CN115802871A - 一种磁子自旋力矩器件、存储结构及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种磁子自旋力矩器件、存储结构及电子设备，所述磁子自旋力矩器件包括：衬底，设置在所述衬底上的自旋源层，设置在所述自旋源层远离所述衬底一侧的磁子传输层，设置在所述磁子传输层远离所述衬底一侧的磁性结构层，其中，所述磁子传输层包括多铁反铁磁材料。本实施例提供的方案，使用多铁反铁磁材料作为磁子传输层，可以实现通过电场控制磁子自旋力矩，相比使用非多铁反铁磁材料作为磁子传输层的方案，电场可调，传输距离更远，损耗更小，能耗低。

Description

一种磁子自旋力矩器件、存储结构及电子设备

技术领域

本公开实施例涉及但不限于磁性存储技术，尤指一种磁子自旋力矩器件、存储结构及电子设备。

背景技术

磁性随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)因其非易失性、高持久性、低功耗等优点正成为存储器的主流。在90年代早期，自旋转移力矩(SpinTransfer Torque，STT)被发现。STT-MRAM技术近年来已成为一种成熟的嵌入式技术，各大厂商均宣布大规模生产嵌入式STT-MRAM。然而，STT-MRAM存在延迟和可靠性问题，使其不适合替换L1/L2缓存静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)。自旋轨道矩-磁性随机存取存储器(Spin-Orbit Torque–MARAM，SOT-MRAM)，有着亚纳秒的切换速度和更好的续航能力，而成为STT-MRAM的潜在候选。但是SOT-MRAM这种3端配置至少需要两个晶体管才能工作，大大限制了集成密度。SOT-MRAM的另一个挑战是其高开关电流，这对其可靠性和比特单元面积产生不利影响。随之，研究者提出了电压控制多比特和SOT共享写入通道。然而由于低面内磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)保留和低速的门调制，限制了这种方案的可伸缩性和效率。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本公开实施例提供了一种磁子自旋力矩器件、存储结构及电子设备。

本公开实施例提供了一种磁子自旋力矩器件，包括：

衬底，设置在所述衬底上的自旋源层，设置在所述自旋源层远离所述衬底一侧的磁子传输层，设置在所述磁子传输层远离所述衬底一侧的磁性结构层，其中，所述磁子传输层包括多铁反铁磁材料。

在一示例性实施例中，所述多铁反铁磁材料包括以下至少之一：铁酸铋、铁酸铋镧、锰酸铽、锰酸钙、锰酸镥、锰酸锶钡。

在一示例性实施例中，沿垂直于所述衬底的方向，所述磁子传输层的厚度为2至1000纳米。

在一示例性实施例中，所述自旋源层的材料包括以下至少之一：铂、钽、钨、锡、铂锰合金、二碲化钨、铋锑合金、铱锰合金、二氧化铱、钌酸锶、铱酸锶。

在一示例性实施例中，所述磁性结构层包括一层或多层垂直磁各向异性薄膜。

在一示例性实施例中，所述磁性结构层的材料包括以下至少之一：钴、钴铁硼、碲化铁、镧锶锰氧化物、铂钴单层和铂钴多层。

在一示例性实施例中，所述磁子自旋力矩器件还包括：设置在所述磁性结构层远离所述衬底一侧的电极，在平行于所述衬底的平面上，所述电极的正投影与所述磁子传输层的正投影存在交叠。

本公开实施例一种存储结构，包括：衬底，设置在所述衬底上的自旋源层，设置在所述自旋源层远离所述衬底一侧的磁子传输层，设置在所述磁子传输层远离所述衬底一侧的至少一个磁记录单元，设置在所述磁记录单元远离所述衬底一侧的电极，在平行于所述衬底的平面上，所述电极的正投影与所述磁子传输层的正投影存在交叠，其中，所述磁子传输层包括多铁反铁磁材料。

在一示例性实施例中，所述电极与所述磁记录单元一一对应。

在一示例性实施例中，所述多铁反铁磁材料包括以下至少之一：铁酸铋、铁酸铋镧、锰酸铽、锰酸钙、锰酸镥、锰酸锶钡。

在一示例性实施例中，沿垂直于所述衬底的方向，所述磁子传输层的厚度为2至1000纳米。

在一示例性实施例中，所述自旋源层的材料包括以下至少之一：铂、钽、钨、锡、铂锰合金、二碲化钨、铋锑合金、铱锰合金、二氧化铱、钌酸锶、铱酸锶。

在一示例性实施例中，所述磁记录单元包括：依次设置在所述磁子传输层远离所述衬底一侧的自由层、势垒层、固定层，且所述自由层、固定层垂直磁各向异性。

本公开实施例提供一种电子设备，包括上述任一实施例所述的存储结构。

在一示例性实施例中，所述电子设备还包括：与所述磁记录单元对应的第一开关单元，第二开关单元，所述第一开关单元分别与第一位线端、第二位线端和对应的磁记录单元的所述电极连接；所述第二开关单元与第三位线端、第一字线端和所述自旋源层的一端连接；其中，

