CN116096213A - 自旋波器件及存储器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种自旋波器件及存储器，该自旋波器件包括：强自旋轨道耦合材料层，第一磁性层，以及设置于所述强自旋轨道耦合材料层和所述第一磁性层之间的自旋波通道层；设置于所述强自旋轨道耦合材料层和所述自旋波通道层之间的至少一个插层；其中，所述强自旋轨道耦合材料层受电流驱动产生自旋流，所述第一磁性层受所述电流驱动发生磁矩进动或翻转。通过在器件中设置插层，提高磁矩进动或者翻转的效率，降低器件功耗，提高器件的热稳定性。

Description

自旋波器件及存储器

技术领域

本申请涉及微电子器件的领域，更具体地，涉及一种自旋波器件及存储器。

背景技术

传统电子器件的工作基于半导体中电子电荷的移动，电荷高频移动会产生焦耳热导致较高的功耗，同时限制器件运行速度的提升。自旋波是磁性材料中电子自旋在原位进动形成的集体激发态，基于自旋波的有无、振幅、相位、频率记录信息，可构造低功耗、高性能的电子器件。自旋波器件主要包括平面构型和垂直构型，前者通常为纳米线结构，自旋波平行于薄膜平面传输；后者通常为垂直异质结结构，自旋波垂直于薄膜平面传输。现有技术中，一些垂直异质结自旋波器件需要外磁场调控自旋波的传输，不利于器件小型化和集成化；或者，一些器件虽然不需要外磁场调控，但自旋波传输、驱动磁矩进动或者翻转效率不高，导致功耗较高。

因此，一种能够兼顾器件小型化、集成化的需求，又能够保证低功耗和热稳定性的垂直异质结自旋波器件亟待开发。

发明内容

本申请实施例提供一种自旋波器件及存储器，通过在器件中设置插层，可以提高自旋波的激发、传输、驱动磁矩进动或者翻转的效率，降低器件功耗，提高器件的热稳定性。

第一方面，提供了一种自旋波器件，该自旋波器件包括：强自旋轨道耦合材料层，第一磁性层，以及设置于该强自旋轨道耦合材料层和该第一磁性层之间的自旋波通道层；设置于该强自旋轨道耦合材料层和该自旋波通道层之间的至少一个插层；其中，该强自旋轨道耦合材料层受电流驱动产生自旋流，该第一磁性层受该电流驱动发生磁矩进动或翻转。

具体地，当该至少一个插层设置于该强自旋轨道耦合材料层和该自旋波通道层之间时，该至少一个插层能够增强强自旋轨道耦合材料层的自旋霍尔角，提高相同电流下产生的自旋流大小，从而提高自旋波的激发效率，还可以降低自旋流所受到的界面散射，从而提高自旋流穿透率。

在一些可能的实现方式中，该强自旋波轨道耦合材料层受电流驱动产生自旋流，该自旋流驱动该自旋波通道层产生并传输自旋波，进而自旋波驱动该第一磁性层发生磁矩进动或翻转。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过强自旋轨道耦合层-自旋波通道层-磁性层的结构实现器件的全电学驱动，通过在器件中设置插层，能够提高器件的磁性层中磁矩的翻转或进动效率，降低器件功耗，提高磁性层的热稳定性。进而在保证器件低功耗和热稳定性的同时，兼顾器件小型化、集成化的需求。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该自旋波器件还包括设置于该自旋波通道层和该第一磁性层之间的该至少一个插层。

具体地，当该至少一个插层设置于该自旋波通道层和该第一磁性层之间时，该至少一个插层可以调控磁性层的磁各向异性，增强磁性层的热稳定性，还可以降低自旋波所受到的界面散射，从而提高自旋波穿透率。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，当该至少一个插层包括设置于该强自旋轨道耦合材料层和该自旋波通道层之间，且紧邻该自旋波通道层的第一插层以及设置于该自旋波通道层和该第一磁性层之间，且紧邻该自旋波通道层的第二插层时，通过第一插层和该第二插层对该自旋波通道层施加第一电压。

具体地，该第一电压用于调控该自旋波通道层的磁各向异性，进而调控自旋波传输效率。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过在器件中自旋波通道层两端施加电压，调控自旋波通道层的磁各向异性，从而提高自旋波的传输效率，进而能够提高器件的磁性层中磁矩的翻转或进动效率，降低器件功耗。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该第一电压的范围为0.1-12V。

