CN115917649A - 来自轨道霍尔效应的自旋电流和磁阻 - Google Patents
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Abstract
基于独立于重金属中的自旋霍尔效应(SHE)的自旋电流相互作用来感测和操纵磁场的器件。自旋电流是通过由轨道霍尔效应(OHE)引起的面外轨道电流的转换在普通金属中生成的。从轨道电流到自旋电流的转换发生在薄重金属层(几个原子层厚)中，因此通过用普通金属替换重金属，大大减少了对重金属的需求。器件应用包括用于检测和测量磁场的磁阻传感器，以及磁隧道结数据存储单元。
Description
发明领域
本发明涉及自旋传输电子学领域，并且特别地涉及与轨道霍尔效应相关联的轨道电流到自旋电流的转换。
发明背景
自旋传输电子学(也称为自旋电子学(spin electronics)或自旋电子学(spintronics))领域具有许多实际应用，其非限制性示例包括用于读取磁编码数据存储介质的磁阻器件；以及用于计算机的磁阻随机存取存储器。
自旋霍尔效应(SHE)已被用于在各种自旋电子学应用中电操纵电子自旋。自旋电流涉及本征电子自旋的对准，并具有指定的取向。表现出强烈SHE行为的值得注意的材料是重金属。
目前，自旋霍尔效应器件依靠重金属来提供自旋电流。然而，在一些情况下，期望通过利用普通金属在器件中提供自旋电流来减少对重金属的依赖，同时减少所需重金属的程度。本发明的实施例实现了这个目标。
发明概述
本发明的实施例提供了用于基于独立于重金属中自旋霍尔效应(SHE)的自旋电流相互作用来感测和操纵磁场的器件。根据本发明的各种实施例，通过转换由普通金属中的轨道霍尔效应(OHE)产生的面外(out-of-plane)轨道电流来生成自旋电流。OHE不依赖于自旋-轨道耦合，且轨道电流是在普通金属中产生的。
在本文中术语“重金属”表示具有5d电子壳层的金属元素，特别包括但不限于：铂(Pt)；钨(W)；和钽(Ta)。相反，在本文中术语“普通金属”表示缺少5d电子壳层并且具有至多3d或3d/4d电子壳层，或者完全缺少d支壳层的金属元素。普通金属特别包括但不限于：铜(Cu)；和铝(Al)。重金属表现出强烈的自旋-轨道耦合(SOC)，而普通金属表现出弱的自旋-轨道耦合。
轨道电流涉及原子电子轨道运动的对准，而与电子的本征自旋不同。轨道电流具有指定的取向。本发明的实施例经由覆盖普通金属平面部件的重金属薄层(通常只有几个原子层厚(在纳米范围内))提供从轨道电流到自旋电流的转换，从而通过用普通金属替换大部分重金属而显著减少重金属需求。在本文中术语“覆盖”表示薄层邻接金属平面部件的表面并与其电接触。如本文所公开的，根据本发明的器件的非限制性应用包括用于检测和测量磁场的磁阻传感器，以及磁隧道结数据存储。
在本文中“电荷电流”是指如在普通电路中遇到的导体中的电荷流动。
因此，本发明的实施例通过利用普通金属提供轨道电流，然后使用最小程度的重金属将轨道电流转换为自旋电流，从而显著减少了对重金属的需求。
因此，在本发明的实施例中，提供了一种用于生成自旋电流的器件，该器件包括：(a)平面部件，其用于经由在平面部件内流动的面内电荷电流的轨道霍尔效应(OHE)生成面外轨道电流，(b)其中平面部件基本上由缺少5d电子壳层的普通金属构成；(c)与平面部件的表面电接触的重金属层，其用于将面外轨道电流转换为面外自旋电流，(d)其中重金属具有5d电子壳层。
附图简述
当结合附图阅读时，通过参考下面的详细描述可以最好地理解所公开的主题，在附图中：
图1概念性地示出了利用重金属平面部件从面内电荷电流提供面外自旋电流的现有技术器件配置。
图2概念性地示出了根据本发明实施例的器件部件配置，其中重金属的程度显著减少，并且其中用于提供面外自旋电流的金属平面部件基本上由面内电荷电流流经的普通金属构成。