所述第一开关单元被配置为，在所述第一位线端的控制下，向所述电极提供所述第二位线端的信号；

所述第二开关单元被配置为，在所述第一字线端的控制下，向所述自旋源层提供所述第三位线端的信号。

本公开实施例包括一种磁子自旋力矩器件及存储结构、电子设备，所述磁子自旋力矩器件包括：衬底，设置在所述衬底上的自旋源层，设置在所述自旋源层远离所述衬底一侧的磁子传输层，设置在所述磁子传输层远离所述衬底一侧的磁性结构层，其中，所述磁子传输层包括多铁反铁磁材料。本实施例提供的方案，使用多铁反铁磁材料作为磁子传输层，可以实现通过电场控制磁子自旋力矩，相比使用非多铁反铁磁材料作为磁子传输层的方案，电场可调，传输距离更远，损耗更小，能耗低。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。

附图说明

附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对技术方案的限制。

图1为一示例性实施例提供的磁子自旋力矩器件示意图；

图2为另一示例性实施例提供的磁子自旋力矩器件示意图；

图3为又一示例性实施例提供的磁子自旋力矩器件示意图；

图4为一示例性实施提供的基于磁子自旋力矩的磁化开关测量装置示意图、反常霍尔电阻图及施加不同辅助磁场时的翻转回线图；

图5为一示例性实施提供的存储结构示意图；

图6为一示例性实施例提供的存储结构状态变化示意图；

图7为一示例性实施提供的电子设备示意图；

图8为一示例性实施例提供的存储结构控制方法流程图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本公开实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，本公开实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

除非另外定义，本公开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。

在附图中，有时为了明确起见，夸大表示了各构成要素的大小、层的厚度或区域。因此，本公开的实施方式并不一定限定于该尺寸，附图中各部件的形状和大小不反映真实比例。此外，附图示意性地示出了理想的例子，本公开的实施方式不局限于附图所示的形状或数值。

本公开中的“第一”、“第二”、“第三”等序数词是为了避免构成要素的混同而设置，并不表示任何顺序、数量或者重要性。

在本公开中，为了方便起见，使用“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的词句以参照附图说明构成要素的位置关系，仅是为了便于描述本说明书和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。构成要素的位置关系根据描述各构成要素的方向适当地改变。因此，不局限于在公开中说明的词句，根据情况可以适当地更换。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，或可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或通过中间件间接相连，或两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，晶体管是指至少包括栅电极、漏电极以及源电极这三个端子的元件。晶体管在漏电极(漏电极端子、漏区域或漏电极)与源电极(源电极端子、源区域或源电极)之间具有沟道区域，并且电流能够流过漏电极、沟道区域以及源电极。在本公开中，沟道区域是指电流主要流过的区域。

在本公开中，可以是第一极为漏电极、第二极为源电极，或者可以是第一极为源电极、第二极为漏电极。在使用极性相反的晶体管的情况或电路工作中的电流方向变化的情况等下，“源电极”及“漏电极”的功能有时互相调换。因此，在本公开中，“源电极”和“漏电极”可以互相调换。

在本公开中，“电连接”包括构成要素通过具有某种电作用的元件连接在一起的情况。“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接的构成要素间的电信号的授受，就对其没有特别的限制。“具有某种电作用的元件”的例子不仅包括电极和布线，而且还包括晶体管等开关元件、电阻器、电感器、电容器、其它具有各种功能的元件等。

在本公开中，“平行”是指两条直线形成的角度为-10°以上且10°以下的状态，因此，也包括该角度为-5°以上且5°以下的状态。另外，“垂直”是指两条直线形成的角度为80°以上且100°以下的状态，因此，也包括85°以上且95°以下的角度的状态。