在一些可能的实现方式中，该第一电压具体可以为0.5V，或0.8V，或1V，或2V。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该自旋波器件还包括设置于该强自旋轨道耦合材料层和该自旋波通道层之间的第二磁性层，该第二磁性层受自旋流驱动发生磁矩进动或翻转。

具体地，第二磁性层中磁矩发生翻转，可以调控第一磁性层和第二磁性层的相对取向来实现自旋波的开关；或者，第二磁性层中磁矩发生进动，进而激发自旋波，产生的自旋波在自旋波通道层中传输，自旋波到达第一磁性层后，将驱动第一磁性层中磁矩进动或者翻转。

在一些可能的实现方式中，该第二磁性层和该自旋波通道层之间设置有至少一个插层，和/或该强自旋轨道耦合材料层和该第二磁性层之间设置有至少一个插层。

本申请实施例提供的自旋波器件中，该第二磁性层可以受自旋流驱动发生磁矩翻转或进动，进而调节自旋波通道层的磁各向异性，从而提高自旋波的传输效率。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该自旋波通道层还包括第一反铁磁层、第二反铁磁层和第一铁磁层，该第一铁磁层设置于该第一反铁磁层和该第二反铁磁绝缘层之间，该第一反铁磁层、该第一铁磁层和该第二反铁磁层构成的异质结构调节该自旋波通道层的磁有序温度。

需要说明的是，该第一反铁磁层所用材料可以为反铁磁绝缘体，具体可以为NiO、CoO、Cr₂O₃、α-Fe₂O₃、BiFeO₃等，本申请实施例对此不作限定。该第一铁磁层所用材料可以为磁性绝缘体、磁性金属、磁性合金等单层或多层复合膜，其中磁性绝缘体包括但不限于YIG，磁性金属及合金可以为铁Fe、钴Co、镍Ni、CoFeB、NiFe、CoFe、CoPt、CoNi等及由其构成的多层膜，本申请实施例对此不作限定。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该自旋波通道层还包括第一反铁磁层、第一铁磁层和第二铁磁层，该第一反铁磁层设置于该第一铁磁层和该第二铁磁层之间，该第一铁磁层、该第一反铁磁层和该第二铁磁层构成的异质结构调节该自旋波通道层的磁有序温度。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该强自旋轨道耦合材料层被通入的该电流的电流密度范围为10⁵A/cm²–10⁸A/cm²。

在一些可能的实现方式中，通入该强自旋轨道耦合层的电流具体可以为10⁶A/cm²或10⁷A/cm²。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该自旋波通道层中各层厚度为0.5–100nm。

在一些可能的实现方式中，该自旋波通道层中每层的厚度具体可以为2nm，或5nm，或10nm，或25nm，或30nm，或50nm。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该至少一个插层的厚度为0.5–100nm。

在一些可能的实现方式，该至少一个插层的厚度具体可以为1nm，或2nm，或5nm，或6nm。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该第一磁性层厚度为1–10nm。

在一些可能的实现方式中，该第一磁性层的厚度具体可以为3nm或6nm。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该强自旋轨道耦合材料层厚度为0.5–100nm。

在一些可能的实现方式中，该强自旋轨道耦合材料层的厚度具体可以为3nm，或5nm，或8nm，或10nm。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该自旋波通道层的材料为反铁磁绝缘体、磁性绝缘体、磁性金属及磁性合金中的至少一种。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该至少一个插层的材料为非磁性金属。

在一些可能的实现方式中，上述非磁性金属可以为钛Ti、银Ag、铪Hf、钼Mo等，本申请实施例对此不作限定。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该第一磁性层的材料为铁磁体、亚铁磁体和磁性绝缘体中的至少一种。

在一些可能的实现方式中，该铁磁体可以为铁Fe、钴Co、镍Ni、钴铁硼CoFeB、NiFe、CoFe、CoPt、CoNi等合金，及由其构成的多层膜；该亚铁磁体可以为CoTb、CoGd合金及[Co/Tb]_n、[Co/Gd]_n多层膜等，该磁性绝缘体可以为钇铁石榴石铁氧体YIG等，本申请实施例对此不作限定。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该强自旋轨道耦合材料层的材料为重金属、拓扑绝缘体和外尔(Weyl)半金属中的至少一种。

