CN1582480A - 不使用外磁场的控制反磁化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制在诸如磁性存储元件这样的控制的铁磁性系统中的反磁化而不使用外磁场的装置，其中在两个平面电极之间有一磁控制部分，该磁控制部分包括：从第一电极开始，第一铁磁性层，非磁性层，第二铁磁性层，和所述两个平面电极的第二电极。所述第二铁磁性层的厚度小于所述第一层的厚度，并且所述第二电极的厚度足够小，使得控制装置能控制所述第二铁磁性层和系统之间的磁性耦合。

Description

不使用外磁场的控制反磁化的装置
技术背景
本发明涉及一种不使用外磁场的控制磁化方向的反转的装置。
美国专利US5,695,864描述了一种具有五个层的电子元件，其中一些层是磁性的，其它层不是，以启动磁性开关，换句话说，写入磁性存储元件。这种电子元件利用了一种现象，该现象使得通过施加电旋转极化电流以引起铁磁性膜的磁化反转成为可能，而不必对磁性元件施加外磁场。
现有技术的描述
象所谓磁性随机存取存储器(MRAM)这样的装置的使用成为局域磁性控制的必要，以执行它们的磁性开关(存储器的写入或重写入)。目前，为了执行这种开关，使用了施加于与磁性元件直接接触的导电叶片(conductive blade)(称为“字线”)的电流所产生的磁场。然而，小型化有成功的可能，这种解决方案不能提供足够强度的磁场以确保开关，因为不论“字线”的大小还是施加到它们之上的电流密度将会太大，并且过大的电流会毁坏这些元件。为了克服这个问题，我们会尝试实施上面提到的美国专利中记载的装置。但是，这样的一种装置会难以制作，尤其是由于消除控制电流这一事实，该电流必须很高，这降低了磁性控制的效率。
发明概要
本发明提出了一种装置，其用于控制反磁化，而不需要使用外磁场。而且，该装置可以小型化(到亚微米尺寸)。它效率高，而且不会有损坏其控制的元件的风险。
为了达到这个目的，本发明是一种用于控制反磁化的装置，其不需要使用外磁场，其中它在两个平面电极之间包括磁性控制部分，该部分包括，从第一电极开始，第一铁磁性层，非磁性层，和第二铁磁性层，和第二电极，所述第二铁磁性层的厚度小于第一层的厚度，所述第二电极的厚度足够小，使所述第二铁磁性层和控制装置控制的系统之间磁性耦合。
附图的简要描述
通过阅读以下两个实施例的详细描述，本发明将会更容易理解，这两个实施例是非限制的且仅作为范例，并参照如下附图：
图1是根据本发明的控制装置的第一实施例的示意性剖面图；
图2是根据本发明的控制装置的第二实施例的示意性剖面图；
图3是根据本发明的与MRAM磁性存储元件相关的控制装置的示意性剖面图。
发明的详细描述
下面参照用于写(或重写)二进位信息的磁性存储元件的控制，描述本发明。然而，本发明当然不限于这种应用，因为它可以通过反转铁磁性装置的磁化方向，用于其它铁磁性装置的磁性控制，例如一套MRAM元件(由一套控制装置控制)，相对于控制装置运动的磁性介质，和其上反转特定磁性点(magnetic point)的装置等等。
图1中示意地显示的控制装置1包括连续形成在诸如硅的基底2上的几层。这些层依次是第一电极3，第一铁磁层4，非磁性传导层5，第二铁磁性层6和电极7。正被控制的装置8与电极7接触(或者以另一种形式，离其非常小的距离)，使得该电极7(和该电极间的可能空气间隙)和装置8的厚度之和小于预定值E，该预定值E与层6和装置8之间的有限距离相对应，超过这个值，控制装置就不能再在装置8中引起磁化反向。
电流源1B提供控制电流Ic，电流Ic大于或等于值Icrit(临界值，超过这个临界值，就会引起装置8的反磁化)。
在一个典型的实施例中，电极3和7由高导电率材料例如Au、Cu或Al制成。电极3的厚度不是关键的，可以是类似装置中的导电电极的典型的值。其在一个实施例中约为1000。电极7的厚度在5和10000之间，这取决于用于与装置8磁性耦合的机制(mechanism)。铁磁性层4由具有良好的铁磁性质的材料制成，例如，Fe，Co，Ni或者这些元素的合金，或者甚至是半金属材料(磁性氧化物，Heussler合金，等等)。在一个实施例中，层4的厚度在几十到几百纳米之间，这取决于其成分。层5是导电的非铁磁性材料，有几纳米厚。层6具有与层4相同的铁磁成分，但是比层4薄。例如，它的厚度是层4的厚度的百分之几十。