本公开所说的“B的正投影位于A的正投影的范围之内”，是指B的正投影的边界落入A的正投影的边界范围内，或者A的正投影的边界与B的正投影的边界重叠。

磁子学器件(magnonics)旨在利用自旋波(spin waves)进行信息处理。近年来，磁子学研究领域迅速崛起，成为超互补金属氧化物半导体技术(beyond-COMS)创新信息和通信技术器件发展的新途径。自旋波，磁材料中电子自旋系统的集体激发(其量子磁子)为数据处理提供了一些优势，包括：

(1)自旋波提供无焦耳热的信息传递，为实现低功耗提供良好的前景。

(2)由于自旋波比同频率光的波长短几个数量级，而且磁子谱覆盖了相当宽的频率范围(GHz～THz)，因此在器件小型化和高速技术发展方面具有广阔的前景。

(3)自旋波相位提供额外的自由度，使先进的模拟计算成为可能。虽然磁子学器件已经显示出开发创新计算设备的潜力，但是实现更先进的磁学器件甚至整个电路仍存在一些挑战。

由于集成电路中器件的高密度堆积，单个微小器件产生的焦耳热增加了大量的能量损失，提高了器件的温度，从而降低了器件的性能。一个较好的替代方法是使用来自反铁磁(Antiferromagnetic，AFM)绝缘体的磁子力矩来控制局部磁化，其中磁子电流被铁磁层吸收，因此，磁子力矩将调节铁磁层的磁化。通过该原理可以设计基于多铁反铁磁的磁子学存储器件。而基于磁子学存储器件将具有非易失、低写入功耗的特性，另一方面，通过基于多铁反铁磁的磁子传输通道作为自旋晶体管，在同一SOT轨道上组合多个MTJ来获得架构密度。而基于多铁反铁磁的磁子传输通道作为自旋晶体管，对自旋(或磁子)流具有高的开关比和高选择性等优势。

多铁反铁磁材料，比如铁酸铋(BiFeO₃，BFO)是一种室温磁电耦合材料，有着大的铁电极化，同时具有G-型反铁磁磁有序，有望作为磁子传输介质，进一步通过电场调控铁电极化来改变磁子传输性质，继而可能被用来设计成自旋(波)场效应晶体管。

图1为一示例性实施例提供的磁子自旋力矩器件的示意图。如图1所示，本实施例提供的磁子自旋力矩器件包括：衬底1、设置在所述衬底1上的自旋源层2，设置在所述自旋源层2远离所述衬底1一侧的磁子传输层3，设置在所述磁子传输层3远离所述衬底1一侧的磁性结构层4，其中，所述磁子传输层3包括多铁反铁磁材料。

所述多铁反铁磁材料为具有铁电性和反铁磁性的材料。其中，具有铁电性的材料为没有外加电场下，整体呈现固有电偶极矩的材料；具有反铁磁性的材料为在一定温度范围内磁矩有序排列但不表现宏观上强磁矩的材料。

本实施例提供的磁子自旋力矩器件，当电流施加到自旋源层2时，电流通过自旋霍尔效应(或Rashba-Edelstein效应，或轨道霍尔效应)在自旋源层2和磁子传输层3的界面处产生自旋极化积累，从而在磁子传输层3中产生磁子流，感应磁子流的作用在磁性结构层4产生磁子自旋力矩。磁子传输层3为多铁反铁磁材料，多铁反铁磁具有强的磁电耦合效应，具有铁电性和反铁磁性，可以被电场改变极化方向(相应的调控磁结构)，磁子传输层3的磁子流随之改变，磁性结构层4产生的磁子自旋力矩的大小和方向相应变化，因此，可以通过控制施加到磁子传输层3的电场控制磁性结构层4的磁子自旋力矩的大小和方向。

本实施例提供的方案，使用多铁反铁磁材料作为磁子传输层，可以实现通过电场控制磁子自旋力矩，相比使用非多铁反铁磁材料作为磁子传输层的方案，电场可调，传输距离更远，损耗更小，能耗低；相比基于电子自旋轨道矩翻转局域磁的技术，基于磁子自旋力矩翻转磁矩的技术可以显著减少由于电子运动相关的能量耗散，发热小；且传输速度长，电子自旋扩散长度通常只有几纳米，而磁子的传输长度有几微米甚至毫米级别。

在一示例性实施例中，所述衬底1的材料包括但不限于以下至少之一：硅单晶、碳化硅、蓝宝石、钆镓石榴石、砷化镓、金刚石、氮化铝或氮化镓钛酸锶(SrTiO₃，STO)、钪酸镝(DyScO₃，DSO)、钪酸铽(TbScO₃，TSO)、钪酸钆(GdScO₃，GSO)、钪酸钐(SmScO₃，SSO)等。

