CN117156865A - 一种基于反铁磁磁畴翻转的磁随机存储器及读写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反铁磁磁畴翻转的磁随机存储器，包括反铁磁固定层、铁磁固定层、隔离层、铁磁自由层和反铁磁自由层；反铁磁固定层位于结构的底层，其自旋方向是固定不变；铁磁固定层与反铁磁固定层接触，铁磁固定层的自旋方向与反铁磁固定层相同；隔离层为绝缘层，在测量纵向电流时，利用隧道磁电阻等效应放大纵向电阻；铁磁自由层位于隔离层上方，铁磁自由层的自旋方向在外磁场的作用下自由翻转；反铁磁自由层位于磁铁自由层上方，反铁磁自由层的自旋方向通过铁磁自由层与其的交换耦合作用来进行翻转；所述存储器通过热辅助磁畴翻转，降低所述反铁磁自由层中反铁磁磁畴的翻转势垒，进而降低功耗。
Description
技术领域
本发明涉及存储器技术领域，尤其涉及一种基于反铁磁磁畴翻转的磁随机存储器。
背景技术
随着计算机技术的迅猛发展，对存储器的需求不断增加。传统存储技术面临着面积、功耗和稳定性等方面的挑战。针对这些问题，磁性存储器作为一种非易失性存储器在信息存储领域具有重要地位。磁随机存储器(MRAM)是指以磁电阻性质来存储数据的随机存储器，它采用磁化的方向不同所导致的磁电阻不同来记录0和1，只要外部磁场不改变，磁化的方向就不会变化。不像动态随机存储器(DRAM)为了保持数据需电流不断流动，MRAM不需要刷新的操作。从原理上来看。MRAM的次数近乎无限次，片读取和写入速度接近静态随机存储器(SRAM)。
然而，传统磁性存储器仍然存在一些局限性，首先，它的存储密度相对较小，由于其信息写入是通过写入磁头来完成的，由于磁场的发散性，磁头的写入无法局域在很小的区域，因此存储单元的面积无法做得很小，因此限制了存储密度。其次，它的热稳定性不够高，磁存储器件的热稳定性与其矫顽力呈正相关，由于传统磁性存储器的信息的写入是在无热辅助的室温下完成的，因此无法选择矫顽力较大的材料，因此其热稳定性欠佳。最后，近年来基于自旋转移力矩和自旋轨道力矩的磁存储器，需要利用自旋极化的电流来翻转铁磁层的自旋，所需电流密度很高，约为109A/cm2，功耗很大。本发明的提出旨在改善现有技术的上述不足。
发明内容
本申请实施例通过提供一种基于反铁磁磁畴翻转的磁随机存储器，解决了现有技术中磁存储器存储密度不高、读写功率大的问题，通过热辅助磁畴翻转技术，实现了磁存储器更高的存储密度和更低的功耗。
本申请实施例提供了一种基于反铁磁磁畴翻转的磁随机存储器，包括反铁磁固定层、铁磁固定层、隔离层、铁磁自由层和反铁磁自由层；
反铁磁固定层，反铁磁固定层位于结构的底层，其自旋方向是固定不变的；
铁磁固定层，铁磁固定层与反铁磁固定层接触，铁磁固定层的自旋方向与反铁磁固定层相同；
隔离层，隔离层为绝缘层，在测量纵向电流时，利用隧道磁电阻等效应放大纵向电阻值R0和R1的差别；
铁磁自由层，铁磁自由层位于隔离层上方，铁磁自由层的自旋方向在外磁场的作用下自由翻转；
反铁磁自由层，反铁磁自由层位于磁铁自由层上方，反铁磁自由层的自旋方向通过铁磁自由层与其的交换耦合作用来进行翻转；
所述存储器通过热辅助磁畴翻转，降低所述反铁磁自由层中反铁磁磁畴的翻转势垒。
优选的，所述热辅助磁畴翻转通过施加近场激光实现，利用激光源头部尖端部分曲率半径小于10nm的超微型近场光光源，其光斑直径小于20nm，从而实现局域范围的热辅助效应，从而降低反铁磁磁畴的翻转需要克服的势垒。
优选的，反铁磁自由层作为信息存储的载体，其自旋方向可平行于X轴或Y轴，分别对应信息存储的状态“0”和“1”。
本申请还提出了一种使用上述磁随机存储器的读写方法，其特征在于，包括：
在存储单元区域加一个交变外磁场，交变外磁场的作用下，铁磁自由层中的磁矩发生翻转，同时诱导出交换耦合力矩，带动反铁磁畴的翻转，进而写入信息；
通过测量每个存储单元的纵向电阻，进而读取信息。
优选的，所述写入信息具体包括：
