ES2950093T3 - Celda de memoria no volátil - Google Patents

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Abstract

La celda de memoria no volátil descrita comprende una capa de almacenamiento de un material polarizable eléctricamente aislante en el que se pueden grabar datos como una dirección de polarización eléctrica, preferiblemente de material ferroeléctrico, dispuesta entre una capa frustrada magnéticamente, preferiblemente de material piezomagnético antiperovskita a base de Mn y un electrodo de conducción. La capa frustrada magnéticamente tiene un cambio diferente en la densidad de estados en relación con el electrodo de conducción en respuesta a un cambio en la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento, de modo que una resistencia de túnel de espín o electrón a través de la capa de almacenamiento depende de la dirección de la polarización eléctrica. . (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Celda de memoria no volátil
La presente invención se refiere a una celda de memoria no volátil (NVM) y a un método de lectura de datos de una celda de memoria no volátil.
La presente invención tiene como objetivo llenar el vacío entre la memoria de acceso aleatorio (RAM) de ordenador de alto rendimiento, volátil e ineficiente de energía y los dispositivos de almacenamiento de datos no volátiles de bajo rendimiento y bajo coste, tales como unidades de disco duro (HDD).
En términos de mejorar el rendimiento del almacenamiento de datos, el principal candidato es NAND-Flash, la tecnología dominante en las unidades de estado sólido (SSD), que actualmente es demasiado costosa para reemplazar las HDD y su baja resistencia, rendimiento y eficiencia energética impiden su aplicación como RAM. La tecnología HDD mejorada, tal como la grabación magnética asistida por calor (HAMR), también sufre problemas de bajo rendimiento y fiabilidad. Entre las tecnologías de memoria no volátil en desarrollo, los principales contendientes son la RAM de par de transferencia de espín (STT-RAM, sufre de escalabilidad limitada, requiere densidades de corriente relativamente altas para lograr el cambio entre estados), la RAM ferroeléctrica (FRAM, usa lectura destructiva y sufre de menor resistencia), memoria de cambio de fase (la eficiencia energética de la PCM es baja y depende de materiales tóxicos y costosos), RAM resistiva (RRAM, usa lectura/restablecimiento destructivo y las matrices de memoria pasiva sufren el problema de trayectoria furtiva) y dispositivos multicelda basados en estos principios.
Las tecnologías de memoria emergentes tienen varios inconvenientes en términos de densidad de datos, consumo de energía y fiabilidad (resistencia).
El documento WO 2018/109441 divulga una celda de memoria que comprende una capa de almacenamiento que comprende un material ferromagnético de 20 a 50 nm de espesor en el que los datos se pueden grabar como una dirección de magnetización, una capa piezomagnética compuesta por un material piezomagnético antiperovskita que tiene selectivamente un primer tipo de efecto sobre la capa de almacenamiento y un segundo tipo de efecto sobre la capa de almacenamiento que depende de la tensión en la capa piezomagnética, y una capa inductora de tensión para inducir una tensión en la capa piezomagnética para cambiar así del primer tipo de efecto al segundo tipo de efecto. Esto hace uso de un cambio en la tensión en la capa piezomagnética, que da como resultado un cambio en la interacción con la capa de almacenamiento. Los datos almacenados se leen midiendo la capacitancia de la estructura usando solo dos electrodos y sin flujo de corriente durante la lectura.
El documento US 2016/043307 divulga una unión de túnel multiferroica (MFTJ) formada por dos capas ferromagnéticas (FM) (tal como hierro) que intercalan una capa ferroeléctrica (FE) (tal como (Ba, Sr)TiO3). La electrorresistencia de tunelización (TER), que usa el cambio en la resistencia de tunelización de la capa ferroeléctrica debido al apantallamiento asimétrico de la polarización por cambio de límite en las dos interfaces FM/FE al cambiar la polarización de FE de la capa de FE, se usa para leer los datos almacenados como una polarización eléctrica de la capa de FE.
Lukashev et al., Phys Rev B 84, 134420 (2011), divulga cálculos de primer principio del efecto magnetoeléctrico en uniones ferroeléctricas/piezomagnéticas. Uniones de túnel magnéticas y/o eléctricas de ejemplo basadas en capas de barrera ferroeléctrica se divulgan en:
J. Zhang et al, Physical Review Applied 9 , 044034 (2018);
Y.W. Yin et al, Nature Materials, vol. 12, páginas 397-402 (2013);
M. Gajek et al, Nature Materials, vol. 6, páginas 296-302 (2007); y
A. Quindeau et al, Physical Review B 92, 035130 (2015).
Sumario de la invención
La presente invención proporciona una celda de memoria no volátil (NVM) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una capa de almacenamiento que comprende un material eléctricamente aislante y eléctricamente polarizable en el que los datos se pueden grabar como una dirección de polarización eléctrica, una capa frustrada magnéticamente en un lado de la capa de almacenamiento y un electrodo de conducción en el otro lado de la capa de almacenamiento, en donde la capa de almacenamiento tiene un espesor de 10 nm o menos, y en donde la capa frustrada magnéticamente tiene un cambio de densidad de estados diferente al del electrodo de conducción en respuesta a un cambio en la polarización eléctrica en la capa de almacenamiento, de manera que la resistencia a la tunelización de la capa de almacenamiento entre el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente depende de la dirección de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento.
La capa frustrada magnéticamente tiene un cambio mucho mayor en la densidad de estados debido a un cambio en la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento que una capa frustrada no magnéticamente, tal como los materiales ferromagnéticos utilizados anteriormente tales como hierro, debido a la frustración magnética de la capa. Esto da como resultado una gran diferencia en la resistencia a la formación de túneles con un cambio en la polarización de la capa de almacenamiento. La resistencia a la formación de túneles solo se puede medir debido al espesor relativamente bajo de la capa de almacenamiento. Por lo tanto, se mejora la facilidad y la fiabilidad de la lectura de los datos almacenados en la capa de almacenamiento como una dirección de polarización eléctrica midiendo la resistencia de tunelización de la capa de almacenamiento. La NVM de acuerdo con la presente invención presenta una mayor diferencia de resistencia entre los estados de polarización arriba/abajo que otras uniones de túnel ferroeléctricas o multiferroicas, lo que hace que la NVM tenga un mejor "intervalo dinámico". La NVM de acuerdo con la presente invención muestra un momento magnético neto de cada bit mucho más pequeño que otros MTJ (MRAM) y MFTJ basados en materiales ferromagnéticos, lo que permite empaquetar más cerca los bits sin enlaces cruzados magnéticos mutuos. Además de esto, la gran diferencia en la resistencia de tunelización permite que se utilice una pequeña diferencia de potencial aplicada y la correspondiente corriente de tunelización baja al leer los datos del dispositivo.