在一示例性实施例中，所述多铁反铁磁材料可以包括但不限于以下至少之一：铁酸铋(BiFeO₃，BFO)、铁酸铋镧(LaBiFeO₃，LBFO)、锰酸铽(TbMnO₃)、锰酸钙(CaMn₂O₇)、锰酸镥(LuMnO₃)、锰酸锶钡((SrBa)MnO₃)。

在一示例性实施例中，沿垂直于所述衬底1的方向，所述磁子传输层3的厚度为可以2至1000纳米。可以看到，本实施例提供的磁子自旋力矩器件，可以支持的传输距离长。

在一示例性实施例中，所述自旋源层2的材料可选用自旋霍尔角大于预设值的材料，包括但不限于铂(Pt)、钽(Ta)、钨(W)、锡(Sn)、铂锰合金(PtMn)、二碲化钨(WTe₂)、铋锑合金(Bi_xSb_1-x)、铱锰合金(IrMn)、二氧化铱(IrO₂)、、钌酸锶(SrRuO₃，SRO)、铱酸锶(SrIrO₃，简称SIO，或者Sr₂Ir₂O₄)等。

在一示例性实施例中，沿垂直于所述衬底1的方向，所述自旋源层2的厚度可以为几纳米至几百纳米。

在一示例性实施例中，所述磁性结构层4可以包括一层或多层垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)薄膜。本实施例提供的方案，相比使用面内各向异性磁材料，有利于在集成时缩小尺寸。

在一示例性实施例中，所述磁性结构层4的材料包括但不限于以下至少之一：钴(Co)、钴铁硼(CoFeB)、碲化铁(FeTe)、镧锶锰氧化物(LSMO)、铂钴(PtCo)单层和PtCo多层。

在一示例性实施例中，所述磁性结构层4可以包括磁隧道结或者巨磁阻(GiantMagneto Resistance，GMR)。磁隧道结或者巨磁阻可以包括依次设置的第一铁磁层、非磁绝缘层(比如可以为铁电层)、第二铁磁层。所述磁隧道结包括但不限于是CoFeB/氧化镁(MgO)/CoFeB构成的结构，即第一铁磁层和第二铁磁层为CoFeB，非磁绝缘层为MgO。巨磁阻包括由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成的磁性薄膜结构，会产生GMR效应。GMR效应是一种量子力学效应，当第一铁磁层和第二铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，巨磁阻实现最小阻值；当第一铁磁层和第二铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，巨磁阻的电阻最大。

在一示例性实施例中，所述自旋源层2比如为SRO，所述磁子传输层3比如为BFO。

在一示例性实施例中，如图2所示，所述磁子自旋力矩器件还可以包括：设置在所述磁性结构层4远离所述衬底1一侧的电极5，在平行于所述衬底1的平面上，所述电极5的正投影与所述磁子传输层3的正投影存在交叠。其中，所述电极5可以连接至第一电压端，所述自旋源层2可以连接到第二电压端，可以在所述电极5与所述自旋源层2之间形成电场，由于磁子传输层3为多铁反铁磁材料，可以被电场改变极化方向，因为磁电耦合效应，磁结构随极化方向改变而改变，从而改变磁子传输层3的磁子传输特性，相应的调控磁性结构层4的磁子自旋力矩。简而言之，即通过电场调控磁子传输通道的方式，实现磁子自旋力矩的电场可控。

上一实施例中，自旋源层2复用为底电极，与电极5(可以称为顶电极)之间形成电场。在另一示例性实施例中，自旋源层2可以不复用为底电极，可以在衬底1和自旋源层2之间设置底电极，该底电极和电极5之间形成电场，以控制所述磁子传输层3的极化方向。

在一示例性实施例中，如图3所示，所述磁子自旋力矩器件可以包括衬底1、设置在衬底1上的自旋源层2，依次设置在所述自旋源层2远离所述衬底1一侧的多个磁子传输层3和多个磁性结构层4，所述磁子传输层3与所述磁性结构层4可以一一对应。在平行于所述衬底1的平面上，所述磁子传输层3的正投影与对应的磁性结构层4的正投影存在交叠，所述磁子传输层3的正投影与所述自旋源层2的正投影存在交叠，所述磁性结构层4的正投影与所述自旋源层2的的正投影存在交叠。当电流施加到自旋源层2时，电流通过自旋霍尔效应在自旋源层2和多个磁子传输层3的界面处产生自旋极化积累，从而在多个磁子传输层3中产生磁子流，感应磁子流的作用分别在多个磁性结构层4产生磁子自旋力矩。本实施例中，一个自旋源层2上可以设置多个磁子传输层3和多个磁性结构层4，在自旋源层2加载脉冲电流可以实现多个磁性结构层4的翻转。