在一些可能的实现方式中，该重金属可以铂Pt、钨W、钽Ta及其合金；拓扑绝缘体和Weyl半金属可以为硒化铋Bi_1-xSe_x、碲化铋Bi_1-xTe_x、碲化钨W_1-xTe_x、碲化钼Mo_1-xTe_x等，本申请实施例对此不作限定。

第二方面，提供了一种自旋波器件，该自旋波器件包括：强自旋轨道耦合材料层，第一磁性层，以及设置于该强自旋轨道耦合材料层和该第一磁性层之间的复合自旋波通道层；其中，该强自旋轨道耦合材料层受电流驱动产生自旋流，该第一磁性层受该电流驱动发生磁矩进动或翻转；该复合自旋波通道层包括第一铁磁层、第一反铁磁层和第二铁磁层构成的异质结构；或，该复合自旋波通道层包括该第一反铁磁层、该第一铁磁层和第二反铁磁层构成的异质结构；该异质结构调节该复合自旋波通道层的磁有序温度。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过强自旋轨道耦合层-复合自旋波通道层-磁性层的结构实现器件的全电学驱动，并且能够降低器件功耗，提高器件的热稳定性，进而提高磁性层磁矩翻转或进动的效率。进而在保证器件低功耗和热稳定性的同时，兼顾器件小型化、集成化的需求。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，该自旋波器件还包括设置于该复合自旋波通道层和该第一磁性层之间的至少一个插层，该至少一个插层的材料为非磁性金属。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过在复合自旋波通道层和第一磁性层之间设置至少一个插层，可以调控磁性层的磁各向异性，增强磁性层的热稳定性，还可以降低自旋波所受到的界面散射，从而提高自旋波穿透率。

第三方面，提供了一种存储器，该存储器包括：存储阵列，用于存储数据，该存储阵列中包括多个相连的自旋波器件，该自旋波器件为如权利要求1至16中任一项该的自旋波器件；控制器，用于向该存储阵列中写入数据，和/或，用于从该存储阵列中读取数据。

本申请实施例提供的存储器，通过使用设置插层的自旋波器件，能够降低存储器工作时所需功耗，保证其工作时的热稳定性。

附图说明

图1是本申请实施例提供的自旋波器件可适用的存储设备；

图2是一例存储阵列的示意性结构图；

图3和图4是垂直异质结自旋波器件的示例性结构图；

图5是本申请实施例提供的一种自旋波器件的示例性结构图；

图6是本申请实施例提供的又一种自旋波器件的示例性结构图；

图7是本申请实施例提供的又一种自旋波器件的示例性结构图；

图8是本申请实施例提供的再一种自旋波器件的示例性结构图；

图9是本申请实施例提供的再一种自旋波器件的示例性结构图。

图10是本申请实施例提供的再一种自旋波器件的示例性结构图。

具体实施方式

为了便于理解本申请实施例，首先对本申请实施例涉及的相关概念进行简要介绍：

自旋波：是磁性系统中电子自旋进动的集体激发。自旋波量子化的准粒子称为磁振子。以自旋波作为信息载体的新型自旋电子器件，具有不依赖于导电电子即可实现信息的长距离传输与处理等显著特点，被认为是后摩尔时代的一种新型器件技术，可以从根本上解决电子器件焦耳热问题，有望在更低功耗、非易失、高速度信息存储和逻辑运算应用中发挥重要作用。自旋波器件具有以下优点：1)自旋波可以在磁性绝缘体中传输；2)可以更长距离传播自旋信息；3)自旋波可以具有高达太赫兹的本征频率且同时具有振幅和相位的波动特性。这些优点吸引人们广泛探索自旋波相关的新奇效应和器件应用，如自旋波晶体管、自旋波逻辑门以及太赫兹高频振荡器等。

自旋流：定向相干运动的电子自旋形成的自旋流，即设自旋朝上的电子和自旋朝下的电子以相同的平均速度反向运动，两种流的绝对值相等，方向相反，因而没有净电荷的流动，只有自旋的流动。

自旋轨道转矩：流入强自旋轨道耦合材料(通常为重金属材料如铂Pt、钨W、钽Ta)的电流会在表面产生自旋流的积累，自旋流会对与强自旋轨道耦合材料相邻磁性层的磁矩产生自旋轨道转矩作用，使磁矩发生进动或者翻转。其中，磁矩发生进动时，可以不断向外发射自旋波。