La NVM de acuerdo con la presente invención no necesita pasar ninguna corriente para cambiar la polarización de FE de la capa de almacenamiento, con el fin de escribir datos en la capa de almacenamiento. Esta es una ventaja significativa de la presente invención en comparación con STT-MRAM. El campo eléctrico solo es suficiente para escribir datos en la capa de almacenamiento. La corriente de escritura insignificante reduce el uso de energía y la generación de calor al escribir datos, lo cual es una propiedad deseable para las celdas de memoria no volátil. Esta ventaja sobre STT-MRAM la comparte un método de almacenamiento alternativo: FRAM. Sin embargo, a diferencia de FRAM, la lectura de datos de la NVM de acuerdo con la presente invención no es destructiva y el menor volumen del material FE utilizado en la capa de almacenamiento reduce la energía necesaria para la escritura. Las versiones anteriores de MRAM usaban un campo magnético externo para escribir los datos, el uso de un campo eléctrico tanto para escribir como para leer los datos en la capa de almacenamiento es una ventaja adicional de la NVM de acuerdo con la presente invención.
En una realización, la capa de almacenamiento es un material ferroeléctrico. Los materiales ferroeléctricos exhiben estados de polarización estables, lo que mejora la estabilidad y la no volatilidad de los datos almacenados en la capa de almacenamiento.
En una realización, la capa de almacenamiento tiene un espesor de 0,1 nm o más, más preferiblemente de 0,4 nm o más y lo más preferiblemente de 1 nm o más. Esto permite una fabricación más sencilla y una buena estabilidad de la polarización eléctrica.
Un espesor preferible de la capa de almacenamiento es de 5 nm o menos y más preferiblemente de 3 nm o menos. Estos límites reducen la tensión aplicada requerida para accionar una corriente de túnel a través de la capa de almacenamiento, lo que reduce los requisitos de energía para leer los datos de la celda de memoria no volátil.
En una realización, la capa de almacenamiento se compone de un material seleccionado de un grupo que consiste en A'XA"(1-x)B'yB"(1-y)O3 donde A'&A" son uno o más seleccionados de un grupo que comprende Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, La y B'&B" son uno o más seleccionados de un grupo que comprende Ti, Zr, Mo, W, Nb, Sn, Sb, In, Ga, Cr, Mn, Al, Co, Fe, Mg, Ni, Zn, Bi, Hf, Ta. Preferiblemente, la capa de almacenamiento se compone de BaTiO3 , SrTiO3 , (Ba, Sr)TiO3 , Ba(Zr,Ti)O3 , PbTiO3 o Pb(Zr, Ti)O3. Estos materiales son óxidos ferroeléctricos que pueden polarizarse eléctricamente de forma estable por encima de 220 K. La capa de almacenamiento puede ser ZnO dopada con Li y/o Be. El ZnO tiene un registro con una estructura de perovskita en la interfaz, puede polarizarse eléctricamente de manera estable, puede crecer a temperaturas más bajas que los óxidos de perovskita anteriores y, por lo tanto, es adecuado como material para la capa de almacenamiento.
En una realización, la capa de almacenamiento tiene una estructura de perovskita, o una estructura que puede crecer en forma cristalina sobre una capa con estructura de perovskita. Muchas estructuras de perovskita muestran los estados de polarización estables, el aislamiento eléctrico y la estabilidad física necesarios para la capa de almacenamiento de la presente invención.
En una realización, la capa de almacenamiento está compuesta de un material con estructuras relacionadas con la perovskita, tal como Bi4ti3O12. Dichos materiales permiten que la capa de almacenamiento sea resistente en entornos de alta temperatura.
En una realización, el electrodo de conducción es un material paramagnético, ferrimagnético, ferromagnético o antiferromagnético. Estos tipos de materiales exhiben un ordenamiento magnético y reaccionan de manera diferente a un material frustrado magnéticamente en respuesta al cambio en el estado de polarización de la capa de almacenamiento, según lo requiere la presente invención.
En una realización, el electrodo de conducción tiene una estructura antiperovskita. La red antiperovskita es exactamente igual a la de perovskita. La única diferencia es que el oxígeno se reemplaza por algún metal (por ejemplo, Mn) en los sitios del centro de la cara. Muchas estructuras de antiperovskita exhiben las propiedades magnéticas preferibles para la presente invención, al mismo tiempo que exhiben buena estabilidad física y conductividad eléctrica según lo requerido por la celda de memoria no volátil. En combinación con una capa de almacenamiento estructurada de perovskita, esto es particularmente ventajoso, ya que la interfaz entre estructuras similares da como resultado una celda de memoria más fuerte y físicamente más duradera.
En una realización, el electrodo de conducción se compone de un material seleccionado de un grupo que consiste en Mn3FeN, Mn3ZnC, Mn3AlC, Mn3GaC, MmN, Mn4-xNiXN, Mn4-xSnXN, Pt, Au y Al. Se sabe que estos materiales exhiben propiedades ferromagnéticas, ferrimagnéticas o paramagnéticas favorables según se requiere para el electrodo de conducción de la presente invención.
En una realización, la capa frustrada magnéticamente tiene una estructura de antiperovskita. Los materiales de antiperovskita pueden exhibir las propiedades de frustración magnética requeridas por la capa frustrada magnéticamente, mientras exhiben buenas propiedades físicas y conductividad eléctrica. Además de esto, es probable que el uso de una estructura de antiperovskita conduzca a una celda de memoria más fuerte y físicamente más duradera y/o a un bajo desajuste de red si se usa junto con un material de capa de almacenamiento de perovskita.
En una realización, la capa frustrada magnéticamente es un material piezomagnético. Los materiales piezomagnéticos son un ejemplo de materiales que exhiben la frustración magnética requerida por la capa frustrada magnéticamente de la presente invención.
En una realización, la capa frustrada magnéticamente es Mn3GaN o MmNiN, o Mn3GaN o MmNiN basado como Mn3-xAXGa-i-yByN-i-z o Mn3-xAXNh-yByN-i-z, donde A y B son uno o más elementos seleccionados de la lista que incluye: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Dichos materiales exhiben una fuerte frustración magnética. Es preferible Mn3GaN, ya que exhibe la mayor magnetocapacitancia observada.
En otra realización, la capa frustrada magnéticamente es Mn3SnN o Mn3SnN basado como Mn3-xAXsn1-yByN1-z, donde A y B son uno o más elementos seleccionados de la lista que incluye: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Preferiblemente, la capa frustrada magnéticamente es MmSnN con aproximadamente un 10 % de deficiencia de N. La respuesta de los momentos magnéticos a una disminución de la simetría inducida por la polarización de la capa de almacenamiento en la capa adyacente es la más grande. También tiene la temperatura de Neel más alta de alrededor de 475K. En una realización, la capa frustrada magnéticamente es Mn3SnN0,9. Estos materiales exhiben ventajosamente altas temperaturas de Neel (la temperatura por encima de la cual el material se vuelve paramagnético en lugar de antiferromagnético y, por lo tanto, se pierden las propiedades deseadas). Se sabe que estos grupos de materiales exhiben una fuerte frustración magnética, como requiere la capa magnéticamente frustrada de la presente invención.