图4为一示例性实施例提供的磁子自旋力矩器件作为磁化开关测量装置示意图。如图4中a所示，磁化开关测量装置包括衬底1(图4中未示出)、设置在衬底1上的自旋源层2、设置在所述自旋源层2远离所述衬底1一侧的磁子传输层3，设置在所述磁子传输层3远离所述衬底1一侧的磁性结构层4。所述衬底1比如为DSO，所述自旋源层2比如为SRO，所述磁子传输层3比如为BFO，所述磁性结构层4为垂直磁各向异性(PMA)薄膜，比如可以为PtCo，其中，图4中a中，I_pulse是脉冲电流，H_ext是外加的辅助磁场，其方向沿电流方向，M为磁矩，箭头为磁矩方向。图4中b为对面外磁场扫场(比如施加的磁场Hz从-30mT逐渐变化到30mT)，室温条件下测量的PtCo/BFO/SRO异质结构中的反常霍尔电阻Rxy。图4中c为外加与施加到SRO的电流同向的辅助磁场Hx为+10毫特斯拉(mT)时，所测得的翻转回线。图4中d为外加与施加到SRO的电流反向的辅助磁场Hx为-10mT时，所测得的翻转回线，可以看到，与图4中c所示的翻转回线相比，图4中d所示的翻转回线极性改变，即，磁子力矩可以使垂直磁各向异性层(磁性结构层4)实现磁化翻转。这种基于多铁反铁磁材料的磁子自旋力矩翻转磁矩的工作原理为：磁子传输层3的磁子力矩来控制局部磁化，磁子传输层3产生的磁子电流被磁性结构层4吸收，因此，磁子力矩将调节磁性结构层4中的铁磁层的磁化。当自旋源层2传递的转矩足够大时，磁化反向。

图5为一示例性实施例提供的存储结构示意图。如图5所示，本实施例提供一种存储结构，包括：衬底1，设置在所述衬底1上的自旋源层2，设置在所述自旋源层2远离所述衬底1一侧的磁子传输层3，设置在所述磁子传输层3远离所述衬底1一侧的至少一个磁记录单元6，设置在所述磁记录单元6远离所述衬底1一侧的电极5，在平行于所述衬底1的平面上，所述电极6的正投影与所述磁子传输层3的正投影存在交叠，其中，所述磁子传输层3包括多铁反铁磁材料。

磁记录单元6可以呈现不同状态，分别代表0和1，从而实现存储。磁记录单元6的状态可以被磁子传输层3的磁子流改变。

本实施例提供的存储结构为磁子学存储器件，具有非易失、低写入功耗的优点，另外，存在多个磁记录单元时，可以通过加载在电极上的电压控制磁子传输层实现独立控制不同的磁记录单元，具有高的开关比和高选择性等优势。

所述电极5可以连接到第一电压端V_G，所述自旋源层2的一端可以连接至第二电压端VSS，所述第二电压端VSS比如为接地端。

在一示例性实施例中，所述衬底1的材料包括但不限于以下至少之一：钛酸锶(SrTiO₃，STO)、钪酸镝(DyScO₃，DSO)、钪酸铽(TbScO₃，TSO)、钪酸钆(GdScO₃，GSO)、钪酸钐(SmScO₃，SSO)等。

在一示例性实施例中，所述电极5可以与所述磁记录单元6一一对应。但本公开实施例不限于此，一个电极5可以对应多个磁记录单元6。

在一示例性实施例中，所述多铁反铁磁材料包括以下至少之一：铁酸铋、铁酸铋镧、锰酸铽(TbMnO₃)、锰酸钙(CaMn₂O₇)、锰酸镥(LuMnO₃)、锰酸锶钡((SrBa)MnO₃)。

在一示例性实施例中，沿垂直于所述衬底的方向，所述磁子传输层3的厚度可以为2至1000纳米。

在一示例性实施例中，所述自旋源层2的材料可以包括但不限于以下至少之一：钌酸锶、铱酸锶。

在一示例性实施例中，所述磁记录单元6可以包括：依次设置在所述磁子传输层3远离所述衬底1一侧的自由层61、势垒层62、固定层63。

在一示例性实施例中，固定层63的磁矩方向与自由层61的磁矩方向反平行排列时，处于高阻态，对应于二进制中的“1”；固定层63的磁矩方向与自由层61的磁矩方向平行排列时，处于低阻态，对应于二进制中的“0”。但本公开实施例不限于此，可以是低阻态对应二进制中的“1”，高阻态对应二进制中的“0”，等等。固定层63的磁矩方向固定，自由层61的磁矩方向可被磁子传输层3的磁子流改变，从而可以改变磁记录单元6的状态。

