，通常情况下，可沿自旋轨道耦合层A1的长度或宽度方向输入第一自旋轨道矩电流和第二自旋轨道矩电流。而当磁隧道结为倾斜的非完全对称结构，例如椭圆形时，如图3所示，可以通过沿椭圆形的长轴或短轴施加单向电流，即，第二自旋轨道矩电流，实现磁隧道结的单极性翻转，而这一单向电流可以通过沿所述第一方向或第二方向输入的第一子电流和沿所述第三方向或第四方向的第二子电流复合实现。如图4所示，第一自旋轨道矩电流可以选择沿所述第一方向或第二方向输入的第一子电流和沿所述第三方向或第四方向的第二子电流中的一个输入自旋轨道耦合层A1。举例说明，如图3所示，通过第一方向和第二方向向自旋轨道耦合层A1输入子电流时，磁隧道结的最终阻态为第一阻态。则，通过第三方向和第四方向向自旋轨道耦合层A1输入子电流时，磁隧道结的最终阻态为第二阻态。

可以理解的是，椭圆结构中不均匀的退磁场，即形状各向异性场，能够作为等效磁场，因此不需要其他外加磁场的装置。可以理解的是，在本实施方式中的双极性写入部分，不均匀的退磁场导致的等效磁场的作用仍然需要大于DMI效应的作用，即与前文分析相符合。当不均匀的退磁场导致的等效磁场的作用小于DMI效应的作用时，磁隧道结仍然可以发生单极性写入。可以理解的是，在本实施方式中单极性写入方案中，不均匀的退磁场对沿着长轴和短轴的复合电流无效，此时DMI效应发挥主要作用，因此是单极性写入方案。

可以理解的是，对于椭圆形磁隧道结，形成第二自旋轨道矩电流的第二电流可以由沿自旋轨道耦合层A1的长度或宽度方向输入的子电流复合形成。具体的，所述自旋轨道耦合层A1长度和宽度方向包括第一方向～第四方向四个输入方向，相邻的两个方向的子电流可复合形成沿两个方向的中线方向的倾斜电流，从而可第一子电流～第四子电流可组合形成沿椭圆形长轴和短轴输入的第二电流。

在可选的实施方式中，多功能磁性随机存储单元中的外加磁场可通过多种方式实现。具体的，可通过以下方式的至少之一形成外加磁场：

所述存储单元包括提供所述外加磁场或等效为所述外加磁场的磁场发生装置；

所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层B3、势垒层B2和自由层B1，所述固定层B3、势垒层B2和自由层B1的至少之一的截面为梯形，用于提供所述外加磁场；

所述自旋轨道耦合层A1的材料为反铁磁材料，所述自旋轨道耦合层A1与所述自由层B1形成交换偏置场，用于提供所述外加磁场；

所述磁隧道结包括磁性材料层(例如Co层)，用于提供所述外加磁场；

所述磁隧道结具有能够形成形状各向异性场(不均匀退磁场)的形状，用于提供所述外加磁场。在一些实施方式中，磁隧道结可以采用长方形、椭圆形和等腰直角形等形状，以椭圆形为例，长轴方向退磁场弱与短轴方向，该退磁场可等效为外加磁场；

所述自由层B1具有梯度的垂直各向异性，用于提供所述外加磁场的等效磁场。具体的，在制作磁隧道结时，可将通过调节靶材的浓度，使得自由层B1拥有梯度的垂直各向异性，进一步破坏磁矩分布的对称性，可用于提供等效的外加磁场。此时，自由层B1仍可受DMI效应等界面交互作用和其他外加磁场的作用。

需要说明的是，可形成外加磁场的磁场发生装置或者等效装置为本领域的常规技术手段，本领域技术人员可根据需求灵活设置，在此不再赘述。另外，使固定层B3、势垒层B2和自由层B1的至少之一的截面为梯形、采用反铁磁材料与自由层B1形成交换偏置场以及设置磁性材料层等方式也可提供外加磁场。在实际应用中，还可以通过其他可行的方式形成外加磁场，本发明对此并不作限定。

在优选的实施方式中，所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层B3、势垒层B2和自由层B1。所述自由层B1的底面与所述自旋轨道耦合层A1固定连接。可以理解的是，磁隧道结的电阻取决于固定层B3与自由层B1的磁化方向，而自由层B1和固定层B3的磁化方向由磁矩方向决定。其中，固定层B3与自由层B1的磁矩方向相同时，磁隧道结处于低电阻状态(低阻态)，固定层B3与自由层B1的磁矩方向相反时，磁隧道结处于高电阻状态(高阻态)。可预先将磁隧道结的高电阻状态和低电阻状态分别与不同数据对应，例如，预先设定高电阻状态与数据“1”对应，低电阻状态与数据“0”对应，则通过读取电路向磁隧道结输入电流或电压，根据电流或电压的变化可以确定磁隧道结的阻态为高电阻状态还是低电阻状态的阻态，根据磁隧道结的阻态可确定该磁隧道结中存储的数据为“1”还是“0”。其中，高电阻状态和低电阻状态的范围确定为本领域的常用技术手段，本领域技术人员可根据公知常识确定磁隧道结高电阻状态和低电阻状态的阻值范围，本发明在此不再赘述。