以上描述的控制装置按照下述操作。根据以上提到的美国专利，一种公知的用于控制在MRAM存储器中的磁化反转的装置，存在早先提到的缺点。本发明的控制装置，由于其构造，尤其是由于第二电极7的设置，如以下所解释的，使装置8的写入部分(在这种情况下是MRAM存储器)与读取部分的去耦成为可能。
目前有两种原理来解释因旋转极化电流的注入(injection)的磁化反转的现象(换句话说，磁化方向的180°旋转)。第一个是J.Slonczewski在上述美国专利中提出的，其基于与磁矩有关的动力矩守恒原理。这是基于一个三层磁性系统，其包括在两个铁磁性层之间的非铁磁性层。电流从第一铁磁性层注入非铁磁性层产生一旋转极化电流，其可以与磁矩通量S相关。对于高密度电流，通量S所传送的磁矩的横向分量的松弛导致了层6中的磁矩的扭转。在某些例子中(电流超过临界值)，这种扭转可引起第二铁磁性层的磁性反转。
根据第二原理，旋转极化电流的注入在非铁磁性层的界面产生旋转累积效应(spin cumulation effects)。这些效应公知的成为垂直巨磁电阻(GMR)的基础(参见，例如T.Valet和A.Fert在1993年的Phasical Review，B，48，7099中的文章)。由旋转累积引起的磁矩的幅度取决于注入和旋转松弛(回到系统能量最小状态)之间的平衡，还有和两个铁磁性层的磁化有关的取向。我们可以表明，对于足够高的电流密度，系统的最佳的能量状态是这样的，对于该能量状态，第二铁磁性层的磁化被反转，以得到与这两个铁磁性层相关的磁性构造，该磁性构造是在低电流时存在的相反。
无论确切的理论解释是什么，两个重要的结论是：
a)经过三层系统的电流密度，对于第二铁磁性层中的磁化的反转是必要的，其在当前的技术发展水平大约为1011A/m2。这个值与用于普通旋转电子装置中的值相比较是高的，且要求正讨论的系统完全是金属的，并具有亚微米尺寸；
b)当旋转极化电流垂直地注入到这些层的平面时，可得到最好的反转效率。
根据以上描述的本发明的装置满足了这两个条件，并如下操作。铁磁性层4使来自源1B的电流的旋转极化经由电极3，且基本垂直地到达装置1的所述层的平面。这个极化电流穿过铁磁性层6到达电极7(仍然垂直于这些层的平面)，然后返回到源1B。从而确保当电流密度达到上述临界值(约1011A/m2)时层6的磁化的反转。这种反磁化使装置8能被控制。很明显，如果反转电流方向，该过程是可逆的。
图2中的实施例1′包括图1中的装置1的必要成分(element)，它们是以相同的顺序排列的成分2到7，其可以具有与图1中的相同的成分和相同的尺寸。实际上该区别在于在层3和4之间插入反铁磁性层9。例如，该层9是由IrMn，NiMn，PtMn或FeMn制成的，并有几纳米厚。层9使层4中的磁化取向以已知的方式固定，除了层4的参数(成分和/或者厚度)的优化所提供的可能性之外。
在图1、2中的实施例中，选择层5的厚度以使得到达层6的旋转极化电流被优化，并使层4和6之间的所有耦合最小化。当然，为了对反转磁化必要的非常高的电流密度不损坏本发明的控制装置，层4到6的截面(section)必须具有亚微米尺寸，这个截面最好小于0.5um2。
图3显示了图2中的装置，其中控制装置8是MRAM型的磁性存储器的元件8B。该元件8A包括形成在电极7上的几个层，依次为，铁磁性层10，非磁性层11，第二铁磁性层12，反铁磁性层13和电极14。