En una realización, el desajuste de la red entre la capa de almacenamiento y la capa frustrada magnéticamente y/o entre la capa de almacenamiento y el electrodo de conducción es inferior al ±10 %, preferiblemente inferior al ±1 %. La composición química de la capa frustrada magnéticamente y la capa de almacenamiento se puede ajustar para lograr una falta de coincidencia de red tan baja. Un bajo desajuste de red entre las diversas capas tiene la ventaja de minimizar la tensión de red experimentada por las regiones de interfaz de las diversas capas. La reducción de la tensión de la interfaz puede ayudar a aumentar la vida útil mecánica de los componentes de la celda de memoria no volátil.
En una realización, se proporciona un método para leer datos de una celda de memoria no volátil de acuerdo con la reivindicación 16, comprendiendo la celda una capa de almacenamiento en la que los datos se almacenan como una dirección de polarización eléctrica, estando la capa de almacenamiento intercalada entre un electrodo de conducción y una capa frustrada magnéticamente, en la que el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente tienen un cambio de densidad de estados diferente en respuesta a un cambio en la polarización eléctrica en la capa de almacenamiento, comprendiendo el método: medir la resistencia de tunelización entre el electrodo de conducción y el material magnéticamente frustrado, para determinar así una dirección de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento y así leer los datos almacenados en la capa de almacenamiento. La capa frustrada magnéticamente provoca una gran diferencia en la resistencia a la tunelización a través de la capa de almacenamiento cuando se cambia la dirección de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento. Esto es ventajoso porque mejora la precisión de lectura de los datos de la capa de almacenamiento.
En una realización, los datos se leen de la capa de almacenamiento aplicando una diferencia de potencial entre el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente y midiendo la corriente de tunelización. Cuando los estados electrónicos en el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente están alineados favorablemente (en el espacio de momento), una pequeña diferencia de potencial aplicada entre las dos capas puede generar una corriente de efecto túnel a través de la capa de almacenamiento. Cuando los estados electrónicos en el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente no están favorablemente alineados (en el espacio de momento), el gran aumento en la resistencia de tunelización discutido anteriormente significa que una pequeña diferencia de potencial aplicada entre las dos capas puede conducir solo una corriente de tunelización mucho más pequeña a través de la capa de almacenamiento. Por lo tanto, la gran diferencia en la resistencia a la formación de túneles significa que se puede utilizar una pequeña diferencia de potencial para medir con precisión la dirección de polarización de la capa de almacenamiento. Esto es ventajoso porque incluso cuando los estados electrónicos en el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente están alineados favorablemente (en el espacio de momento), la pequeña corriente de efecto túnel que pasa a través de la capa de almacenamiento durante la lectura usa muy poca energía y, por lo tanto, genera muy poco calor.
En una realización, la diferencia de potencial aplicada entre el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente para leer los datos de la capa de almacenamiento es menor que la requerida para cambiar la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento. Esto es ventajoso porque se reduce el riesgo de cambiar inadvertidamente la dirección de polarización de la capa de almacenamiento y, por lo tanto, reescribir los datos almacenados en ella. El uso de una resistencia de tunelización permite una lectura no destructiva, lo que es ventajoso en comparación con FRAM, donde la lectura debe ir seguida de una reescritura, lo que conduce a una mayor fatiga de la celda de memoria.
En una realización, la capa de almacenamiento 10 tiene un orden magnético debido a la proximidad del electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30. La probabilidad de transmisión a través de la capa de almacenamiento 10 depende entonces del estado de polarización de espín de los electrones de tunelización. Esto tiene la ventaja de que aumenta el cambio en la resistencia a la formación de túneles a través de la capa de almacenamiento 10 cuando se cambia la dirección de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10.
A continuación, se describirán realizaciones de la invención a modo de ejemplo únicamente con referencia a los siguientes dibujos y como se ilustra en los mismos:
La figura 1 es una ilustración esquemática de la estructura reticular y magnética de un material piezomagnético de antiperovskita (Mn3NiN);
La figura 2 es un diagrama esquemático en sección transversal de una celda de memoria magnética no volátil según una primera realización;
La figura 3 muestra el efecto de la polarización de la capa de almacenamiento sobre la densidad de estados de la capa frustrada magnéticamente. El eje y muestra la diferencia en la densidad de estados (DOS) en el material frustrado magnéticamente entre un estado de polarización eléctrica de "1" (DOS"1") y "0" (DOS"0") para la capa de almacenamiento. El eje x muestra la energía (E) relativa a la energía de Fermi (Ef). ;
La figura 4 es una ilustración esquemática de un electrodo de conducción, una capa de almacenamiento y una capa frustrada magnéticamente según una realización de la invención, que demuestra un ejemplo de dos estados de polarización estables para la capa de almacenamiento.
La presente invención hace uso de las propiedades de los materiales frustrados magnéticamente con un estado fundamental antiferromagnético no colineal. Una clase de ejemplo de un material que presenta frustración magnética son los materiales piezomagnéticos. En tales materiales hay una interacción antiferromagnética entre los momentos magnéticos de los átomos vecinos más cercanos (Mn en el ejemplo ilustrado de la figura). Debido a la estructura reticular del material, no es posible organizar los momentos de estos átomos de manera que todas las interacciones entre los espines sean antiparalelas. Resulta una disposición por la que el espín total neto es cero. Sin embargo, el orden magnético es inestable con respecto a cualquier ruptura de simetría de la red cúbica. Pertinente a la presente invención, los momentos magnéticos cambian de tamaño tras la aplicación de campos eléctricos aplicados.
La figura 1 ilustra la estructura de un material de antiperovskita a base de Mn (Mn3NiN). Como se ilustra, no es posible organizar las orientaciones de espín atómico (ilustradas por flechas) de los átomos de Mn de modo que todas las interacciones entre los espines de los átomos de Mn sean antiparalelas. Por lo tanto, el sistema se describe como magnéticamente frustrado. El material ocupa un estado en el que el espín neto es cero.
La presente invención hace uso de la propiedad de las frustraciones magnéticas y del efecto sobre la densidad de estados cuando la capa magnéticamente frustrada interactúa con una capa eléctricamente polarizada con la que está en contacto. La figura 2 muestra un diagrama esquemático en sección transversal de una celda de memoria magnética no volátil (NVM) según una primera realización. La celda de NVM comprende una capa de almacenamiento 10 en la que se pueden registrar datos como una dirección de polarización eléctrica.