在一示例性实施例中，所述自由层61、固定层63垂直磁各向异性。本实施例提供的方案，相比面内磁各向异性的方案，可以减小尺寸，便于集成。

图5中仅示出了两个磁记录单元6，但本公开实施例不限于此，存储结构可以包括更多或者更少磁记录单元6，可以在同一SOT轨道上组合多个MTJ来获得架构密度。

下面通过一示例说明存储结构的工作过程。

如图6所示，本实施例中，存储结构可以包括两个磁记录单元，设置在第一磁记录单元上的电极上加载的电压为第一电压V_G1，设置在第二磁记录单元上的电极上加载的电压为第二电压V_G2，自旋源层2的一端可以连接到电流源，另一端可以接地。

以第一磁记录单元为例，当V_G1小于预设电压阈值V₀时，磁子传输层3中与第一磁记录单元对应的第一通道为开通状态(√)；而当V_G1大于或等于预设电压阈值V₀时，磁子传输层3中与第一磁记录单元对应的第一通道为关闭状态(×)。其中，磁子传输层3中与第一磁记录单元对应的第一通道为开通状态时，在自旋源层2加载写入电流后，磁子传输层3的磁子流可以改变第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向；磁子传输层3中与第一磁记录单元对应的第一通道为关闭状态时，在自旋源层2加载写入电流后，磁子传输层3的磁子流不改变第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向。第二磁记录单元类似，不再赘述。通过有选择性地控制第一电压V_G1和第二电压V_G2，再通入写入电流可以任意改写存储结构的存储状态为“11”、“00”、“01”或“10”。

不同磁记录单元的预设电压阈值V₀可以相同或不同。下述实施例中，以不同磁记录单元的预设电压阈值V₀相同为例进行说明，但本公开实施例不限于此，不同磁记录单元的预设电压阈值V₀可以不同。

以存储结构的初始存储状态为“11”为例进行说明。初始存储状态为“11”仅为示例，可以为其他状态。通过改变第一电压V_G1和第二电压V_G2，存储结构的存储状态可以从“11”变为“00”(参考图6中a至b1至b2)，或者，从“11”变为“01”(参考图6中a至c1至c2)，或者，从“11”变为“10”(参考图6中a至d1至d2)。

如图6中a所示，初始状态为“11”，即第一磁记录单元的状态为“1”，第二磁记录单元的状态为“1”；第一磁记录单元的自由层61和固定层63的磁矩方向反平行排列；第二磁记录单元的自由层61和固定层63的磁矩方向反平行排列。

如图6中b1所示，控制使得第一电压V_G1<V₀，磁子传输层3中与第一磁记录单元对应的第一通道为开通状态，以及，使得第二电压V_G2<V₀，磁子传输层3中与第二磁记录单元对应的第二通道为开通状态；

如图6中b2所示，在自旋源层2加载写入电流后，由于第一通道为开通状态，磁子传输层3的磁子流改变第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向，使得第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向翻转，第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向和固定层63的磁矩方向平行排列，第一磁记录单元的状态为“0”；在自旋源层2加载写入电流后，由于第二通道为开通状态，磁子传输层3的磁子流改变第二磁记录单元的自由层61的磁矩方向，使得第二磁记录单元的自由层61的磁矩方向翻转，第二磁记录单元的自由层61的磁矩方向和固定层63的磁矩方向平行排列，第二磁记录单元的状态为“0”；即，该存储结构的状态变为“00”。

如图6中c1所示，控制使得第一电压V_G1<V₀，磁子传输层3中与第一磁记录单元对应的第一通道为开通状态，以及，使得第二电压V_G2>V₀，磁子传输层3中与第二磁记录单元对应的第二通道为关闭状态；

如图6中c2所示，在自旋源层2加载写入电流后，由于第一通道为开通状态，磁子传输层3的磁子流改变第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向，使得第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向翻转，第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向和固定层63的磁矩方向平行排列，第一磁记录单元的状态为“0”；在自旋源层2加载写入电流后，由于第二通道为关闭状态，磁子传输层3的磁子流不改变第二磁记录单元的自由层61的磁矩方向，第二磁记录单元的自由层61的磁矩方向和固定层63的磁矩方向保持反平行排列，第二磁记录单元的状态为“1”；即，该存储结构的状态变为“01”。