下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

结合图1详细说明本申请实施例提供的自旋波器件可适用的存储设备。图1示出了本申请实施例提供的异质结自旋波适用的存储设备100的示意图。参见图1，该存储设备包括控制器，如图1所示的控制器110；该存储设备100还包括存储阵列，如图1所示的存储阵列120。控制器110与存储阵列120之间可以相互通信，例如，控制器110可以在存储阵列120中写入数据，再例如，控制器110可以从存储阵列120中读取数据。

其中，控制器110可以包括行译码器、放大器、列译码器以及其他控制电路等，从而，控制器110可以控制存储阵列120的读写操作以及其他操作。

存储阵列120可以包括至少一个自旋波器件，图2示出了一种存储阵列的示意性结构图，在该存储阵列中，每个自旋波器件作为一个存储单元，与一个晶体管(transistor)串联形成1T1R的结构，通过晶体管调节限制电流来调控通过自旋波器件强自旋轨道耦合材料层的电流大小。图2所示的存储阵列包括M×N个1T1R器件，每个自旋波器件都可以用于存储数据。图2中示出了N个位线对(一个位线对包括一位线和一条源极线)和M条字线，M和N为正整数。其中每行的N个1T1R器件都连接在一条字线上，每列的M个1T1R器件都并联在一对位线与源极线之间。

在图2中，位线0、源极线0和字线0之间的为自旋波器件A和一个晶体管组成的1T1R结构。其中每一个晶体管的源极与一条源极线相连，栅极与一条字线相连，漏极与一条位线相连，每个晶体管的漏极和位线之间串联一个自旋波器件。需要说明的是，自旋波器件可以接在晶体管的漏极与位线之间，也可以接在晶体管的源极与源极线之间，本申请实施例对此不作限定。当在字线上施加电压时，通过施加电压的大小控制晶体管源极和漏极之间电流的大小，从而控制自旋波器件中自旋流传输的导通或关闭，从而实现数据的写入。

应理解，图1和图2仅作示例性说明，本申请不限于此，例如，图2所示的存储阵列中晶体管与自旋波器件构成的器件也可以为2T1R器件。应理解，所有包括本申请实施例描述的自旋波器件的存储设备均在本申请实施例的保护范围内。

如前所述，自旋波器件主要包括平面构型和垂直构型。前者通常为纳米线结构，自旋波平行于薄膜平面传输；后者通常为垂直异质结结构，自旋波垂直于薄膜平面传输。本申请实施例涉及的自旋波器件均属于后者。

现有技术中的垂直自旋波器件一般有两类，第一类器件的基本结构包括磁性层a、中间层、磁性层b，或相互耦合的磁性层a、磁性层b，如图3所示。其中，磁性层材料一般为铁磁导体、铁磁绝缘体。其工作原理为：自旋波在磁性层a和磁性层b中激发并在垂直方向传输，当磁性层a和磁性层b的磁矩方向平行或反平行时，两束自旋波分别实现叠加或抵消，最终在磁性层a上侧(或者磁性层b下侧)检测到的自旋波大小不同，即实现了自旋波传输的导通或关闭，由此代表“1”和“0”两种逻辑状态。第二类器件的基本结构包括强自旋轨道耦合材料层、自旋波通道层、磁性层a，如图4所示。其中，强自旋轨道耦合材料一般为电流-自旋流转换效率高的材料，如Pt，Ta，W和拓扑绝缘体等；自旋波通道层材料一般为反铁磁绝缘体。其工作原理为：强自旋轨道耦合层中通入电流，通过自旋轨道耦合效应可将电流转换成自旋流，自旋流在自旋波通道层中激发出自旋波并在垂直方向传输，自旋波到达磁性层a，可以驱动磁矩进动或者翻转，可以通过测量磁性层的磁矩获得自旋波器件的状态。但是，上述第一类异质结自旋器件需要外磁场调控自旋波的传输，不利于器件小型化和集成化；第二类异质结自旋器件工作时，自旋波传输、驱动磁矩进动或者翻转效率不高，导致功耗较高。

鉴于此，本申请实施例提供一种自旋波器件及存储器，能够实现磁矩翻转的全电学调控，进而实现器件小型化和集成化。并且，通过设置插层，能够提高自旋流和/或自旋波的透过率，进而增强自旋波的激发、传输、驱动磁矩进动或者翻转的效率，降低器件功耗，同时增强器件的热稳定性。