Generalmente, las direcciones de polarización eléctrica en la capa de almacenamiento 10 son perpendiculares al plano en el que se encuentra la capa de almacenamiento 10, pero este no es necesariamente el caso. La polarización eléctrica se puede inducir aplicando un campo eléctrico a través de la capa de almacenamiento 10. La polarización eléctrica permanece cuando se elimina el campo eléctrico aplicado (la capa de almacenamiento 10 es eléctricamente polarizable de forma estable). Por lo tanto, la capa de almacenamiento 10 puede almacenar al menos un bit de datos, con un "1" o un "0" cada uno correspondiente a una de las dos direcciones de polarización estables, es decir, es una memoria no volátil de dos estados.
La capa de almacenamiento 10 puede estar compuesta por un material ferroeléctrico. Un material ferroeléctrico muestra una polarización eléctrica estable, por lo que los datos se pueden almacenar en la capa de almacenamiento 10 como una dirección de polarización (por ejemplo, una polarización eléctrica hacia arriba o hacia abajo) y los datos se conservarán incluso cuando el campo eléctrico que induce la polarización es remoto.
La capa de almacenamiento 10 es lo suficientemente delgada para exhibir tunelización cuántica cuando se aplica una tensión baja (por ejemplo, aproximadamente 1 mV o menos en el caso de una capa de almacenamiento de 1-10 nm de espesor). La capa de almacenamiento 10 tiene preferentemente un espesor de 0,1 nm o más, más preferentemente de 0,4 nm o más y lo más preferentemente de 1 nm o más. Aumentar el espesor facilita la fabricación y también es preferible que exista una barrera de tunelización de electrones suficientemente grande para evitar que una corriente de tunelización pase a través de la capa de almacenamiento 10 cuando la densidad de estados en el espacio de momento del electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente no están alineados favorablemente. Esto es ventajoso, ya que habrá una mayor diferencia en la resistencia de tunelización en diferentes polarizaciones, lo que facilitará la lectura precisa de los datos de la capa de almacenamiento 10. También es preferible una capa de almacenamiento 10 con un espesor superior a 0,1 nm porque la estabilidad de la polarización de la capa de almacenamiento 10 aumenta con el espesor de la capa. Además, si la capa de almacenamiento 10 es demasiado delgada, la capacidad de la tricapa podría ser tan alta que la carga del dispositivo durante la escritura inhibe el funcionamiento de la NVM.
La capa de almacenamiento 10 tiene un espesor de 10,0 nm o menos, más preferiblemente de 5,0 nm o menos y lo más preferiblemente de 3,0 nm o menos. Cuanto menor sea el espesor de la capa de almacenamiento 10, menor será la diferencia de potencial necesaria para impulsar una corriente de efecto túnel a través de la capa de almacenamiento 10 cuando la densidad de estados en el espacio de momento del electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30 están favorablemente alineadas. Un espesor de capa de almacenamiento 10 demasiado alto da como resultado una corriente de tunelización demasiado baja que puede ser difícil de detectar. Una diferencia de potencial baja reduce el riesgo de que la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10 se altere inadvertidamente al leer los datos, y también reduce el consumo de energía y la producción de calor al leer los datos. Las limitaciones máximas y mínimas de espesor ofrecen una compensación aceptable entre la estabilidad de los datos almacenados (favorecida por una capa de almacenamiento 10 más gruesa) y la minimización de la tensión aplicada requerida para conducir una corriente de efecto túnel a través de la barrera durante la lectura (favorecida por una capa de almacenamiento más delgada 10). El intervalo preferido es de 0,4 nm a 10,0 nm, más preferiblemente de 0,4 a 5,0 nm de espesor.
Se prefieren los óxidos ferroeléctricos como capa de almacenamiento 10, particularmente aquellos con polarización de FE estable por encima de 220 K, preferiblemente hasta 500 K. Por ejemplo, la capa de almacenamiento 10 puede estar compuesta por un material seleccionado de un grupo que consiste en A'XA"(1-x)B'yB"(1-y)O3 donde A'&A" son uno o más seleccionados de un grupo que comprende Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, La y B'&B" son uno o más seleccionados de un grupo que comprende Ti, Zr, Mo, W, Nb, Sn, Sb, In, Ga, Cr, Mn, Al, Co, Fe, Mg, Ni, Zn, Bi, Hf, Ta. Ejemplos particulares son BaTiO3 , (Ba, Sr)TiO3 y PbTiO3. Estructuras relacionadas con perovskita tales como Bi4Ti3O12 también podría usarse. Dichos materiales permiten que la capa de almacenamiento 10 sea resistente en entornos de alta temperatura.
También podría usarse ZnO como capa de almacenamiento 10, aunque no es un material de perovskita porque, no obstante, puede mantener una polarización eléctrica estable cuando se dopa con Li o Be, es decir, es ferroeléctrico.
La capa de almacenamiento 10 puede tener una estructura de perovskita. Esto es particularmente ventajoso si las capas en contacto con la capa de almacenamiento 10 tienen una estructura de perovskita o antiperovskita. Esto es desde el punto de vista de la estructura electrónica entre las capas adyacentes, así como desde el punto de vista de la durabilidad mecánica. Elegir las capas para que todas sean perovskita o antiperovskita es una forma de ayudar a lograr un desajuste de red deseable entre las capas de menos de ±10 % y preferiblemente menos de ±1 %, lo que ayuda a la interacción mecánica cuántica entre las capas, así como a la estabilidad mecánica. ZnO logra una buena cristalinidad a baja temperatura de recocido y por lo tanto es un material preferido para la capa de almacenamiento 10.
Una capa magnéticamente frustrada 30 que está hecha de un material que exhibe la frustración magnética explicada anteriormente se proporciona en un lado de la capa de almacenamiento 10. La capa de almacenamiento 10 y la capa frustrada magnéticamente 30 están en contacto entre sí. La polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10 (por ejemplo, hacia arriba o hacia abajo) da como resultado una orientación de espín diferente en la capa adyacente 30 frustrada magnéticamente, como se ilustra en la figura 4.
La figura 3 ilustra una simulación de cómo cambia la densidad de estados en la capa 30 frustrada magnéticamente en respuesta a un cambio en la dirección de polarización de la capa de almacenamiento 10. La polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10 da como resultado que se aplique un campo eléctrico a la capa adyacente 30 frustrada magnéticamente. Este campo eléctrico da como resultado un cambio significativo en la orientación de los espines magnéticos en la región de la capa magnéticamente frustrada 30 adyacente a la capa de almacenamiento 10. La densidad de estados de la capa frustrada magnéticamente 30 depende en gran medida de la orientación y el tamaño de los momentos magnéticos de la estructura de la capa frustrada magnéticamente 30. Por lo tanto, la dirección de polarización de la capa de almacenamiento 10 cambia significativamente la densidad de estados en la capa magnéticamente frustrada 30 adyacente, como se demuestra en la figura 3. La diferencia en la resistencia a la tunelización es proporcional a la diferencia en la densidad de estados. Se puede ver que Mn3SnM es particularmente favorable para el dispositivo de NVM.