如图6中d1所示，控制使得第一电压V_G1>V₀，磁子传输层3中与第一磁记录单元对应的第一通道为关闭状态，以及，使得第二电压V_G2<V₀，磁子传输层3中与第二磁记录单元对应的第二通道为开通状态；

如图6中d2所示，在自旋源层2加载写入电流后，由于第一通道为关闭状态，磁子传输层3的磁子流不改变第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向，第一磁记录单元的自由层61的磁矩方向和固定层63的磁矩方向保持反平行排列，第一磁记录单元的状态仍为“1”；在自旋源层2加载写入电流后，由于第二通道为开通状态，磁子传输层3的磁子流改变第二磁记录单元的自由层61的磁矩方向，使得第二磁记录单元的自由层61的磁矩方向翻转，第二磁记录单元的自由层61的磁矩方向和固定层63的磁矩方向平行排列，第二磁记录单元的状态为“0”；即，该存储结构的状态变为“10”。

本公开实施例还提供了一种电子设备，包括前述实施例的存储结构。所述电子设备可以为：存储装置、智能电话、计算机、平板电脑、人工智能设备、可穿戴设备或移动电源等。存储装置可以包括计算机中的内存等，此处不作限定。

在一示例性实施例中，所述存储结构可以通过外接位线以及字线进行控制。

在一示例性实施例中，如图7所示，所述电子设备还可以包括：与所述磁记录单元对应的第一开关单元71，第二开关单元72，所述第一开关单元71分别与第一位线端BL1、第二位线端BL2和对应的磁记录单元的所述电极5连接；所述第二开关单元72与第三位线端BL3、第一字线端WL和所述自旋源层2的一端连接；其中，

所述第一开关单元71被配置为，在所述第一位线端BL1的控制下，向所述电极5提供所述第二位线端BL2的信号；

所述第二开关单元72被配置为，在所述第一字线端WL的控制下，向所述自旋源层2提供所述第三位线端BL3的信号。

在一示例性实施例中，所述第一开关单元71可以包括第一晶体管。所述第一晶体管可以包括控制极、第一极和第二极。所述第一晶体管的控制极连接所述第一位线端BL1，第一极连接第二位线端BL2，第二极连接对应的磁记录单元的电极5。

在一示例性实施例中，所述第二开关单元72可以包括第二晶体管。所述第二晶体管可以包括控制极、第一极和第二极。所述第二晶体管的控制极连接所述第一字线端WL，第一极连接所述自旋源层2的一端，第二极连接第三位线端BL3。

在一示例性实施例中，所述自旋源层2的另一端可以连接选线SL，通过控制第三位线端BL3和选线SL的电压，可以控制加载到自旋源层2的电流方向。但本公开实施例不限于此，所述自旋源层2的另一端可以连接至第二电压端VSS，所述第二电压端VSS比如为接地端。

在一示例性实施例中，所述第一开关单元71可以与所述磁记录单元一一对应。

在一示例性实施例中，不同的第一开关单元71可以连接到不同的第一位线端BL1和不同的第二位线端BL2，实现对不同的磁记录单元的独立控制。

在一示例性实施例中，同一行或者同一列的第一开关单元71可以连接到相同的第一位线端BL1，可以实现同时开启一行或一列磁记录单元。

通过第一位线端BL1控制第一晶体管的导通和关断，从而控制对应的磁记录单元的磁子传输层的通道的状态，从而控制磁子流的通断，当通入写入电流脉冲的时候，磁记录单元中的自由层61的磁化状态能有选择地被磁子自旋力矩进行翻转。本实施例提供的存储电子设备具有高的开关比和高选择性的优势。另外，本实施例提供的方案，可以实现并行写入，可实现更低的写入电流和更小尺寸的存取晶体管，进而有效降低MTJ的最大写入电压。与STT-MTJ相比，本实施例提供的方案写入能耗更低；相比于SOT-MRAM，本实施例提供的方案位单元面积减小。