在优选的实施方式中，为了调节磁隧道结的垂直各向异性、各层的平滑度以及调节DMI效应等等特性，磁隧道结还可包括插入层、钉扎层、种子层和封盖层等层结构的至少之一。其中，各层结构的设置可根据实际需求设置一层或多层，并且本领域技术人员可根据需求设置磁隧道结各层结构自上而下的设置顺序，本发明对此并不作限定。例如，在一个具体例子中，可在自由层B1与自旋轨道耦合层A1之间插入0.1nm-1nm的Mg层，或者在自由层B1和势垒层B2之间插入0.1nm-1nm的Mg层，以提高自由层B1受到的DMI效应的强度。

在优选的实施方式中，可通过控制自由层B1的工艺条件或设置插入层等方式将自由层B1受到的DMI效应的强度设置在0.1-3mJ/m²的范围内。为了更好的实现本发明多功能磁性随机存储单元的随机数生成和数据写入的多功能，可使磁隧道结自由层B1受到的DMI效应的强度优选的在0.1-2mJ/m²范围内，以防止DMI效应过大导致的振荡效应。更优选的，可使磁隧道结自由层B1受到的DMI效应的强度在0.1-1.5mJ/m²范围内。

可选的，自旋轨道耦合层A1上的磁隧道结的形状可以是立方体、圆柱体、正方体或椭圆柱体等形状中的任意一种。设置在自旋轨道耦合层A1上的至少一个磁隧道结的底面形状，即自由层B1的下表面与自旋轨道耦合层A1耦合。

优选的，自旋轨道耦合层A1可选用长方形，使自旋轨道耦合层A1的顶面面积大于设置在自旋轨道耦合层A1上的至少一个磁隧道结所占的面积，即使至少一个磁隧道结可以设于所述自旋轨道耦合层A1上，并使至少一个磁隧道结的外边缘位于所述自旋轨道耦合层A1的外边缘的内侧。其中，自旋轨道耦合层A1优选的可选用重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜。

需要说明的是，自旋轨道耦合层A1上的磁隧道结可以是一个也可以是多个，优选的可将多个磁隧道结设于同一条自旋轨道耦合层A1之上，能够实现对多个磁隧道结的一次性数据写入操作，可减小输入第一电流或第二电流的控制晶体管的数量，进而提高集成度和降低电路功耗。

在优选的实施方式中，磁性随机存储单元向自旋轨道耦合层A1和磁隧道结输入电流时可通过在自旋轨道耦合层A1和磁隧道结上设置电极输入，例如在磁隧道结顶部设置顶电极，在自旋轨道耦合层A1相对的两侧分别设置输入电极和输出电极。其中，优选的，电极的材料可采用钽Ta、铝Al、金Au或铜Cu中的任意一种。

优选的，所述自由层B1和固定层B3的材料可为铁磁金属，所述势垒层B2的材料可为氧化物。所述磁隧道结具有垂直磁各向异性，则表示形成磁隧道结的自由层B1和固定层B3的磁化方向沿垂直方向。其中，铁磁金属可为钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等材料中的至少一种形成的混合金属材料，混合的金属材料的比例可以相同也可以不同。所述氧化物可为氧化镁MgO或氧化铝Al₂O₃等氧化物中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。在实际应用中，铁磁金属和氧化物还可以采用其他可行的材料，本发明对此并不作限定。

磁隧道结的自由层B1与自旋轨道耦合层A1接触固定，可通过传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射等方法将磁隧道结的各层和自旋轨道耦合层A1按照从下到上的顺序依次镀在衬底上，然后通过光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备形成多个磁隧道结。

在优选的实施方式中，所述自旋轨道耦合层A1为重金属薄膜、反铁磁薄膜或其他材料构成的自旋轨道耦合层A1。重金属薄膜或反铁磁薄膜可制成长方形，其顶面积优选的大于所有磁隧道结形成的轮廓的底面积，以能够设置一个或多个磁隧道结，磁隧道结的底面形状完全内嵌于重金属薄膜或反铁磁薄膜的顶面形状。优选的，所述自旋轨道耦合层A1的材料可以选用铂Pt、钽Ta或钨W等材料中的一种。在实际应用中，自旋轨道耦合层A1还可以采用其他可行的材料形成，本发明对此并不作限定。

在本实施例中，磁隧道结包括顶部的固定层B3、与自旋轨道耦合层A1接触的自由层B1以及设于所述固定层B3和所述自由层B1间的势垒层B2，磁隧道结为三层结构，只包括一个自由层B1。在其他实施例中，自由层B1可设置为多个，即两层以上的自由层B1。则磁隧道结包括顶部的固定层B3、多个自由层B1以及设于每相邻两层间的势垒层B2，最底层的自由层B1与所述自旋轨道耦合层A1接触设置。例如，在一个具体例子中，当包括两层自由层B1时，磁性存储单元结构可包括自旋轨道耦合层A1、依次设于所述自旋轨道耦合层A1上的第二自由层B1、势垒层B2、第一自由层B1、势垒层B2和固定层B3。