具体地，图5至图9示出了本申请实施例的自旋波器件的几种示意性结构图。下面将结合图5至图9详细说明本申请实施例提供的自旋波器件的构成及调控方法。

参见图5，该自旋波器件包括：

强自旋轨道耦合材料层111，设置于衬底200的第一面，该第一面可以为衬底200的上表面；

第一插层101，设置于强自旋轨道耦合材料层111上方；

自旋波通道层104，设置于第一插层101上方；

第一磁性层106，设置于自旋波通道层104的上方。

下面分别对上述各部分进行详细说明。

1.衬底

作为示例而非限定，该衬底可以为板状、长方体或正方体。

在一种可能的实现方式中，该衬底可以是半导体材料，例如，硅Si、氧化硅SiO、蓝宝石、碳化硅SiC、或氮化镓GaN等。

2.强自旋轨道耦合材料层

该强自旋轨道耦合材料层受电流驱动可以产生自旋流。可选地，该强自旋轨道耦合材料层厚度可以为0.5–100nm，在一些可能的实现方式中，该层厚度具体可以为3nm，或5nm，或8nm，或10nm；该层所用材料包括但不限于重金属，如铂Pt、钨W、钽Ta及其合金；该层所用材料也可以为拓扑绝缘体或外尔(Weyl)半金属，如硒化铋Bi_1-xSe_x、碲化铋Bi_1-xTe_x、碲化钨W_1-xTe_x、碲化钼Mo_1-xTe_x等。

可选地，在该强自旋轨道耦合层通入电流的电流密度为10⁵A/cm²–10⁸A/cm²。

3.插层

当该插层设置于强自旋轨道耦合材料层111上方时，该插层能够增强强自旋轨道耦合材料层的自旋霍尔角，提高相同电流下产生的自旋流大小，从而提高自旋波的激发效率，还可以降低自旋流所受到的界面散射，提高自旋流穿透率。

可选地，该插层厚度可以为0.5–100nm，在一些可能的实现方式，该插层厚度具体可以为1nm，或2nm，或5nm，或6nm；该层所用材料包括但不限于非磁性金属，如钛Ti、银Ag、铪Hf、钼Mo等。

可选地，该插层可以通过界面工程引入。

4.自旋波通道层

该自旋波通道层受自旋流激发能够产生自旋波，产生的自旋波传输至磁性层。可选地，该自旋波通道层厚度可以为0.5–100nm，在一些可能的实现方式中，该层厚度具体可以为2nm，或5nm，或10nm，或25nm，或30nm，或50nm；自旋波通道层的材料可以为反铁磁绝缘体，包括但不限于NiO、CoO、Cr₂O₃、α-Fe₂O₃、BiFeO₃。

5.磁性层

该磁性层受自旋波驱动磁矩可以发生翻转或进动。该磁性层的磁矩可以是垂直磁矩排布，也可以是面内磁矩排布。

可选地，该磁性层厚度可以为1–10nm，在一些可能的实现方式中，该层厚度具体可以为3nm或6nm；该层所用材料包括但不限于铁磁薄膜，如铁Fe、钴Co、镍Ni、钴铁硼CoFeB、NiFe、CoFe、CoPt、CoNi等合金及由其构成的多层膜；亚铁磁薄膜，如CoTb、CoGd合金及[Co/Tb]_n、[Co/Gd]_n多层膜等；磁性绝缘体，如钇铁石榴石铁氧体YIG等。

在一些可能的实现方式中，上述各层可以为圆柱状，直径为0.005-20μm；也可以为椭圆柱状，长轴长度为0.005-20μm，短轴长度为0.005-10μm，长短轴比例为1.0-5.0；也可以为矩形，长边长度为0.005-20μm，短边长度为0.005-10μm，长短轴比例为1.0-5.0，本申请实施例对此不作限定。

应理解，本申请实施例中的自旋波器件的工作原理为：在自旋波器件的强自旋轨道耦合材料层111通入电流密度范围在10⁵A/cm²–10⁸A/cm²的电流。由于自旋轨道耦合效应，该电流将导致强自旋轨道耦合材料层111表面产生自旋流，进而激发自旋波通道层104产生自旋波并传输，自旋波到达第一磁性层106后，将驱动第一磁性层106中磁矩进动或者翻转。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过在器件中设置第一插层101和/或第二插层105，能够提高器件的磁性层中磁矩的翻转或进动效率，降低器件功耗，提高磁性层的热稳定性。进而在保证器件低功耗和热稳定性的同时，兼顾器件小型化、集成化的需求。

