CN116828965A - 一种磁存储单元及磁存储器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁存储单元及磁存储器件，该磁存储单元包括：依次层叠设置的第一自由层、第一耦合层、第二自由层、势垒层和参考层。其中，磁存储单元的逻辑存储状态根据磁存储单元两端的电阻状态确定；且通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换。本申请采用脉冲电压驱动磁存储单元翻转，具有功耗低、存储密度高的优点，无需精确控制电压脉冲的脉冲宽度，降低脉冲宽度控制难度。
Description
技术领域
本发明涉及存储技术领域，尤其涉及一种磁存储单元及磁存储器件。
背景技术
随着互联智能设备的兴起，对高性能数据储存和内存技术的需求日益增加。目前的内存技术以动态随机存取存储器(DRAM)为主流。DRAM的存储机制是将数据以电荷的形式存储在电容器中。这种方式存储的数据会因为电容器的泄漏或放电发生毁损。因此，DRAM需要周期性地充电以保护数据，这极大增加了存储器的功耗。此外DRAM单元的微缩也受到电容器的约束，需要确保微缩后电容存储的电荷量不变，这使DRAM通过微缩提升存储密度变得越来越困难。
近年来，新型非易失性存储器技术得到了快速发展。非易失性存储器是指当外部供电消失后，所存储的数据不会消失的存储器。非易失性存储器不需要反复刷新数据，静态功耗很低。目前常见非易失性存储单元以两端结构可变电阻器件为主，可以通过施加脉冲电流使存储单元的电阻特性在高阻态和低阻态之间发生变化。但是这种电流驱动的工作方式一方面会带来较高的动态功耗，另一方面需要较大面积的外部电路进行供电，存储密度较低。
发明内容
本发明提供了一种磁存储单元及磁存储器件，具有功耗低、存储密度高的优点，无需精确控制电压脉冲的脉冲宽度，降低脉冲宽度控制难度。
第一方面，本发明提供了一种磁存储单元，该磁存储单元包括：依次层叠设置的第一自由层、第一耦合层、第二自由层、势垒层和参考层。其中，磁存储单元的逻辑存储状态根据磁存储单元两端的电阻状态确定；且通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换。
在上述的方案中，通过在原来由自由层、势垒层和参考层组成的磁性隧道结的基础上，再增加第一耦合层和第一自由层，从而通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换，使磁存储单元完成两个逻辑存储装置的切换。与现有技术采用脉冲电流驱动磁存储单元翻转的方式相比，本申请采用脉冲电压驱动磁存储单元翻转，工作时几乎不需要电流脉冲驱动，只要电压发生变化从而在磁存储单元两端施加电压脉冲，至电压脉冲宽度大于脉冲宽度阈值，即可迅速完成磁存储单元的电阻状态切换。即本申请完全基于电压脉冲实现磁存储单元的逻辑存储状态调控，无需电流脉冲驱动，也相应无需较大面积的外部电路进行供电，减少供电电路面积，能够设置更多的磁存储单元，从而具有功耗低、存储密度高的优点，能够作为未来低功耗、高密度的非易失存储器的基本单元。同时在施加足够长时间的电压脉冲之后，磁存储单元的电阻状态能够发生单极性切换，无需精确控制电压脉冲的脉冲宽度，降低脉冲宽度控制难度。
在一个具体的实施方式中，参考层具有垂直磁化方向恒定的垂直磁各向异性，第一自由层和第二自由层均具有垂直磁化方向能够翻转的垂直磁各向异性，且第二自由层还具有电压控制的磁各向异性效应。基于电压控制的磁各向异性效应，通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超出脉冲宽度阈值，使第一自由层和第二自由层的垂直磁化方向发生单极性磁化翻转，使参考层与第二自由层之间的磁化方向在平行态和反平行态之间切换，便于磁存储单元的电阻状态发生单极性切换。