铁磁固定层的自旋方向恒定为X轴方向，在存储单元区域加一个平行于X轴方向的交变外磁场，反铁磁磁畴翻转到X轴方向，实现所述存储单元信息“0”的写入；在存储单元区域加一个平行于Y轴方向的交变外磁场，反铁磁磁畴翻转到Y轴方向，实现所述存储单元信息“1”的写入。
优选的，所述读取信息具体包括：
纵向电阻较小时，存储信号为“0”；纵向电阻较大时，存储信号为“1”。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、由于采用了反铁磁材料，其净磁矩为零，不受外界磁场的直接干扰，使得存储性能更加稳定。
2、采用激光热辅助磁畴翻转技术，可选择矫顽力较大的磁性材料作为存储介质，矫顽力大的材料热稳定性高，因此可提高整个存储器件的稳定性。
3、采用激光热辅助磁畴翻转技术，由于激光的聚焦光斑很小，磁场只作用于光斑热辅助的区域，因此存储单元的面积不受限于磁场区域的大小，实现了更高的存储密度。
4、通过激光热辅助磁畴翻转技术，不需要大功率的自旋极化的限流来翻转磁矩，因此降低了器件的功耗。
附图说明
图1为本申请存储器的纵向结构示意图；
图2为本申请存储器6个存储单元的结构示意图；
图3为本申请存储器的读写方法将“0”写入存储单元的示意图；
图4为本申请存储器将“0”写入的实验数据图；
图5为本申请存储器的读写方法将“1”写入存储单元的示意图；
图6为本申请存储器的读写方法读取存储信息的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本申请提供了一种基于反铁磁磁畴翻转的磁随机存储器，如图1所示，磁随机存储器的一个存储单元，为五层结构，包括反铁磁固定层、铁磁固定层、隔离层、铁磁自由层和反铁磁自由层。
反铁磁固定层，反铁磁固定层位于结构的底层，其自旋方向是固定不变的。本实施例中，自旋方向平行于X轴。
铁磁固定层，铁磁固定层与反铁磁固定层接触，由于钉扎作用，铁磁固定层的自旋方向同样平行于X轴。
隔离层，隔离层绝缘层，该层的作用是在测量纵向电流时，利用隧道磁电阻等效应放大纵向电阻值R0和R1的差别。
铁磁自由层，铁磁自由层位于隔离层上方，铁磁自由层的自旋方向可在外磁场的作用下自由翻转。
反铁磁自由层，反铁磁自由层位于磁铁自由层上方，反铁磁自由层的自旋方向可以通过铁磁自由层与其的交换耦合作用来进行翻转。反铁磁自由层是信息存储的载体，其自旋方向平行于X轴和平行于Y轴是两个不同的态，可分别作为信息存储的“0”和“1”。图2展示了6个存储单元的反铁磁自由层结构，根据自旋方向不同，该区域的存储信息可表示为：010010。
基于此，本申请实施例提供了一种基于反铁磁磁畴翻转的磁随机存储器的读写方法，
写入一个存储单元的过程：
存储器信息的写入是通过铁磁自由层和反铁磁自由层之间的交换耦合来实现的。在交变外磁场的作用下，铁磁自由层中的磁矩发生翻转，同时诱导出交换耦合力矩，带动反铁磁畴的翻转。当交变外磁场方向平行X轴或Y轴时，反铁磁自由层的自旋方向最终平行于X轴或Y轴，形成不同的存储态“0”或者“1”。
如图3所示，在存储单元区域加一个平行于X轴方向的交变外磁场，所述磁场带动该区域反铁磁自由层的自旋进行翻转，反铁磁磁畴翻转到X轴方向，实现所述存储单元信息“0”的写入。
图4为本申请存储器将“0”写入的实验数据图。该实验的反铁磁层为氧化钴，铁磁层为铁，实验温度为120K，测量手段为克尔显微镜。该实验旨在验证该存储器的写入逻辑，并未将其做成小器件。图(a)是实验初始时，反铁磁与铁磁自旋方向平行于Y方向。图(b)-(c)是加了X方向交变磁场后，反铁磁与铁磁自旋方向逐渐转向X方向。N表示交变磁场的翻转次数。如果选取合适的室温反铁磁和铁磁材料，该存储器的自旋方向会在高频交变磁场下迅速翻转。
如图5所示，在存储单元区域加一个平行于Y轴方向的交变外磁场，所述磁场带动该区域反铁磁自由层的自旋进行翻转，反铁磁磁畴翻转到Y轴方向，实现所述存储单元信息“1”的写入。