La presente invención hace uso del fenómeno que se muestra en la figura 3 para leer los datos almacenados como una dirección de polarización eléctrica en la capa de almacenamiento 10.
Como se muestra en la figura 2, también se proporciona un electrodo de conducción 20 al otro lado de la capa de almacenamiento 10 a la capa magnéticamente frustrada 30. El electrodo de conducción 20 y la capa de almacenamiento 10 están en contacto entre sí.
El orden magnético de la capa frustrada magnéticamente 30 cambia de manera diferente al orden magnético del electrodo de conducción 20, en respuesta a un cambio en la dirección de polarización eléctrica en la capa de almacenamiento 10. El material del electrodo de conducción 20 no es importante siempre que lo presente correctamente y sea eléctricamente conductor.
El material del electrodo de conducción 20 puede tener un ordenamiento magnético y, por lo tanto, puede ser un material paramagnético, ferrimagnético, ferromagnético o antiferromagnético. El electrodo de conducción 20 puede tener una estructura de perovskita o antiperovskita, siendo la ventaja la misma que la descrita anteriormente en relación con la capa frustrada magnéticamente 30 y la capa de almacenamiento 10.
El electrodo de conducción 20 puede estar compuesto de un material seleccionado de un grupo que consiste en Mn3FeN, Mn3ZnC, Mn3AlC, Mn3GaC, Mn4N, Mn4-xNiX N, Mn4-xsnX N. Todos estos tienen estructuras de antiperovskita con Mn en las mismas posiciones que en la capa frustrada magnéticamente 30, por lo que se puede suponer una buena alineación de los estados electrónicos para una dirección de polarización de la capa de almacenamiento. Otros materiales de ejemplo son Pt, Au y Al.
El electrodo de conducción 20 podría ser de un óxido de perovskita tal como LSMO (manganita de estroncio de lantano).
La capa 30 frustrada magnéticamente puede tener una estructura de antiperovskita. La capa frustrada magnéticamente 30 puede ser un material piezomagnético. La capa frustrada magnéticamente puede ser Mn3GaN o Mn3NiN, o Mn3GaN o Mn3NiN basado como Mn3-xAXGa1-yByN1-z o Mn3-xAX Nh-yByN1-z, donde A y B son uno o más elementos seleccionados de la lista que incluye: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. La capa frustrada magnéticamente puede ser Mn3SnN o MmSnN basado como Mn3-xAXsn1-yByN1-z, donde A y B son uno o más elementos seleccionados de la lista que incluye: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Preferiblemente, la capa frustrada magnéticamente 30 es Mn3SnN1-x, donde 0,01 ≤ x ≤ 0,2, más preferentemente Mn3SnN0,9, que es Mn3SnN con un 10 % de deficiencia de N. La respuesta de los momentos magnéticos a una disminución de la simetría inducida por la polarización de la capa de almacenamiento en la capa adyacente es la más grande. También tiene la temperatura de Neel más alta de alrededor de 475K. Alternativamente, la capa 30 frustrada magnéticamente es preferiblemente Mn3GaN (que exhibe alta magnetocapacitancia) o MmNiN (ampliamente estudiado y de bajo coste).
La figura 4 muestra un ejemplo de una posible disposición de un electrodo de conducción 20, una capa de almacenamiento 10 y una capa magnéticamente frustrada 30. En este caso el electrodo de conducción 20 es MmFeN, la capa de almacenamiento 10 es BaTiO3 , y la capa frustrada magnéticamente es Mn3NiN. Estos tres materiales tienen una estructura de tipo perovskita o antiperovskita, lo que minimiza el desajuste de la red entre las capas. Esto es ventajoso porque el desajuste de la red puede provocar tensión en la región de interfaz entre las capas, lo que a su vez puede provocar fatiga mecánica y agrietamiento durante el uso. Por lo tanto, es preferible que el desajuste de la red entre la capa de almacenamiento 10 y la capa frustrada magnéticamente 30 y/o entre la capa de almacenamiento 10 y el electrodo de conducción 20 sea inferior al ±10 %, preferiblemente inferior al ±1 %.
La figura 4 muestra las dos direcciones de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10 (izquierda y derecha) que corresponden a los dos valores de datos que se pueden almacenar en la capa de almacenamiento 10 (y un estado no polarizado en el medio).
La operación de una realización de la presente invención se describirá ahora con detalle realizaciones de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos.
En la celda de memoria no volátil de la presente invención, los datos se pueden grabar en la capa de almacenamiento 10 como una dirección de polarización eléctrica (hacia arriba o hacia abajo, como se ilustra). Estos datos se escriben en la capa de almacenamiento 10 aplicando un campo eléctrico a la capa de almacenamiento 10 a través de la celda de memoria no volátil. Este campo puede ser aplicado, por ejemplo, por un primer electrodo 40 colocado (en contacto con) en el otro lado del electrodo de conducción 20 de la capa de almacenamiento 10, y un segundo electrodo 50 (en contacto con) colocado en el otro lado de la capa frustrada magnéticamente 30 a la capa de almacenamiento 10. Luego, los datos se escriben en la capa de almacenamiento 10 aplicando una diferencia de potencial entre el primer electrodo 40 y el segundo electrodo 50 de magnitud suficiente para que la polarización eléctrica estable de la capa de almacenamiento 10 esté en la dirección deseada. Para reescribir los datos almacenados en la capa de almacenamiento 10, se aplica una diferencia de potencial en la dirección opuesta de magnitud suficiente para que se invierta la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10.
La polarización de la capa de almacenamiento 10 provoca que exista una diferencia de potencial a través de la capa de almacenamiento 10. Esta diferencia de potencial provoca un campo eléctrico que se extiende unas pocas capas atómicas hacia el electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30. El material del electrodo de conducción 20 y de la capa magnéticamente frustrada 30 se comportan de manera diferente cuando se exponen al campo eléctrico resultante de la polarización de la capa de almacenamiento 10. El campo eléctrico influye en la polarización magnética tanto del electrodo de conducción 20 como de la capa magnéticamente frustrada 30. Sin embargo, la capa frustrada magnéticamente 30 experimentará un cambio mucho mayor en la polarización magnética como resultado del campo eléctrico resultante de la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10.
En una realización, el electrodo de conducción 20 tiene una densidad de estados que relativamente no se ve afectada por la polarización de la capa de almacenamiento 10. La polarización de la capa de almacenamiento 10 influye fuertemente en la densidad de estados en la capa magnéticamente frustrada 30, como se ilustra en la figura 3 y como se describe anteriormente.