在一个具体的实施方式中，在向磁存储单元两端施加电压脉冲时，第二自由层基于电压控制的磁各向异性效应，从垂直磁各向异性切换为面内磁各向异性，并通过第一耦合层带动第一自由层的垂直磁化方向发生振荡。在电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值之后，第一自由层的垂直磁化方向稳定在振荡前垂直磁化方向的反方向，第二自由层的磁化方向稳定在面内磁化方向。在撤去电压脉冲后，第一自由层通过第一耦合层，将第二自由层的磁化方向由面内磁化方向，翻转为与第一自由层的磁化方向相同的垂直磁化方向。便于驱动第一自由层和第二自由层的垂直磁化方向由初始方向，单极性翻转为相反的方向。
在一个具体的实施方式中，第一耦合层的耦合强度为0.02～0.1erg/cm2。第一自由层、第一耦合层和第二自由层组成的自由层阻尼系数为0.005～0.05，便于施加电压脉冲的过程中，第一自由层最终稳定在与初始垂直磁化方向相反的方向，第二自由层稳定在面内磁化方向。
在一个具体的实施方式中，脉冲宽度阈值为1～10ns，减小施加电压脉冲的时间。
在一个具体的实施方式中，势垒层用于给第二自由层提供电压控制的磁各向异性效应，还用于给第二自由层和参考层提供隧穿磁阻效应，便于使第二自由层具有电压控制的磁各向异性效应，也便于实现第二自由层、势垒层和参考层之间的隧穿磁阻效应。
在一个具体的实施方式中，势垒层的材料为氧化镁，以获得较为显著的隧穿磁阻效应和电压控制的磁各向异性效应。
在一个具体的实施方式中，第一自由层上还层叠设置有氧化镁层，氧化镁层与第一耦合层分列在第一自由层相对的两侧。氧化镁层用于增加第一自由层的垂直磁各向异性，且氧化镁层的厚度小于势垒层的厚度。在增强第一自由层的垂直磁各向异性的同时，需要尽量减小氧化镁层的厚度，使外部施加电压脉冲时分压较少，从而减小对磁阻变化率的影响。且还需要使势垒层的厚度较大，增加势垒层的电阻，使外部施加电压脉冲时分压较多。
在一个具体的实施方式中，第一自由层上还层叠设置有重金属层，重金属层与第一耦合层分列在第一自由层相对的两侧。重金属层用于增强第一自由层的垂直磁各向异性。在增强第一自由层的垂直磁各向异性的同时，利用重金属层电阻小的特性，减少对磁阻变化率的影响。还利用重金属层不具备电压控制的磁各向异性效应，使重金属层不影响磁存储单元的单极性切换，不影响器件工作。且通过设置重金属层，还能够提高第一自由层、第一耦合层和第二自由层之间的自由层阻尼系数，便于调控磁存储阵列的整体翻转时间和翻转概率。
在一个具体的实施方式中，该磁存储单元还包括：依次层叠设置在参考层上的第二耦合层和钉扎层。钉扎层通过第二耦合层，将参考层钉扎为具有垂直磁化方向恒定的垂直磁各向异性，便于钉扎参考层的垂直磁化方向。
在一个具体的实施方式中，第一耦合层为铁磁耦合，第二耦合层为反铁磁耦合，第二耦合层的耦合强度大于第一耦合层的耦合强度，使参考层的垂直磁化方向不受两个自由层的磁化方向影响，而保持恒定不变的垂直磁化方向。
在一个具体的实施方式中，第一耦合层和第二耦合层的材料均为Ru、Ir、Ta、Mo或W，便于设置两个耦合层。
在一个具体的实施方式中，钉扎层的材料为FeNi、FePd、CoNi、FePt或CoPt，便于设置钉扎层。
在一个具体的实施方式中，第一自由层、第二自由层和参考层的材料为Co、Fe、Ni的任意一种材料或包含有几种材料的合金，便于设置自由层和参考层。
第二方面，本发明还提供了一种磁存储器件，该磁存储器件包括：由多个上述任意一种磁存储单元组成的磁存储阵列、以及脉冲电压产生电路。其中，脉冲电压产生电路用于向磁存储单元两端施加脉冲宽度超过脉冲宽度阈值的电压脉冲，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换。通过在原来由自由层、势垒层和参考层组成的磁性隧道结的基础上，再增加第一耦合层和第一自由层，从而通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换，使磁存储单元完成两个逻辑存储装置的切换。与现有技术采用脉冲电流驱动磁存储单元翻转的方式相比，本申请采用脉冲电压驱动磁存储单元翻转，工作时几乎不需要电流脉冲驱动，只要电压发生变化从而在磁存储单元两端施加电压脉冲，至电压脉冲宽度大于脉冲宽度阈值，即可迅速完成磁存储单元的电阻状态切换。