在室温条件下，铁磁自由层和反铁磁自由层的交换耦合作用较难克服反铁磁磁畴翻转的势垒。在存储单元加以如图所示的近场激光，所述存储单元的反铁磁磁畴的翻转势垒由于热效应而迅速降低，然后反铁磁磁畴迅速翻转，实现存储单元信息的快速写入。本申请采用近场激光热辅助反铁磁磁畴翻转技术，利用局域热效应降低反铁磁磁畴翻转的势垒，实现小区域反铁磁磁畴的翻转，从而减小存储单元的面积，提高存储密度。激光的基本光路如图3和图5所示。
存储器的信息读出的过程：
如图6所示，存储器信息的读出是通过自旋相关散射的效应实现的。通过测量每个存储单元的纵向电阻可以读取存储信息。反铁磁自由层是存储信号的载体，其自旋方向平行X轴为“0”，平行于Y轴为“1”。由于反铁磁的净磁矩为零，其自旋方向很难被探测到，因此需要利用铁磁自由层来进行探测。在没有外磁场的情况下，铁磁自由层的自旋方向由于交换耦合作用与反铁磁自由层保持一致，即当存储信号为“0”时，铁磁自由层的自旋平行于X轴；当存储信号为“1”时，铁磁自由层的自旋平行于Y轴。因此，对于存储信号为“0”和“1”两种状态，铁磁固定层和铁磁自由层的自旋方向平行或者垂直，由于自旋相关散射效应造成不同的纵向电阻值R0和R1，从而可以读出存储单元的两个状态。
由于铁磁固定层的自旋始终平行于X轴，因此，当存储信号为“0”时，隔离层上下的两个铁磁层自旋方向相同，因此通纵向电流时，该器件的电阻较小，为R0；当存储信号为“1”时，隔离层上下的两个铁磁层自旋方向垂直，因此通纵向电流时，该器件的电阻较大，为R1。因此，通过测量纵向电流的大小，就可以读取该存储单元的信息。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种基于反铁磁磁畴翻转的磁随机存储器，包括反铁磁固定层、铁磁固定层、隔离层、铁磁自由层和反铁磁自由层；其特征在于，
反铁磁固定层，反铁磁固定层位于结构的底层，其自旋方向是固定不变的；
铁磁固定层，铁磁固定层与反铁磁固定层接触，铁磁固定层的自旋方向与反铁磁固定层相同；
隔离层，隔离层为绝缘层，在测量纵向电流时，利用隧道磁电阻等效应放大纵向电阻值R0和R1的差别；
铁磁自由层，铁磁自由层位于隔离层上方，铁磁自由层的自旋方向在外磁场的作用下自由翻转；
反铁磁自由层，反铁磁自由层位于磁铁自由层上方，反铁磁自由层的自旋方向通过铁磁自由层与其的交换耦合作用来进行翻转；
所述存储器通过热辅助磁畴翻转，降低所述反铁磁自由层中反铁磁磁畴的翻转势垒。
2.如权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述热辅助磁畴翻转通过施加近场激光实现，利用激光源头部尖端部分曲率半径小于10nm的超微型近场光光源，其光斑直径小于20nm，从而实现局域范围的热辅助效应，从而降低反铁磁磁畴的翻转需要克服的势垒。
3.如权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，反铁磁自由层作为信息存储的载体，其自旋方向可平行于X轴或Y轴，分别对应信息存储的状态“0”和“1”。
4.一种操作如权利1至3任一所述的磁随机存储器的读写方法，其特征在于，包括：
在存储单元区域加一个交变外磁场，交变外磁场的作用下，铁磁自由层中的磁矩发生翻转，同时诱导出交换耦合力矩，带动反铁磁畴的翻转，进而写入信息；
通过测量每个存储单元的纵向电阻，进而读取信息。
5.如权利要求4所述的读写方法，其特征在于，所述写入信息具体包括：
铁磁固定层的自旋方向恒定为X轴方向，在存储单元区域加一个平行于X轴方向的交变外磁场，反铁磁磁畴翻转到X轴方向，实现所述存储单元信息“0”的写入；在存储单元区域加一个平行于Y轴方向的交变外磁场，反铁磁磁畴翻转到Y轴方向，实现所述存储单元信息“1”的写入。
6.如权利要求4所述的读写方法，其特征在于，所述读取信息具体包括：
纵向电阻较小时，存储信号为“0”；纵向电阻较大时，存储信号为“1”。
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