Para leer los datos almacenados en la capa de almacenamiento 10, se aplica una diferencia de potencial a través de la capa de almacenamiento 10 de manera similar a cómo se escriben los datos. La magnitud de la diferencia de potencial de lectura es menor que la requerida para cambiar el estado de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10, lo que evita que se sobrescriban los datos.
La diferencia de potencial de lectura aplicada acciona una corriente de túnel entre el electrodo de conducción 20 y la capa frustrada magnéticamente 30, a través de la capa de almacenamiento 10. La resistencia a la formación de túneles depende en gran medida de la polarización magnética de la capa frustrada magnéticamente 30, que a su vez se ve fuertemente afectada por la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10. Si los estados electrónicos en el electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30 están bien alineados en el espacio de momento, la resistencia de tunelización de la capa de almacenamiento 10 es baja y, por lo tanto, una corriente por encima de una magnitud predeterminada fluirá a través de la capa de almacenamiento 10. Sin embargo, si la densidad de estados en el electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30 no están bien alineadas en el espacio de momento, la resistencia a la formación de túneles de la capa de almacenamiento 10 es significativamente mayor y, por lo tanto, la corriente será menor, por ejemplo, por debajo de la magnitud predeterminada. Así, midiendo la corriente de tunelización que pasa a través de la capa de almacenamiento 10, la dirección de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10 puede determinarse determinando si la corriente medida está por encima o por debajo de la magnitud predeterminada.
En una realización, la diferencia de potencial aplicada entre el electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30 para leer los datos de la capa de almacenamiento 10 es menor que la requerida para cambiar la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10. Esto es ventajoso porque se reduce el riesgo de cambiar inadvertidamente la dirección de polarización de la capa de almacenamiento 10 y, por lo tanto, reescribir los datos almacenados en ella. Además de esto, el uso de una diferencia de potencial más pequeña da como resultado una corriente de tunelización más pequeña que pasa a través de la capa de almacenamiento 10 durante la lectura, lo que reduce el uso de energía y el calor generado durante la lectura. El uso de una resistencia de tunelización permite una lectura no destructiva, lo que es ventajoso en comparación con FRAM, donde la lectura debe ir seguida de una reescritura, lo que conduce a una mayor fatiga de la celda de memoria.
En una realización, la capa de almacenamiento 10 tiene un orden magnético debido a la proximidad del electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30. La probabilidad de transmisión a través de la capa de almacenamiento 10 depende entonces del estado de polarización de espín de los electrones de tunelización. Esto tiene la ventaja de que aumenta el cambio en la resistencia a la formación de túneles a través de la capa de almacenamiento 10 cuando se cambia la dirección de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10. Cuando las celdas de NVM individuales se combinan en una matriz, la tasa de error de la matriz es menor cuando el cambio en la resistencia de tunelización de cada una de las celdas de NVM es mayor. Además de esto, el mayor cambio en la resistencia de tunelización con el cambio de la dirección de polarización electrónica de la capa de almacenamiento 10 puede permitir que se utilice una diferencia de potencial menor al leer los datos. Como se discutió anteriormente, usar una diferencia de potencial más pequeña para leer los datos almacenados en la capa de almacenamiento 10 es ventajoso de varias maneras.
La invención utiliza un antiferromagneto frustrado como electrodo sensible a la polarización de FE en una unión de túnel. Los ferroimanes se han utilizado antes en esta situación. Por lo tanto, el mecanismo de lectura es más fiable debido a la mayor dependencia de la resistencia de tunelización en la dirección de polarización de la capa de almacenamiento 10, a saber, el efecto de magnetorresistencia piezomagnética (TMPR) de tunelización debido al uso de un material frustrado magnéticamente en lugar de un imán férrico frustrado magnéticamente. Una ventaja en comparación con MRAM es el momento magnético neto mucho más bajo de la capa activa debido a su ordenamiento antiferromagnético.
TMPR tiene dos contribuciones: (a) la alineación (en el espacio de momento) de los estados electrónicos disponibles en las interfaces entre el electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30 y (b) la probabilidad de transmisión a través de la capa de almacenamiento 10 en función del momento electrónico y el estado de espín.
El electrodo de conducción 20 tiene una densidad de estados en el espacio de momento que es relativamente poco afectada por la polarización de la capa de almacenamiento 10. La polarización de la capa de almacenamiento 10 influye fuertemente en la densidad de estados de la capa frustrada magnéticamente 30. Una baja resistencia a la tunelización ocurre cuando hay una alta densidad correspondiente de estados tanto en el electrodo de conducción 20 como en la capa magnéticamente frustrada 30 para un momento angular de electrones dado, por lo que la resistencia a la tunelización depende en gran medida de la polarización de la capa de almacenamiento 10. Esta es la contribución (a).
La contribución (b) depende del espesor y de la composición de la capa de almacenamiento 10 y también de la alineación de los estados disponibles de la contribución (a). Una vez que los estados electrónicos tanto en el electrodo de conducción 20 como en la capa magnéticamente frustrada 30 están disponibles y bien alineados en el espacio de momento, las propiedades de "filtrado" de la capa de almacenamiento 10 comienzan a desempeñar un papel. En caso de ordenamiento magnético en la capa de almacenamiento 10 inducido por los electrodos magnéticos adyacentes (el electrodo de conducción 20 y la capa frustrada magnéticamente 30) puede haber un efecto de filtrado de espín adicional (los electrones pueden o no pasar la capa de almacenamiento 10 dependiendo de su polarización de espín). Incluso materiales ferroeléctricos tales como BaTiO3 , o SrTiO3 puede desarrollar orden magnético en películas delgadas adyacentes a capas ferromagnéticas o antiferromagnéticas. Esto se puede mejorar si la estructura de perovskita es compartida por la capa de almacenamiento 10 y la capa frustrada magnéticamente 30. Finalmente, la resistencia depende del espesor de la capa de almacenamiento 10, pero el espesor no cambia entre los estados 1/0 por lo que no se usa para lectura. La aplicación de un pequeño campo eléctrico (contribución (b)) da como resultado que los electrones pasen a través de la capa de almacenamiento 10 si la densidad de estados está alineada favorablemente (contribución (a)), lo que permite determinar la dirección de polarización de la capa de almacenamiento 10, y por lo tanto, los datos que se leerán desde el dispositivo. La lectura se logra aplicando una pequeña tensión (o campo eléctrico) y midiendo la corriente a través de la unión (ambas contribuciones son relevantes cuando se aplica el pequeño campo para leer la celda).
La contribución (a) se basa en la "propiedad del estado fundamental" de los materiales (la densidad de los estados electrónicos), mientras que la contribución (b) también tiene en cuenta la "propiedad del estado excitado", es decir, la respuesta del sistema a la tensión aplicada.