图3概念性地示出了利用重金属平面部件从面内电荷电流提供面外自旋电流的现有技术器件配置。
图4概念性地示出了由重金属平面部件提供的面外自旋电流切换的现有技术磁隧穿结器件。
图5概念性地示出了根据本发明实施例的用于检测和测量由外部磁场引起的永久磁场的旋转的磁场传感器器件。
图6A概念性地示出了通过根据本发明实施例的器件在永磁体中建立具有第一取向的磁场。
图6B概念性地示出了根据该实施例的在图6A的器件的永磁体中建立具有第二取向的磁场。
图7概念性地示出了根据本发明实施例的由面外轨道到自旋电流转换切换的磁隧穿结器件。
为了说明的简单和清晰，图中所示的项目不一定是按比例绘制的，并且一些项目的尺寸相对于其他项目可能被夸大。此外，附图中可以重复附图标记以指示相应或类似的项目。
本发明的详细描述
图1概念性地示出了利用重金属平面部件101的现有技术器件配置100，其用于从流过重金属平面部件101的面内电荷电流102生成面外自旋电流103。如前所述，通常使用铂、钨和钽作为平面部件101的重金属。
在本文中术语“平面部件”表示具有至少一个面的三维部件，该至少一个面基本上呈平面形式，并且具有足以邻接另一部件的相应面的表面积。平面部件具有位于部件内部且取向平行于面的表面的“面内”轴，以及至少部分位于部件外部且取向垂直于面的表面的“面外”轴。在本文中，平面部件内的电荷电流流动方向参考平面部件的面内轴；在本文中，自旋电流取向和轨道电流取向参考平面部件的面外轴。
图2概念性地示出了根据本发明实施例的器件部件配置200，其中重金属的程度基本上减少到薄层201。金属平面部件251由普通金属制成并构成器件200的主体的大部分，使得层201与平面部件251的顶面电接触。根据本发明，流过普通金属251的面内电荷电流202经由轨道霍尔效应(OHE)生成面外轨道电流205，而薄层201经由自旋-轨道耦合将面外轨道流205转换成面外自旋电流203。在相关实施例中，重金属层201只有几个原子厚——1纳米的总厚度通常就足够了。(如前所述，附图不旨在按比例绘制，并且为了清楚起见，薄层201在附图中的尺寸被夸大了。)因此，通过利用普通金属来传导电荷电流202，本发明的实施例提供了生成面外自旋电流所需的重金属量的显著减少。在其他实施例中，铜和铝用于普通金属251。
图3概念性地示出了利用如图1所示的重金属平面部件101从面内电荷电流202提供面外自旋电流203的现有技术器件配置300。在该实施例中，平面外自旋电流203控制位于重金属平面部件101上方的永磁体301的磁场取向302。
图4概念性地示出了现有技术的三端子磁隧穿结器件400。磁隧穿结410(MTJ)在薄绝缘层412上方结合了铁磁参考层411，薄绝缘层412下方是铁磁自由层213。绝缘层412通常只有几纳米厚，使得电子可以隧穿绝缘层412并在参考层411和自由层413之间通过。参考层411在方向431上保持磁化，但是自由层413的磁化可以在方向432(其平行于方向431)和方向433(其反向平行于方向431)之间切换。当自由层413在平行于方向431的方向432上磁化时，电子以高统计概率隧穿越过绝缘层412，从而在参考层411和自由层413之间建立低电阻导电路径。然而，当自由层413在反向平行于方向431的方向433上磁化时，电子以低统计概率隧穿越过绝缘层412，从而在参考层411和自由层413之间建立高电阻。因此，切换自由层413的磁化方向有效地在导电状态和基本不导电状态之间切换MTJ 410。在器件400中，切换自由层413的磁化方向是通过切换由重金属平面部件401提供的面外自旋电流422来实现的，该面外自旋电流422作为通过重金属平面部件401注入的面内电荷电流420响应于自旋霍尔效应的结果。电荷电流流420的方向控制面外自旋电流422的方向，并因此控制MTJ 410的导电性状态。