本申请实施例提供的一种自旋波器件可以如图6所示，包括强自旋轨道耦合材料层111、第一插层101、自旋波通道层104、第二插层105和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上。应理解，图6所示的器件中第一插层101的作用与其在图5所示的器件中所起作用相同，与磁性层相邻的第二插层105可以调控磁性层的磁各向异性，增强磁性层的热稳定性，还可以降低自旋波所受到的界面散射，从而提高自旋波穿透率。在一些可能的实现方式中，可以以第一插层101和第二插层105为电极，在自旋波通道层104两端施加范围为0.1V-12V的电压，从而调控自旋波通道层104的磁各向异性，进而调控自旋波传输效率。在一些可能的实现方式中，在自旋波通道层104两端施加的电压具体可以为0.5V，或0.8V，或1V，或2V。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过在器件中自旋波通道层两端施加电压，调控自旋波通道层的磁各向异性，从而提高自旋波的传输效率，进而能够提高器件的磁性层中磁矩的翻转或进动效率，降低器件功耗。

在一些可能的实现方式中，还可以将图6中的自旋波通道层104设置为图7所述的复合自旋波通道层1041。可选地，该复合自旋波通道层1041可以如图7中的(a)所示，包括第一反铁磁绝缘层204，第一铁磁层205，第二反铁磁绝缘层206，其中第一铁磁层205设置于第一反铁磁绝缘层204和第二反铁磁绝缘层206之间；或者，该复合自旋波通道层1041可以如图7中的(b)所示，包括第一铁磁层205，第一反铁磁绝缘层204和第二铁磁层203，其中第一反铁磁绝缘层204设置于第一铁磁层205和第二铁磁层203之间。该复合自旋波通道层1041的反铁磁绝缘层/铁磁层/反铁磁绝缘层或铁磁层/反铁磁绝缘层/铁磁层异质结构用于调节该复合自旋波通道层1041的磁有序温度。

可选地，复合自旋波通道层1041的异质结构中每层厚度可以为0.5–100nm。在一些可能的实现方式中，该异质结构中每层厚度具体可以为2nm，或5nm，或10nm，或25nm，或30nm，或50nm；该复合自旋波通道层1041中，铁磁层材料可以为磁性绝缘体、磁性金属、磁性合金等单层或多层复合膜，其中磁性绝缘体包括但不限于YIG，磁性金属及合金包括但不限于Fe、Co、Ni、CoFeB、NiFe、CoFe、CoPt、CoNi等及由其构成的多层膜；反铁磁绝缘层材料可以为反铁磁绝缘体，包括但不限于NiO、CoO、Cr₂O₃、α-Fe₂O₃、BiFeO₃。

在一些可能的实现方式中，在图7所示的器件中，可以以第一插层101和第二插层105为电极，在复合自旋波通道层1041两端施加范围为0.1V-12V的电压，从而调控复合自旋波通道层1041的磁各向异性，进而调控自旋波传输效率。在一些可能的实现方式中，在复合自旋波通道层1041两端施加的电压具体可以为0.5V，或0.8V，或1V，或2V。

需要说明的是，图5所示的器件中，自旋波通道层104也可以设置为复合自旋波通道层1041，通过复合自旋波通道层1041的异质结构，调节磁有序温度，进而提高器件的热稳定性。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过在器件中设置复合自旋波通道层，调控复合自旋波通道层的磁有序稳定，进而在保证器件的磁性层中磁矩的翻转或进动效率的同时，进一步提高器件的热稳定性。

本申请实施例提供的一种自旋波器件，在图7中的(a)所示器件的基础上，在第一插层101和复合自旋波通道层1041之间依次设置第二磁性层102和第三插层103，具体如图8所示。其中，自旋轨道耦合材料层111产生的自旋流，到达第二磁性层102后：将驱动第二磁性层102中磁矩翻转，从而可以调控第一磁性层106和第二磁性层102的相对取向来实现自旋波的开关；还可以驱动第二磁性层102中磁矩进动，进而激发自旋波，产生的自旋波在复合自旋波通道层1041传输，自旋波到达第一磁性层106后，将驱动第一磁性层106中磁矩进动或者翻转。第三插层103的引入，能够进一步提高自旋波透过率，进而提高器件的第一磁性层中磁矩翻转或进动的效率，进一步降低器件功耗。