元件8B用已知的方式制成。就本发明而论，铁磁性层可以具有与图1和2中的控制装置的铁磁性层相同的成分，并且非磁性层11也可以由通常用于利用巨磁电阻(GMR)效应的存储器的金属制成，或者通常用于利用隧道磁致电阻(TMR)效应的存储器的绝缘或者半导体材料制成。由于“保持”层12在一给定的方向的磁化的交换耦合效应，层13(是可选的)有利地使铁磁性层12变得“坚固”。存储器的电阻状态(高或者低，具有这两个状态之间的阻值的大约10％到50％)因此只由铁磁性层10中的磁化取向决定，该铁磁性层10的磁化取向是与“保持”层12中的磁化取向“动态”相关的。为了确定磁存储器8B的状态，我们使用合适的电阻测量装置15测量位于电极7和14或者电极3和14之间的层的电阻，测量装置15连接在这些电极两端。
根据本发明的装置的一个重要特性是存在由非磁性传导材料制成的层构成的电极7。首先，这个层7将控制装置与正被控制装置(8，8A)电分离。第二，它使得能够撤离(evacuation)要求流入磁控制装置的强电流，而没有电流流经正被控制装置(磁性存储元件)。最后，它使得电流能够在控制装置和垂直于这些层的平面的被控制的装置中循环。
在装置8中的要被控制的铁磁性层(在图3中的存储元件的情况下的层10)中的经由电极7由铁磁性层6引起的两个磁性耦合过程使这个层中的磁性取向能够被控制而无需施加外磁场。第一过程是基于经由电极7在层6和层10之间的非直接磁性交换耦合的存在。这个现象已经在多层磁性系统中广泛地研究。公知的是这种交换耦合对于达到100的分离层(在这种情况下是电极7)的厚度保持均匀(even)，并且它的标记(平行或反平行耦合)取决于该分离层的厚度。
第二可能的过程是双极磁性耦合。实际上，这种类型的耦合，其对于几百纳米的距离(在这种情况下是层7的厚度)保持均匀，使层6和10的磁化反平行取向。通过依次注入旋转极化电流到控制装置中的自由层6中的磁化方向的反转引起在“动态”层(存储元件的层10)中的磁化反转。因此可能控制存储元件的磁性状态，并因此“写”入这个存储元件，而不需要施加外磁场。
最后，我们注意到临界电流值，超过该值在层6中产生反磁化，并由此在层10中产生反磁化，该临界电流值达到第一近似值，该第一近似值反比于该层的面积的平方。因此，所控制的存储元件的尺寸越小，本发明的控制装置的效率越高。这与利用磁场进行磁控制的已知装置相反，其本身由电流生成，因为存储元件越小电流密度必须越高。因此，本发明克服了存储元件小型化的障碍。
在本发明的变型中，图中以虚线表示，基底2支持装置8或8B而不支持电极3(如果这个装置相对于形成于其上的控制装置固定)。那么这个基底的附图标记为2’。

Claims (9)

1、一种不使用外磁场控制反磁化的装置，其中在两个平面电极(3、7)之间有一磁控制部分，该部分包括，从第一电极开始，第一铁磁性层(4)，非磁性层(5)，第二铁磁性层(6)，和第二电极(7)，所述第二铁磁性层的厚度小于所述第一层的厚度，所述第二电极(7)的厚度足够小，使得所述第二铁磁性层和控制装置所控制的系统(8，8B)之间磁性耦合。
2、根据权利要求1的控制装置，其中所述第二电极的厚度，其可能包括所述电极与所述控制的铁磁性系统之间的间隙，该间隙在5和大约10000之间。
3、根据权利要求1的控制装置，其中所述第一铁磁性层具有几十到几百纳米的厚度，并且其中所述非磁性层具有几纳米的厚度，所述第二铁磁性层具有小于所述第一铁磁性层的厚度的百分之几十的厚度。
4、根据权利要求1的控制装置，其中其在所述第一铁磁性层和所述第一电极之间包含一反铁磁性层(9)。
5、根据权利要求4的控制装置，其中所述反铁磁性层具有几纳米的厚度。
6、根据权利要求1的控制装置，其中其控制的所述系统是形成在所述第二电极上的磁性存储元件(8B)。
7、根据权利要求6的控制装置，其中所述磁性存储元件包括第一铁磁性层(10)，非磁性层(11)，第二铁磁性层(12)和电极(14)。
8、根据权利要求7的控制装置，其中所述磁性存储元件在其第二铁磁性层(12)和其电极(14)之间包括反铁磁性层(13)。
9、根据权利要求1的控制装置，其中其控制的所述系统(8，8B)相对于所述控制装置运动。
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