第一电端子T1 402连接到参考层411；第二电端子T2 403连接到重金属平面部件401的一侧；而第三电端子T3 404连接到重金属平面部件401的另一侧。因此，面内电荷电流420的大小和方向由端子T2 403和端子T3 404之间流动的电流给出。MTJ 410的导电性状态可以通过感测端子T1 402和端子T2 403或端子T3 404之间的电阻从外部检测。器件400的非限制性应用是用于数据存储，其中单个数据比特可以由MTJ 410的导电性状态表示。根据要写入的期望比特值，通过在端子T2 403和端子T3 404之间沿左或右方向传递电流脉冲来写入比特；并且通过感测端子T1 402与端子T2 403或端T3 404之间的电阻来读取该比特。
图5概念性地示出了根据本发明实施例的用于检测和测量由外部磁场510引起的铁磁材料501中的永久磁场502的旋转的双端子器件500。在非限制性示例中，外部磁场510对应于磁数据存储介质的状态，并且在图5中示出并在本文描述的器件从磁数据存储介质读取数据。
本实施例提供如下描述的磁场传感器：如图2所示并在上文公开的，普通金属的平面部件251被用重金属薄层201(只有几个原子层厚)覆盖。在图5中，示出了连接到平面部件251的一侧的第一电端子T1 503和连接到平面部件251的另一侧的第二电端子T2 504，当面内电荷电流505穿过平面部件251的普通金属并建立面外轨道电流506时，这些电端子允许感测平面部件251的电阻。由于层201的高自旋-轨道耦合，轨道电流506与面外自旋电流507耦合。自旋电流507受到旋转磁场502的影响，这转而影响耦合的轨道电流506，并且这转而影响面内电荷电流505。对面内电荷电流505的影响通过测量端子T1 503和T2 504两端的电阻(以欧姆(Ω)为单位)来检测和测量(例如使用电阻测量装置520)。由于磁场502的旋转是外部磁场510的强度和取向的函数，因此也可以根据端子T1 503和T2504之间的电阻(例如，使用装置520)来测量外部磁场510强度和取向，并且因此图5的器件提供了磁场传感器。
图6A概念性地示出了通过根据本发明实施例的器件600在永磁体601中建立具有向上取向的磁场602。当面内电荷电流605在从左到右的方向上流过普通金属平面部件251时，建立了面外轨道电流606(其取向为在向上方向上通过重金属层201)。重金属层201将轨道电流606转换成面外自旋电流607，该面外自旋电流607也沿向上方向取向。面外自旋电流607转而产生同样沿向上方向取向的磁场602。
图6B概念性地示出了通过根据该相同实施例的器件600在永磁体601中建立具有向下取向的磁场612。当面内电荷电流615在从右到左的方向上流过普通金属平面部件251时，建立了面外轨道电流616(其取向为沿向下方向通过重金属层201)。重金属层201将轨道电流616转换成面外自旋电流617，该自旋电流617也沿向下方向取向。面外自旋电流617转而产生同样沿向下方向取向的磁场612。
图7概念性地示出了根据本发明实施例的通过面外轨道到自旋电流转换切换的磁隧穿结器件700。MJT 710在薄绝缘层712上方结合了铁磁参考层711，薄绝缘层712下方是铁磁自由层713。绝缘层712通常只有几纳米厚，使得电子可以在参考层711和自由层713之间隧穿越过绝缘层712。参考层711在方向731上保持磁化，但是自由层713的磁化可以在方向732(其平行于方向731)和方向733(其反向平行于方向731)之间切换。当自由层713在平行于方向731的方向732上磁化时，电子以高统计概率隧穿越过绝缘层712，从而在参考层711和自由层713之间建立低电阻导电路径。然而，当自由层713在反向平行于方向731的方向733上磁化时，电子以低统计概率隧穿越过绝缘层712，从而在参考层711和自由层713之间建立高电阻。因此，切换自由层713的磁化方向有效地在导电状态和基本不导电状态之间切换MTJ 710。