即本申请完全基于电压脉冲实现磁存储单元的逻辑存储状态调控，无需电流脉冲驱动，也相应无需较大面积的外部电路进行供电，减少供电电路面积，能够设置更多的磁存储单元，从而具有功耗低、存储密度高的优点，能够作为未来低功耗、高密度的非易失存储器的基本单元。同时在施加足够长时间的电压脉冲之后，磁存储单元的电阻状态能够发生单极性切换，无需精确控制电压脉冲的脉冲宽度，降低脉冲宽度控制难度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种磁存储单元的结构剖视图；
图2为本发明实施例提供的一种施加电压脉冲后磁化状态和势垒结构变化的示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种磁存储单元的结构剖视图；
图4为本发明实施例提供的另一种磁存储单元的结构剖视图；
图5为本发明实施例提供的另一种磁存储单元的结构剖视图；
图6为本发明实施例提供的另一种磁存储单元的结构剖视图。
附图标记：
11-第一自由层12-第二自由层21-第一耦合层
22-第二耦合层30-势垒层40-参考层50-钉扎层
61-氧化镁层62-重金属层70-顶电极80-底电极
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
为了方便理解本发明实施例提供的磁存储单元，下面首先说明一下本发明实施例提供的磁存储单元的应用场景，该磁存储单元应用于作为存储位元，应用于磁存储器件中。下面结合附图对该磁存储单元进行详细的叙述。
参考图1及图2，本发明实施例提供的磁存储单元包括：依次层叠设置的第一自由层11、第一耦合层20、第二自由层12、势垒层30和参考层40。其中，磁存储单元的逻辑存储状态根据磁存储单元两端的电阻状态确定；且通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换。
在上述的方案中，通过在原来由自由层、势垒层30和参考层40组成的磁性隧道结的基础上，再增加第一耦合层20和第一自由层11，从而通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换，使磁存储单元完成两个逻辑存储装置的切换。与现有技术采用脉冲电流驱动磁存储单元翻转的方式相比，本申请采用脉冲电压驱动磁存储单元翻转，工作时几乎不需要电流脉冲驱动，只要电压发生变化从而在磁存储单元两端施加电压脉冲，至电压脉冲宽度大于脉冲宽度阈值，即可迅速完成磁存储单元的电阻状态切换。即本申请完全基于电压脉冲实现磁存储单元的逻辑存储状态调控，无需电流脉冲驱动，也相应无需较大面积的外部电路进行供电，减少供电电路面积，能够设置更多的磁存储单元，从而具有功耗低、存储密度高的优点，能够作为未来低功耗、高密度的非易失存储器的基本单元。同时在施加足够长时间的电压脉冲之后，磁存储单元的电阻状态能够发生单极性切换，无需精确控制电压脉冲的脉冲宽度，降低脉冲宽度控制难度。下面结合附图对上述各个结构进行详细的介绍。
在设置时，参考图1，从上到下依次层叠设置有第一自由层11、第一耦合层20、第二自由层12、势垒层30和参考层40。应当理解的是，第一自由层11、第一耦合层20、第二自由层12、势垒层30及参考层40的层叠方向并不限于如图1所示出的从上到下的层叠方式，除此之外，还可以采用其他的层叠方式，例如，还可以使第一自由层11、第一耦合层20、第二自由层12、势垒层30和参考层40依次从下向上进行层叠。其中的第二自由层12、势垒层30和参考层40之间组成磁性隧道结结构，即第二自由层12和参考层40之间的磁化方向能够在平行态和反平行态之间进行翻转，从而改变磁存储单元两端的电阻状态。其中的势垒层30能够给第二自由层12和参考层40提供隧穿磁阻效应，便于实现第二自由层12、势垒层30和参考层40之间的隧穿磁阻效应。具体的，在第二自由层12与参考层40之间的磁化方向为平行态时，即两者的磁化方向相同，则磁存储单元两端的电阻状态处于低阻状态。而在第二自由层12和参考层40之间的磁化方向为反平行态时，即两者的磁化方向正好相反，则磁存储单元两端的电阻状态处于高阻状态。而磁存储单元也正是通过高阻状态和低阻状态，分别表征磁存储单元的两个逻辑存储状态，即存储单元的逻辑存储状态根据磁存储单元两端的电阻状态确定，从而实现数据的读写。