Ambas contribuciones dependen de las direcciones de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento 10, por lo que su dirección puede detectarse como un valor distinto de resistencia (por ejemplo, por encima o por debajo de un nivel predeterminado). La corriente de lectura relacionada es mucho más pequeña que la gran corriente requerida para escribir información en NVM magnético estándar, por ejemplo, RAM de torsión de transferencia de espín, por lo que los requisitos de energía y calentamiento de Joule son muy bajos. La capa de almacenamiento 10 puede desarrollar un orden magnético debido a su proximidad a los electrodos ordenados magnéticamente (el electrodo de conducción 20 y la capa frustrada magnéticamente 30). Esto mejorará la contribución (b), pero disminuirá en capas de almacenamiento 10 más gruesas. Por lo tanto, es preferible una capa de almacenamiento 10 con un espesor de entre 0,1 nm y 10 nm. Es más preferible un espesor de la capa de almacenamiento 10 entre 0,4 nm y 10 nm porque un espesor mínimo de 0,4 nm o mayor aumenta la estabilidad de la dirección de polarización de la capa de almacenamiento 10 y, por lo tanto, la estabilidad de los datos almacenados en ella. TPMR puede funcionar incluso usando la contribución (a) solamente. La respuesta piezomagnética de los nitruros de antiperovskita a base de Mn está impulsada por la reducción de la simetría cúbica, pero en la presente invención la tensión se reemplaza por el campo eléctrico local proporcionado por la capa de almacenamiento 10. Solo varias capas atómicas cercanas a la capa de almacenamiento 10 se ven afectadas por este campo, pero eso es suficiente para modificar la resistencia a la tunelización.
El electrodo de conducción 20 y la capa magnéticamente frustrada 30 no se comportan de manera simétrica - están hechos de diferentes materiales o la composición atómica de las interfases es diferente - de lo contrario, la resistencia a la tunelización sería la misma para ambas direcciones de polarización eléctrica.
Debido a la lectura resistiva, la celda de memoria de la presente invención se puede integrar en una matriz 2D estándar (usada en DRAM o STT-RAM) donde cada celda usa un solo transistor de acceso. En comparación con la NVM magnética, los campos dispersos son insignificantes o idénticos en cada celda, lo que permite una alta densidad de empaquetamiento. Debido al almacenamiento de información en la capa de almacenamiento 10, muchas propiedades restantes (tiempos de escritura, tiempos de retención y energía por operación de escritura) son comparables a las de las celdas de memoria ferroeléctricas.
La invención proporciona una nueva solución no volátil fácilmente implementable para aplicaciones de memoria y almacenamiento de datos que supera la tecnología existente en términos de consumo de energía, estabilidad de temperatura, resistencia y velocidad. También funciona a altas temperaturas (por encima de 180 °C) y consume muy poca energía, una combinación lista para futuras aplicaciones como los dispositivos espaciales de IOT.
Las multicapas de este dispositivo se pueden fabricar utilizando cualquier método de deposición de película delgada, optimizado para las capas requeridas. Por ejemplo, se puede utilizar una deposición por láser pulsado (PLD). A continuación, se muestran ejemplos de condiciones de crecimiento para cada película delgada. La NVM descrita en el presente documento se puede fabricar utilizando los métodos, las condiciones y los materiales que se describen en el documento WO 2018/109441.
A continuación, se dan ejemplos no limitativos.
Etapa 1: Selección y limpieza del sustrato.
Cualquier sustrato de óxido adecuado (por ejemplo, MgO, SrTiO3 , Nb:SrTiO3 , (LaAlO3)0,3(Sr.2TaAlO6)0,7) o Si se puede utilizar como sustrato. El sustrato se limpia con un procedimiento estándar de limpieza con disolvente antes del crecimiento. El procedimiento estándar de limpieza con solvente que puede ser una limpieza de tres minutos en un baño ultrasónico con acetona, luego con isopropanol y finalmente con agua destilada, con un secado por soplado de N2 después de cada etapa de solvente. En una realización, el sustrato puede convertirse en el segundo electrodo 50.
Etapa 2: Crecimiento multicapa (PLD y pulverización de magnetrones).
Las películas delgadas se depositan mediante PLD utilizando un láser excimer KrF (A = 248 nm). Los objetivos estequiométricos monofásicos de SrRuO3 , Nb:SrTiO3 , BaTiO3 , Bax Sr1-xTiO3 , BaZrx ti1-xO3 , Mn3SnN y Mn3GaN respectivamente, son ablacionados por un láser con fluencia de 0,8 J/cm2 a 10 Hz.
Capa 1 - Segundo electrodo 50 - Una película delgada de 100 nm de SrRuO3 se cultiva a 700 °C - 780 °C bajo una presión parcial de O2 de 6,7 - 40 Pa (50 - 300 mTorr). Después de la deposición, la película crecida se recuece posteriormente in situ durante 20 minutos a la temperatura de crecimiento bajo una presión parcial de O2 de 80 kPa (600 Torr). A continuación, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min bajo una presión parcial de O2 de 80 kPa (600 Torr). Alternativamente, se puede hacer uso de una película delgada de Nb:SrTiO3 de 100 nm, cultivada a 700 ° C bajo una presión parcial de O2 de 0 - 8 Pa (0 - 60 mTorr). Después del crecimiento, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min bajo una atmósfera de O2 a una presión parcial de 80 kPa (600 Torr).
Capa 2 - Una capa magnéticamente frustrada 30 de Mn3XN, donde X es cualquier elemento adecuado, por ejemplo, una película delgada de 100 nm de MmSnN - se cultiva a 300 °C - 550 °C bajo una atmósfera de N2 a una presión parcial de 0 - 1,6 Pa (0 - 12 mTorr). Después del crecimiento, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min bajo una presión parcial de N2 de 0 - 1,6 Pa (0 - 12 mTorr). Alternativamente, se puede hacer uso de una película delgada de 100 nm Mn3GaN cultivada a 300 °C - 550 °C bajo una presión parcial de N2 de 0 - L6 Pa (0 -12 mTorr). Después del crecimiento, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min bajo la presión parcial de N2 de 0 - 1,6 Pa (0 - 12 mTorr).
Capa 3: material eléctricamente polarizable de la capa de almacenamiento 10 - Una película delgada de 0,1-10 nm de BaTiO3 (BaxSr1-xTiO3 or BaZrxTi1-xO3) se cultiva una película delgada a 750 °C - 800 °C bajo una presión parcial de O2 de 20 - 40 Pa (150-300 mTorr). Después del crecimiento, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min bajo una atmósfera de O2 a una presión parcial de 80 kPa (600 Torr).