如图7所示并在本文根据本发明的该实施例描述的器件700与图4的类似器件400显著不同，因为图7的切换机构包括由薄重金属层701覆盖的普通金属平面部件751，并且因为注入的电荷电流720基本上流过普通金属而不是重金属，从而基本上用普通金属替换重金属。然而器件400依赖于重金属平面部件401中的自旋霍尔效应来生成自旋电流422，器件700不依赖于自旋霍尔效应，而是利用普通金属平面部件751中的轨道霍尔效应，然后经由薄重金属层701将所得的面外轨道电流705转换成面外自旋电流722。
器件700的非限制性应用是用于数据存储，其中单个数据比特可以由MTJ 710的导电性状态表示。
第一电端子T1 702连接到参考层711；第二电端子T2 703连接到普通金属平面部件751的一侧；而第三电端子T3 704连接到普通金属平面部件751的另一侧。因此，面内电荷流720的大小和方向由在端子T2 703和端子T3 704之间流动的电流(例如来自双向电源731)控制，双向电源731改变电流的方向以选择性地写入0或1的数据比特值。MTJ 710的导电性状态可以通过感测端子T1 702与端子T2 703或端子T3 704之间的导电性(例如通过检测数据比特值的导电性检测器741)从外部检测。根据要写入的期望比特值，通过在端子T2 703和端子T3 704之间沿左或右方向传递电流脉冲来写入单个比特；并且通过确定MTJ 710的导电性状态(例如通过感测端子T1 702与端子T2 703或端子T3 704之间的电阻)来读取单个比特。
注意，将比特值分配给导电性状态是任意的，并且比特值1可以逻辑地分配给MTJ导电状态或MTJ非导电状态。图7中所示的比特值仅用于说明目的，并且不是限制性的。
Claims (5)
1.一种用于生成自旋电流的器件，所述器件包括：
平面部件，其用于经由在所述平面部件内流动的面内电荷电流的轨道霍尔效应(OHE)生成面外轨道电流，
其中，所述平面部件基本上由缺少5d电子壳层的普通金属构成；与所述平面部件的面电接触的重金属层，其用于将所述面外轨道电流转换为面外自旋电流，
其中，所述重金属具有5d电子壳层。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述普通金属选自由以下项组成的组：铜；和铝。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述重金属选自由以下项组成的组：铂；钨；和钽。
4.根据权利要求1所述的器件，还包括：
所述重金属层上方的铁磁部件；
两个电端子，所述两个电端子连接到所述平面部件的不同侧面；
电阻测量装置，所述电阻测量装置连接在所述两个电端子之间；
使得所述器件能够操作来检测和测量使所述铁磁部件中的磁场旋转的外部磁场。
5.根据权利要求1所述的器件，还包括：
所述重金属层上方的磁隧道结，其中，所述磁隧道结包括：
参考层，以及
自由层，并且其中
所述自由层与所述重金属层电连接；
使得所述磁隧道结能够操作来存储单个数据比特；
第一电端子，所述第一电端子连接到所述磁隧道结的所述参考层；
第二电端子，所述第二电端子连接到所述平面部件的一侧；
第三电端子，所述第三电端子连接到所述平面部件的一侧；
双向电源，所述双向电源连接在所述第二电端子和所述第三电端子之间，能够操作来将面内电荷电流注入所述平面部件以写入数据的比特；以及
导电性检测器，所述导电性检测器连接在所述第一电端子与所述第二电端子和所述第三电端子之一之间，能够操作来确定所述磁隧道结的导电性状态。
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