在设置参考层40时，参考层40具有垂直磁化方向恒定的垂直磁各向异性，即参考层40内的垂直磁化方向可以如图1所示出的保持恒定的向上方向。具体的，如图1所示，可以在参考层40上背离势垒层30的一侧，依次层叠设置在参考层40上的第二耦合层22和钉扎层50，钉扎层50通过第二耦合层22，将参考层40钉扎为具有垂直磁化方向恒定的垂直磁各向异性，便于钉扎参考层40的垂直磁化方向。在确定参考层40的材料时，参考图4及图6，参考层40的材料可以为Co、Fe、Ni的任意一种材料或包含有几种材料的合金，便于设置参考层40。在确定钉扎层50的材料时，参考图4及图6，钉扎层50的材料可以为FeNi、FePd、CoNi、FePt或CoPt，便于设置钉扎层50。在确定第二耦合层22的材料时，参考图4及图6，第二耦合层22的材料可以为Ru、Ir、Ta、Mo或W，便于设置第二耦合层22。应当理解的是，钉扎参考层40的垂直磁化方向的方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的钉扎方式。
在设置上述的第一自由层11、第一耦合层20和第二自由层12时，如图1所示，第二自由层12通过势垒层30与参考层40隔开，第一自由层11通过第一耦合层20与第二自由层12隔开。第一自由层11和第二自由层12均具有垂直磁化方向能够翻转的垂直磁各向异性，即第一自由层11和第二自由层12中的垂直磁化方向可以在如图1所示出的向上和向下之间进行翻转。且第二自由层12还具有电压控制的磁各向异性效应，具体可以通过势垒层30提供。即势垒层30除了上述示出的给第二自由层12和参考层40提供隧穿磁阻效应之外，还能够给第二自由层12提供电压控制的磁各向异性效应，便于使第二自由层12具有电压控制的磁各向异性效应。在确定该势垒层30的材料时，参考图4及图6，势垒层30的材料可以为氧化镁，以提高势垒层30所提供的隧穿磁阻效应和电压控制的磁各向异性效应的质量，获得较为显著的隧穿磁阻效应和电压控制的磁各向异性效应。应当理解的是，给第二自由层12提供电压控制的磁各向异性效应的方式并不限于上述的通过势垒层30的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。另外，势垒层30的材料也并不仅限于上述示出的氧化镁，除此之外，还可以采用其他具有势垒性能的材料。
参考图2，在具体实现磁存储单元两端的电阻状态的单极性切换时，该磁存储单元可以通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超出脉冲宽度阈值，基于第二自由层12所具有的电压控制的磁各向异性效应，使第一自由层11和第二自由层12的垂直磁化方向发生单极性磁化翻转，从而使参考层40与第二自由层12之间的磁化方向在平行态和反平行态之间切换，便于磁存储单元的电阻状态发生单极性切换。在确定第一自由层11和第二自由层12的材料时，如图4及图6所示，第一自由层11、第二自由层12的材料可以为Co、Fe、Ni的任意一种材料或包含有几种材料的合金，便于设置自由层。在确定第一耦合层20的材料时，第一耦合层20的材料可以为Ru、Ir、Ta、Mo或W，便于设置第一耦合层20。