Capa 4: un electrodo de conducción 20 - 100 nm de un metal (por ejemplo, Pt, Au) o una película delgada de perovskita conductora (por ejemplo, SrRuO3 , Nb:SrTiO3) puede usarse. Por ejemplo, se cultiva una película delgada de Pt de 100 nm mediante pulverización catódica con magnetrón de CC. La muestra se calienta a 800 °C en vacío ultra alto y se templa durante 1 hora. La película delgada de Pt se deposita a una potencia de 100 W CC. Después del crecimiento, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min al vacío. Alternativamente, una película delgada de 100 nm de SrRuO3 se cultiva a 700 °C - 780 °C bajo una presión parcial de O2 de 6,7 - 40 Pa (50 - 300 mTorr). Después de la deposición, la película crecida se recuece posteriormente in situ durante 20 minutos a la temperatura de crecimiento bajo una presión parcial de O2 de 80 kPa (600 Torr). A continuación, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min bajo la presión parcial de O2 de 80 kPa (600 Torr). Como otra alternativa, una película delgada de 100 nm de Nb:SrTiO3 se cultiva a 700 °C bajo una presión parcial de O2 de 0 - 8 Pa (0 - 60 mTorr). Después del crecimiento, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min bajo una atmósfera de O2 a una presión parcial de 80 kPa (600 Torr).
Capa 5 - Se puede usar un primer electrodo de 40 - 100 nm de una película delgada de metal (por ejemplo, Pt, Au, Al). Por ejemplo, se cultiva una película delgada de Pt de 100 nm mediante pulverización catódica con magnetrón de CC. La muestra se calienta a 800 °C en vacío ultra alto y se templa durante 1 hora. La película delgada de Pt se deposita a una potencia de 100 W CC. Después del crecimiento, la muestra se enfría a temperatura ambiente a 10 °C/min al vacío.
Etapa 3: Fotolitografía.
Se ha implementado un proceso de fotolitografía estándar para aplicar un patrón de matriz. Para dispositivos 2D, todas las capas se pueden depositar y luego modelar.
Etapa 4: Grabado.
Se implementa un proceso estándar de molienda de iones de argón para eliminar material y transferir el patrón de la fotolitografía a la muestra, o cualquier otra técnica de grabado químico o físico adecuada.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Una celda de memoria no volátil que comprende:
una capa de almacenamiento (10) que comprende un material eléctricamente aislante y eléctricamente polarizable en el que los datos pueden grabarse como una dirección de polarización eléctrica;
una capa frustrada magnéticamente (30) en un lado de la capa de almacenamiento y un electrodo de conducción (20) en el otro lado de la capa de almacenamiento;
en donde la capa de almacenamiento tiene un espesor de 10 nm o menos; y
en donde la capa frustrada magnéticamente tiene un cambio de densidad de estados diferente al del electrodo de conducción en respuesta a un cambio en la polarización eléctrica en la capa de almacenamiento, de modo que la resistencia a la tunelización de la capa de almacenamiento entre el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente depende de la dirección de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento.
2. Una celda de memoria no volátil según la reivindicación 1, en donde la capa de almacenamiento es un material ferroeléctrico.
3. Una celda de memoria no volátil según las reivindicaciones 1 o 2, en donde la capa de almacenamiento tiene un espesor de 0,1 nm o más, preferiblemente 0,4 nm o más, y más preferiblemente 1 nm o más.
4. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la capa de almacenamiento tiene un espesor de 5 nm o menos, y más preferiblemente de 3 nm o menos.
5. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la capa de almacenamiento se compone de un material seleccionado de un grupo que consiste en A'XA"(1-X)B'yB"(1-y)O3 donde A' y A" son uno o más seleccionados de un grupo que comprende Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, La y B' y B" son uno o más seleccionados de un grupo que comprende Ti, Zr, Mo, W, Nb, Sn, Sb, In, Ga, Cr, Mn, Al, Co, Fe, Mg, Ni, Zn, Bi, Hf, Ta o ZnO dopado con Li o Be.
6. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la capa de almacenamiento tiene una estructura de perovskita o una estructura que puede crecer en forma cristalina sobre una capa con estructura de perovskita.
7. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la capa de almacenamiento está compuesta de un material con una estructura relacionada con la perovskita, tal como Bi4Ti3O12.
8. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el electrodo de conducción es un material paramagnético, ferrimagnético, ferromagnético o antiferromagnético.
9. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el electrodo de conducción tiene una estructura de antiperovskita.
10. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el electrodo de conducción está compuesto de un material seleccionado de un grupo que consiste en Mn3FcN, Mn3ZnC, Mn3AlC, Mn3GaC, MmN, Mn4-xNiXN, Mn4-xsnXN, Pt, Au y Al.
11. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la capa frustrada magnéticamente tiene una estructura de antiperovskita.
12. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la capa frustrada magnéticamente es un material piezomagnético.
13. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde la capa frustrada magnéticamente está basada en Mn3GaN o Mn3NiN, o Mn3GaN o Mn3NiN, tal como Mn3-xAXGa1-yByN1-z o Mn3-xAXNi1-yByN1-z, donde A y B son uno o más elementos seleccionados de la lista que incluye: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn.
14. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en la que la capa frustrada magnéticamente está basada en Mn3SnN o MmSnN, tal como Mn3-xAXsn1-yByN1-z, donde A y B son uno o más elementos seleccionados de la lista que incluye: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn.
15. Una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en la que un desajuste de red entre la capa de almacenamiento y la capa frustrada magnéticamente y/o entre la capa de almacenamiento y el electrodo de conducción es inferior al ±10 %, preferentemente inferior al ± 1 %.
16. Un método de lectura de datos de una celda de memoria no volátil que comprende una capa de almacenamiento (10) en la que los datos se almacenan como una dirección de polarización eléctrica, teniendo la capa de almacenamiento un espesor de 10 nm o menos y está intercalada entre un electrodo de conducción ( 20) y una capa frustrada magnéticamente (30),
en donde el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente tienen un cambio diferente en la densidad de estados en respuesta a un cambio en la polarización eléctrica en la capa de almacenamiento, comprendiendo el método:
medir la resistencia de tunelización entre el electrodo de conducción y el material frustrado magnéticamente, para determinar así una dirección de polarización eléctrica de la capa de almacenamiento y así leer los datos almacenados en la capa de almacenamiento.
17. El método de la reivindicación 16, en donde medir la resistencia a la tunelización comprende aplicar una diferencia de potencial entre el electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente y medir la corriente.
18. El método de la reivindicación 17, en donde la diferencia de potencial es menor que la requerida para cambiar la polarización eléctrica de la capa de almacenamiento.
19. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, en donde la capa de almacenamiento tiene un orden magnético debido a la proximidad del electrodo de conducción y la capa frustrada magnéticamente.
20. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, en donde la celda de memoria no volátil es una celda de memoria no volátil según cualquiera de las reivindicaciones 1-15.
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