本公开实施例还提供一种存储结构的控制方法。如图8所示，本实施例提供的存储结构的控制方法包括：

步骤801，在所述电极上施加导通电压以导通所述电极对应的磁记录单元的磁子传输层的通道；在所述自旋源层加载电流实现所述电极对应的磁记录单元的状态翻转；

步骤802，在所述电极上施加关断电压电压以关闭所述电极对应的磁记录单元的磁子传输层的通道；在所述自旋源层加载电流时维持所述磁记录单元的状态不变。

所述导通电压比如为小于预设电压阈值V₀的电压，所述关断电压比如为大于或等于预设电压阈值V₀的电压。

本实施例提供的方案，可以实现电场调控磁子传输通道，进而调控磁子自旋力矩，实现同一通道上不同MTJ(或GMR)磁化状态的独立调控，即实现了独立的读写操作，这样的存在并行写入，可实现更低的写入电流和更小尺寸的存取晶体管，进而有效降低MTJ的最大写入电压。与STT-MTJ相比，的写入能耗更低；相比于SOT-MRAM，其位单元面积减小。与电压控制的磁各向异性(VCMA)的磁随机存储(MRAM)相比，MRAM无磁子传输层时，直接在磁记录单元上加载电压改变翻转状态，本实施例提供的方案实现更为简便，选择性高，开关比大。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种磁子自旋力矩器件，其特征在于，包括：

衬底，设置在所述衬底上的自旋源层，设置在所述自旋源层远离所述衬底一侧的磁子传输层，设置在所述磁子传输层远离所述衬底一侧的磁性结构层，其中，所述磁子传输层包括多铁反铁磁材料。

2.根据权利要求1所述的磁子自旋力矩器件，其特征在于，所述多铁反铁磁材料包括以下至少之一：铁酸铋、铁酸铋镧、锰酸铽、锰酸钙、锰酸镥、锰酸锶钡。

3.根据权利要求1所述的磁子自旋力矩器件，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，所述磁子传输层的厚度为2至1000纳米。

4.根据权利要求1所述的磁子自旋力矩器件，其特征在于，所述自旋源层的材料包括以下至少之一：铂、钽、钨、锡、铂锰合金、二碲化钨、铋锑合金、铱锰合金、二氧化铱、钌酸锶、铱酸锶。

5.根据权利要求1所述的磁子自旋力矩器件，其特征在于，所述磁性结构层包括一层或多层垂直磁各向异性薄膜。

6.根据权利要求1所述的磁子自旋力矩器件，其特征在于，所述磁性结构层的材料包括以下至少之一：钴、钴铁硼、碲化铁、镧锶锰氧化物、铂钴单层和铂钴多层。

7.根据权利要求1至6任一所述的磁子自旋力矩器件，其特征在于，所述磁子自旋力矩器件还包括：设置在所述磁性结构层远离所述衬底一侧的电极，在平行于所述衬底的平面上，所述电极的正投影与所述磁子传输层的正投影存在交叠。

8.一种存储结构，其特征在于，包括：衬底，设置在所述衬底上的自旋源层，设置在所述自旋源层远离所述衬底一侧的磁子传输层，设置在所述磁子传输层远离所述衬底一侧的至少一个磁记录单元，设置在所述磁记录单元远离所述衬底一侧的电极，在平行于所述衬底的平面上，所述电极的正投影与所述磁子传输层的正投影存在交叠，其中，所述磁子传输层包括多铁反铁磁材料。

9.根据权利要求8所述的存储结构，其特征在于，所述电极与所述磁记录单元一一对应。

10.根据权利要求8所述的存储结构，其特征在于，所述多铁反铁磁材料包括以下至少之一：铁酸铋、铁酸铋镧、锰酸铽、锰酸钙、锰酸镥、锰酸锶钡。

11.根据权利要求8所述的存储结构，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，所述磁子传输层的厚度为2至1000纳米。

12.根据权利要求8所述的存储结构，其特征在于，所述自旋源层的材料包括以下至少之一：铂、钽、钨、锡、铂锰合金、二碲化钨、铋锑合金、铱锰合金、二氧化铱、钌酸锶、铱酸锶。

13.根据权利要求8至12任一所述的存储结构，其特征在于，所述磁记录单元包括：依次设置在所述磁子传输层远离所述衬底一侧的自由层、势垒层、固定层，且所述自由层、固定层垂直磁各向异性。

14.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求8至13任一所述的存储结构。

15.根据权利要求14所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括：与所述磁记录单元对应的第一开关单元，第二开关单元，所述第一开关单元分别与第一位线端、第二位线端和对应的磁记录单元的所述电极连接；所述第二开关单元与第三位线端、第一字线端和所述自旋源层的一端连接；其中，

所述第一开关单元被配置为，在所述第一位线端的控制下，向所述电极提供所述第二位线端的信号；

所述第二开关单元被配置为，在所述第一字线端的控制下，向所述自旋源层提供所述第三位线端的信号。

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