具体的，参考图2，在向磁存储单元两端刚刚施加电压脉冲时，第二自由层12基于其所具有的电压控制的磁各向异性效应，能够从垂直磁各向异性切换为面内磁各向异性(如图2所示出的从初始向上的垂直磁各向异性，切换为面内向右的面内磁各向异性)。同时第二自由层12在从垂直磁各向异性切换为面内磁各向异性的过程中，第二自由层12还能够通过第一耦合层20带动第一自由层11的垂直磁化方向发生振荡。在电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值之后，即电压脉冲的持续时间大于脉冲宽度阈值时，第一自由层11的垂直磁化方向能够最终稳定在振荡前垂直磁化方向的反方向，即第一自由层11稳定后的垂直磁化方向正好与振荡前的垂直磁化方向相反，例如图2中的第一自由层11的初始垂直磁化方向为向上，而在发生振荡并稳定之后，其垂直磁化方向为向下，正好与振荡前的垂直磁化方向相反。而在电压脉冲宽度超出脉冲宽度阈值之后，第二自由层12的磁化方向能够最终稳定在面内磁化方向，例如图2所示出的最终稳定在面内向右的面内磁化方向。
继续参考图2，而在电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值之后，在撤去电压脉冲后，第一自由层11能够通过第一耦合层20的耦合作用，将第二自由层12的磁化方向由面内磁化方向，翻转为与第一自由层11的磁化方向相同的垂直磁化方向。即第二自由层12重新切换到垂直磁各向异性。如图2所示，第一自由层11将第二自由层12的磁化方向由面内向右的面内磁化方向，翻转为向下的垂直磁化方向，正好与第一自由层11稳定后的垂直磁化方向相同。且第一自由层11和第二自由层12翻转后的垂直磁化方向，正好与翻转前的垂直磁化方向相反。即施加电压脉冲前后，第一自由层11和第二自由层12的磁化方向发生了改变，实现了确定性的单极性磁化翻转。而由于磁存储单元的电阻状态取决于第二自由层12和参考层40之间的相对磁化方向，第二自由层12的磁化方向改变，而参考层40的磁化方向不变，从而会使第二自由层12和参考层40之间的相对磁化方向改变(由平行态改变为反平行态，或由反平行态改变为平行态)。当施加电压脉冲前，磁存储单元两端的初始阻值为高阻态时，施加电压脉冲之后，会使磁存储单元两端的阻值改变为低阻状态。而当施加电压脉冲前，磁存储单元两端的初始阻值为低阻态时，施加电压脉冲之后，会使磁存储单元两端的阻值改变为高阻状态。通过上述方式，便于驱动第一自由层11和第二自由层12的垂直磁化方向由初始方向，单极性翻转为相反的方向。
需要解释的是，第一耦合层20的耦合强度、以及两个自由层之间的自由层阻尼系数的大小，与脉冲宽度阈值的大小之间存在关联性。具体确定第一耦合层20的耦合强度时，第一耦合层20的耦合强度可以为0.02～0.1erg/cm2，具体的，第一耦合层20的耦合强度可以为0.02erg/cm2、0.04erg/cm2、0.06erg/cm2、0.08erg/cm2、0.1erg/cm2等介于0.02～0.1erg/cm2之间的任意值。另外，还可以使第一耦合层为铁磁耦合，第二耦合层为反铁磁耦合，且第二耦合层22的耦合强度，大于第一耦合层20的耦合强度，即第二耦合层22为强磁耦合，而第一耦合层20为弱磁耦合，使参考层40的垂直磁化方向不受两个自由层的磁化方向影响，而保持恒定不变的垂直磁化方向。其中，第一自由层11、第一耦合层20和第二自由层12组成的自由层阻尼系数可以为0.005～0.05，具体的，第一自由层11、第一耦合层20和第二自由层12组成的自由层阻尼系数可以为0.005、0.010、0.015、0.020、0.025、0.030、0.035、0.040、0.045、0.050等介于0.005～0.05之间的任意值，便于施加电压脉冲的过程中，第一自由层11最终稳定在与初始垂直磁化方向相反的方向，第二自由层12稳定在面内磁化方向。在确定脉冲宽度阈值时，脉冲宽度阈值可以为1～10ns，具体的，脉冲宽度阈值可以为1ns、2ns、3ns、4ns、5ns、6ns、7ns、8ns、9ns、10ns等介于1～10ns之间的任意值，减小施加电压脉冲的时间。
另外，参考图3，还可以在第一自由层11上层叠设置有氧化镁层61，氧化镁层61与第一耦合层20分列在第一自由层11相对的两侧。参考图4，氧化镁层61的材料为氧化镁。氧化镁层61能够增加第一自由层11的垂直磁各向异性，便于第一自由层11在翻转到某个垂直磁化方向之后，能够保持稳定。在增强第一自由层11的垂直磁各向异性的同时，还需要使氧化镁层61的厚度小于势垒层30的厚度，以尽量减小氧化镁层61的电阻，使外部施加电压脉冲时分压较少，从而减小对磁阻变化率的影响。且还需要使势垒层30的厚度较大，增加势垒层30的电阻，使外部施加电压脉冲时分压较多。