应理解，图8所示的自旋波器件中，第二插层105和第三插层103之间的复合自旋波通道层1041也可以设置为上述实施例中的自旋波通道层104。

在一些可能的实现方式中，图8所示的自旋波器件的结构还可以为：强自旋轨道耦合层111、第二磁性层102、自旋波通道层104和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上；或者，强自旋轨道耦合层111、第一插层101、第二磁性层102、自旋波通道层104和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上；或者，强自旋轨道耦合层111、第二磁性层102、第三插层103、自旋波通道层104和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上；或者，强自旋轨道耦合层111、第一插层101、第二磁性层102、第三插层103、自旋波通道层104和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上；或者，强自旋轨道耦合层111、第一插层101、第二磁性层102、自旋波通道层104、第二插层105和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上；或者，强自旋轨道耦合层111、第二磁性层102、第三插层103、自旋波通道层104、第二插层105和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上；或者，强自旋轨道耦合层111、第一插层101、第二磁性层102、第三插层103、自旋波通道层104、第二插层105和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上。应理解，上述各自旋波器件中，自旋波通道层104也可以设置为复合自旋波通道层1041，本申请实施例对此不作限定。

本申请实施例还提供一种自旋波器件，如图9所示，包括强自旋轨道耦合材料层111、复合自旋波通道层1041和第一磁性层106，依次设置在衬底200的第一面上。

在一些可能的实现方式中，如图10所示，自旋波器件还可以包括设置于复合自旋波通道层1041和第一磁性层106之间的第二插层105，该第二插层可以调控磁性层的磁各向异性，增强磁性层的热稳定性，还可以降低自旋波所受到的界面散射，从而提高自旋波穿透率。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过强自旋轨道耦合层-复合自旋波通道层-磁性层的结构实现器件的全电学驱动，并且能够提高器件的磁性层中磁矩的翻转或进动效率和器件的热稳定性。进而在保证器件低功耗和热稳定性的同时，兼顾器件小型化、集成化的需求。

本申请实施例提供的自旋波器件，通过在器件中设置复合自旋波通道层，调控复合自旋波通道层的磁有序稳定，进而提高器件的热稳定性。

在一些可能的实现方式中，可以在图5至图9所示的任一自旋波器件的第一磁性层106的上方设置一层电极，在电极层两侧施加电压，探测电极层内电流的大小。由于电极层的电流将会受到第一磁性层106中自旋波的影响，所以可以根据探测到的电流大小判断自旋波传输处于导通状态还是关闭状态，由此代表自旋波器件“1”和“0”两种逻辑状态。可选地，电极材料包括但不限于铂Pt、金Au等导电性良好的金属。

本申请中出现的类似于“项目包括如下中的一项或多项：A，B，以及C”表述的含义，如无特别说明，通常是指该项目可以为如下中任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A，B和C；A和A；A，A和A；A，A和B；A，A和C，A，B和B；A，C和C；B和B，B，B和B，B，B和C，C和C；C，C和C，以及其他A，B和C的组合。以上是以A，B和C共3个元素进行举例来说明该项目的可选用条目，当表达为“项目包括如下中至少一种：A，B，……，以及X”时，即表达中具有更多元素时，那么该项目可以适用的条目也可以按照前述规则获得。

应理解，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。特别地，本申请实施例中的插层1、2、3等类似的描述仅为了区分各层在器件中的位置，其材料、厚度等参数并无明显区别。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应理解，在本申请实施例中，编号“第一”、“第二”…仅仅为了区分不同的对象，比如为了区分不同的插层，并不对本申请实施例的范围构成限制，本申请实施例并不限于此。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种自旋波器件，其特征在于，所述自旋波器件包括：