在优选的实施方式中，多功能磁性随机存储单元进一步包括控制电路。所述控制电路用于读取所述磁隧道结的阻态，根据所述磁隧道结的阻态和所述待写入数据确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变，若是，向自旋轨道耦合层输入第二电流使所述磁隧道结的阻态改变以写入所述待写入数据。其中，控制电路可通过C1端读取磁隧道结的阻态。

可以理解的是，在自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态改变，即将磁隧道结中的阻态变为相反的阻态，使磁隧道结中存储的数据从一个数据变为另一个数据。例如，磁隧道结的阻态为高阻态或低阻态时，表示磁隧道结中分别存储“1”和“0”两个数据。则当磁隧道结的阻态表示存储的数据为“1”时，经过第二自旋轨道矩电流的写入，磁隧道结的阻态变为表示存储的数据为“0”。反之亦然，当磁隧道结的阻态表示存储的数据为“0”时，经过第二自旋轨道矩电流的写入，磁隧道结的阻态变为表示存储的数据为“1”。因此，在进行数据写入时，优选的可先通过控制电路确定磁隧道结的阻态，以确定磁隧道结中存储的数据。进一步的，根据待写入数据和当前磁隧道结中存储的数据可确定各磁隧道结中存储的数据是否需要改变，以确定是否输入第二自旋轨道矩电流使磁隧道结的阻态改变，使磁隧道结中存储的数据为待写入数据。需要说明的是，控制电路的具体电路结构设计为本领域的常规技术手段，本领域技术人员可根据实际需要采用不同的电路结构实现控制电路的功能，在此不再赘述。

基于相同原理，本实施例还公开了一种多功能磁性随机存储器。所述多功能磁性随机存储器包括阵列排布的多个如本实施例所述的多功能磁性随机存储单元。

多功能磁性随机存储器包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。多功能磁性随机存储器的应用例子包括，但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

由于该多功能磁性随机存储器解决问题的原理与以上多功能磁性随机存储单元类似，因此本多功能磁性随机存储器的实施可以参见上述多功能磁性随机存储单元的实施，在此不再赘述。

基于相同原理，本实施例还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。

所述处理器和/或所述存储器包括如本实施例所述的多功能磁性随机存储单元。

上述实施例阐明的多功能磁性随机存储单元，具体可以设置在具有某种功能的产品设备中。一种典型的实现设备为计算机设备，具体的，计算机设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

在一个典型的实例中计算机设备具体包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器和/或所述存储器包括如本实施例所述的多功能磁性随机存储单元。

下面参考图6，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备600的结构示意图。

如图6所示，计算机设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM))603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有系统600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。

以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶反馈器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可应用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (14)

1.一种多功能磁性随机存储单元，其特征在于，包括自旋轨道耦合层、设于所述自旋轨道耦合层上的至少一个磁隧道结以及外加磁场，其中，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；

当向所述自旋轨道耦合层输入第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态与自旋轨道矩电流的方向对应；当向所述自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态发生改变；

所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定；或者，

所述第一自旋轨道矩电流大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定。

2.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，当所述自旋轨道耦合层输入正向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第一阻态，当所述自旋轨道耦合层输入反向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第二阻态。

3.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，所述磁隧道结为椭圆形，所述第一自旋轨道矩电流包括沿自旋轨道耦合层长度或宽度方向输入的第一电流；

所述第二自旋轨道矩电流包括沿所述椭圆形长轴或短轴输入的第二电流。

4.根据权利要求3所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，所述自旋轨道耦合层长度方向包括相向的第一方向和第二方向，宽度方向包括相向的第三方向和第四方向；

第二电流为沿所述第一方向或第二方向输入的子电流和沿所述第三方向或第四方向输入的子电流复合得到的。

5.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，

所述存储单元包括提供所述外加磁场或等效为所述外加磁场的磁场发生装置。

6.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，

所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层、势垒层和自由层，所述固定层、势垒层和自由层的至少之一的截面为梯形，用于提供所述外加磁场。

7.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，

所述自旋轨道耦合层的材料为反铁磁材料，所述自旋轨道耦合层与所述自由层形成交换偏置场，用于提供所述外加磁场。

8.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，

所述磁隧道结包括磁性材料层，用于提供所述外加磁场。

9.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，

所述磁隧道结具有能够形成形状各向异性场的形状，用于提供所述外加磁场的等效磁场。

10.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，

所述自由层具有梯度的垂直各向异性，用于提供所述外加磁场的等效磁场。

11.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，所述DMI效应的强度为0.1-3mJ/m²。

12.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，进一步包括控制电路；

所述控制电路用于读取所述磁隧道结的阻态，根据所述磁隧道结的阻态和待写入数据确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变，若是，向自旋轨道耦合层输入第二电流使所述磁隧道结的阻态改变以写入所述待写入数据。

13.一种多功能磁性随机存储器，其特征在于，包括阵列排布的多个如权利要求1-12任一项所述的多功能磁性随机存储单元。

14.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，

所述处理器和/或所述存储器包括如权利要求1-12任一项所述的多功能磁性随机存储单元。

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