应当理解的是，增强第一自由层11的垂直磁各向异性的方式并不限于图3及图4所示出的通过层叠氧化镁层61的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，参考图5及图6，还可以在第一自由层11上层叠设置有重金属层62，重金属层62与第一耦合层20分列在第一自由层11相对的两侧。重金属层62的材料可以为诸如但不限于W等的重金属材料。重金属层62用于增强第一自由层11的垂直磁各向异性。在增强第一自由层11的垂直磁各向异性的同时，还利用重金属层62电阻小的特性，减少对此磁阻变化率的影响。且还能够利用重金属层62不具备电压控制的磁各向异性效应，使重金属层62不影响磁存储单元的单极性切换，不影响器件工作。再者，通过设置重金属层62，还能够提高第一自由层11、第一耦合层20和第二自由层12之间的自由层阻尼系数，便于调控磁存储阵列的整体翻转时间和翻转概率。
另外，参考图3～图6，可以在磁存储单元的两端分别设置底电极80和顶电极70，便于向磁存储单元两端施加电压脉冲，也便于读取磁存储单元两端的电阻状态。具体设置时，可以将底电极80层叠在钉扎层50上，且第二耦合层22和底电极80分列在钉扎层50的两侧。可以将顶电极70层叠在氧化镁层61或重金属层62上，且顶电极70与第一自由层11分列于氧化镁层61后重金属层62的两侧。应当理解的是，顶电极70和底电极80的设置方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。
上述示出的各种实施方式，通过在原来由自由层、势垒层30和参考层40组成的磁性隧道结的基础上，再增加第一耦合层20和第一自由层11，从而通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换，使磁存储单元完成两个逻辑存储装置的切换。与现有技术采用脉冲电流驱动磁存储单元翻转的方式相比，本申请采用脉冲电压驱动磁存储单元翻转，工作时几乎不需要电流脉冲驱动，只要电压发生变化从而在磁存储单元两端施加电压脉冲，至电压脉冲宽度大于脉冲宽度阈值，即可迅速完成磁存储单元的电阻状态切换。即本申请完全基于电压脉冲实现磁存储单元的逻辑存储状态调控，无需电流脉冲驱动，也相应无需较大面积的外部电路进行供电，减少供电电路面积，能够设置更多的磁存储单元，从而具有功耗低、存储密度高的优点，能够作为未来低功耗、高密度的非易失存储器的基本单元。同时在施加足够长时间的电压脉冲之后，磁存储单元的电阻状态能够发生单极性切换，无需精确控制电压脉冲的脉冲宽度，降低脉冲宽度控制难度。
另外，本发明实施例还提供了一种磁存储器件，参考图1，该磁存储器件包括：由多个上述任意一种磁存储单元组成的磁存储阵列、以及脉冲电压产生电路。其中，脉冲电压产生电路用于向磁存储单元两端施加脉冲宽度超过脉冲宽度阈值的电压脉冲，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换。通过在原来由自由层、势垒层30和参考层40组成的磁性隧道结的基础上，再增加第一耦合层20和第一自由层11，从而通过向磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换，使磁存储单元完成两个逻辑存储装置的切换。与现有技术采用脉冲电流驱动磁存储单元翻转的方式相比，本申请采用脉冲电压驱动磁存储单元翻转，工作时几乎不需要电流脉冲驱动，只要电压发生变化从而在磁存储单元两端施加电压脉冲，至电压脉冲宽度大于脉冲宽度阈值，即可迅速完成磁存储单元的电阻状态切换。即本申请完全基于电压脉冲实现磁存储单元的逻辑存储状态调控，无需电流脉冲驱动，也相应无需较大面积的外部电路进行供电，减少供电电路面积，能够设置更多的磁存储单元，从而具有功耗低、存储密度高的优点，能够作为未来低功耗、高密度的非易失存储器的基本单元。同时在施加足够长时间的电压脉冲之后，磁存储单元的电阻状态能够发生单极性切换，无需精确控制电压脉冲的脉冲宽度，降低脉冲宽度控制难度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种磁存储单元，其特征在于，包括：