强自旋轨道耦合材料层(111)，第一磁性层(106)，以及设置于所述强自旋轨道耦合材料层(111)和所述第一磁性层(106)之间的自旋波通道层(104)；

设置于所述强自旋轨道耦合材料层(111)和所述自旋波通道层(104)之间的至少一个插层；

其中，所述强自旋轨道耦合材料层(111)受电流驱动产生自旋流，所述第一磁性层(106)受所述电流驱动发生磁矩进动或翻转。

2.根据权利要求1所述的自旋波器件，其特征在于，所述自旋波器件还包括设置于所述自旋波通道层(104)和所述第一磁性层(106)之间的所述至少一个插层。

3.根据权利要求2所述的自旋波器件，其特征在于，当所述至少一个插层包括设置于所述强自旋轨道耦合材料层(111)和所述自旋波通道层(104)之间，且紧邻所述自旋波通道层(104)的第一插层(101)以及设置于所述自旋波通道层(104)和所述第一磁性层(106)之间，且紧邻所述自旋波通道层(104)的第二插层(105)时，通过所述第一插层(101)和所述第二插层(105)对所述自旋波通道层(104)施加第一电压。

4.根据权利要求3所述的自旋波器件，其特征在于，所述第一电压的范围为0.1-12V。

5.根据权利要求1至4所述的自旋波器件，其特征在于，所述自旋波器件还包括设置于所述强自旋轨道耦合材料层(111)和所述自旋波通道层(104)之间的第二磁性层(102)，所述第二磁性层(102)受自旋流驱动发生磁矩进动或翻转。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述自旋波通道层(104)包括第一反铁磁层(204)、第二反铁磁层(206)和第一铁磁层(205)，所述第一铁磁层(205)设置于所述第一反铁磁层(204)和所述第二反铁磁绝缘层(206)之间，所述第一反铁磁层(204)、所述第一铁磁层(205)和所述第二反铁磁层(206)构成的异质结构调节所述自旋波通道层(104)的磁有序温度。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述自旋波通道层(104)包括第一反铁磁层(204)、第一铁磁层(205)和第二铁磁层(203)，所述第一反铁磁层(204)设置于所述第一铁磁层(205)和所述第二铁磁层(203)之间，所述第一铁磁层(205)、所述第一反铁磁层(204)和所述第二铁磁层(203)构成的异质结构调节所述自旋波通道层(104)的磁有序温度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述强自旋轨道耦合材料层(111)被通入的所述电流的电流密度范围为10⁵A/cm²–10⁸A/cm²。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述自旋波通道层(111)中各层厚度为0.5–100nm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述至少一个插层的厚度为0.5–100nm。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述第一磁性层(106)厚度为1–10nm。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述强自旋轨道耦合材料层(111)厚度为0.5–100nm。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述自旋波通道层(104)的材料为反铁磁绝缘体、磁性绝缘体、磁性金属及磁性合金中的至少一种。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述至少一个插层的材料为非磁性金属。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述第一磁性层(106)的材料为铁磁体、亚铁磁体和磁性绝缘体中的至少一种。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的自旋波器件，其特征在于，所述强自旋轨道耦合材料层(111)的材料为重金属、拓扑绝缘体和Weyl半金属中的至少一种。

17.一种自旋波器件，其特征在于，所述自旋波器件包括：

强自旋轨道耦合材料层(111)，第一磁性层(106)，以及设置于所述强自旋轨道耦合材料层(111)和所述第一磁性层(106)之间的复合自旋波通道层(1041)；

其中，所述强自旋轨道耦合材料层(111)受电流驱动产生自旋流，所述第一磁性层(106)受所述电流驱动发生磁矩进动或翻转；

所述复合自旋波通道层(1041)包括第一铁磁层(205)、第一反铁磁层(204)和第二铁磁层(203)构成的异质结构；或，

所述复合自旋波通道层(1041)包括所述第一反铁磁层(204)、所述第一铁磁层(205)和第二反铁磁层(206)构成的异质结构；

所述异质结构调节所述复合自旋波通道层(1041)的磁有序温度。

18.根据权利要求17所述的自旋波器件，其特征在于，所述自旋波器件还包括设置于所述复合自旋波通道层(1041)和所述第一磁性层(106)之间的至少一个插层，所述至少一个插层的材料为非磁性金属。

19.一种存储器，其特征在于，所述存储器包括：

存储阵列，用于存储数据，所述存储阵列中包括多个相连的自旋波器件，所述自旋波器件为如权利要求1至18中任一项所述的自旋波器件；

控制器，用于向所述存储阵列中写入数据，和/或，用于从所述存储阵列中读取数据。

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