依次层叠设置的第一自由层、第一耦合层、第二自由层、势垒层和参考层；
其中，所述磁存储单元的逻辑存储状态根据所述磁存储单元两端的电阻状态确定；
且通过向所述磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超过脉冲宽度阈值，使所述磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换。
2.如权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，所述参考层具有垂直磁化方向恒定的垂直磁各向异性，所述第一自由层和第二自由层均具有垂直磁化方向能够翻转的垂直磁各向异性，且所述第二自由层还具有电压控制的磁各向异性效应；
基于所述电压控制的磁各向异性效应，通过向所述磁存储单元两端施加电压脉冲宽度超出所述脉冲宽度阈值，使所述第一自由层和第二自由层的垂直磁化方向发生单极性磁化翻转。
3.如权利要求2所述的磁存储单元，其特征在于，在向所述磁存储单元两端施加电压脉冲时，所述第二自由层基于所述电压控制的磁各向异性效应，从垂直磁各向异性切换为面内磁各向异性，并通过所述第一耦合层带动所述第一自由层的垂直磁化方向发生振荡；
在所述电压脉冲宽度超过所述脉冲宽度阈值之后，所述第一自由层的垂直磁化方向稳定在振荡前垂直磁化方向的反方向，所述第二自由层的磁化方向稳定在面内磁化方向；
在撤去所述电压脉冲后，所述第一自由层通过所述第一耦合层，将所述第二自由层的磁化方向由所述面内磁化方向，翻转为与所述第一自由层的磁化方向相同的垂直磁化方向。
4.如权利要求3所述的磁存储单元，其特征在于，所述第一耦合层的耦合强度为0.02～0.1erg/cm2；
所述第一自由层、第一耦合层和第二自由层组成的自由层阻尼系数为0.005～0.05。
5.如权利要求4所述的磁存储单元，其特征在于，所述脉冲宽度阈值为1～10ns。
6.如权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于，所述势垒层用于给所述第二自由层提供所述电压控制的磁各向异性效应，还用于给所述第二自由层和所述参考层提供隧穿磁阻效应。
7.如权利要求6所述的磁存储单元，其特征在于，所述势垒层的材料为氧化镁。
8.如权利要求6所述的磁存储单元，其特征在于，所述第一自由层上还层叠设置有氧化镁层，所述氧化镁层与所述第一耦合层分列在所述第一自由层相对的两侧；
所述氧化镁层用于增加所述第一自由层的垂直磁各向异性，且所述氧化镁层的厚度小于所述势垒层的厚度。
9.如权利要求6所述的磁存储单元，其特征在于，所述第一自由层上还层叠设置有重金属层，所述重金属层与所述第一耦合层分列在所述第一自由层相对的两侧；
所述重金属层用于增强所述第一自由层的垂直磁各向异性。
10.如权利要求2所述的磁存储单元，其特征在于，还包括：
依次层叠设置在所述参考层上的第二耦合层和钉扎层，所述钉扎层通过所述第二耦合层，将所述参考层钉扎为具有垂直磁化方向恒定的垂直磁各向异性。
11.如权利要求10所述的磁存储单元，其特征在于，所述第一耦合层为铁磁耦合，第二耦合层为反铁磁耦合，第二耦合层的耦合强度大于所述第一耦合层的耦合强度。
12.一种磁存储器件，其特征在于，包括：
由多个如权利要求1～11任一项所述磁存储单元组成的磁存储阵列；
脉冲电压产生电路，用于向所述磁存储单元两端施加脉冲宽度超过脉冲宽度阈值的电压脉冲，使所述磁存储单元两端的电阻状态发生单极性切换。
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