[發(fā)明專利]電場驅(qū)動的磁性元件及磁性隨機(jī)存儲器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310204891.8
• 申請日: 2013-05-28
• 公開（公告）號: CN103280234A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾中明;方彬;張寶順
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號: G11C11/15
• 分類號: G11C11/15
• 代理公司: 蘇州慧通知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32239
• 代理人: 丁秀華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明特別涉及一種電場驅(qū)動的磁性元件及磁性隨機(jī)存儲器，屬于磁性隨機(jī)存儲技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

磁性隨機(jī)存儲器(MRAM)由于具有高密度、高速度、低功耗、壽命長和非易失性等優(yōu)點，被認(rèn)為是下一代具有廣泛應(yīng)用的“通用”存儲器。它的核心工作單元是一個“磁性固定層/隔離層/磁性自由層”的三明冶結(jié)構(gòu)疊層的磁性元件。目前流行的MRAM是基于一種名叫“自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)效應(yīng)的技術(shù)，STT技術(shù)是利用電流產(chǎn)生的STT效應(yīng)來改變自由層的磁化方向，從而在存儲單元中產(chǎn)生高、低兩個阻態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取(如圖1A所示)。盡管STT技術(shù)在許多方面優(yōu)于其他存儲技術(shù)，但它基于電流的寫入機(jī)制仍然需要一定的電量，這意味著它在寫入數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生熱量，目前信息寫入所需的電流強(qiáng)度仍然比較高。而且，其存儲容量也受到大的寫入電流強(qiáng)度的限制，從而限制了STT技術(shù)的應(yīng)用范圍。

此外，由于在STT技術(shù)中，隔離層的厚度需要控制在1nm左右，這給工程技術(shù)上帶來巨大的挑戰(zhàn)，同時，由于電流垂直通過存儲單元使得較薄的隔離層(通常為隧穿勢壘層，比如MgO)發(fā)生介電擊穿現(xiàn)象的風(fēng)險提高，進(jìn)而影響器件的壽命。

近年來，人們又提出了一種鐵電氧化層和磁性層的復(fù)合結(jié)構(gòu)(如圖1B所示)，其通過鐵電層與磁性層之間在電場作用下產(chǎn)生的磁電耦合效應(yīng)對磁性自由層的磁化方向進(jìn)行調(diào)制，從而實現(xiàn)電場信息進(jìn)行信息寫入。此外，也有人提出，將磁性元件設(shè)置在電場中，通過增加電場強(qiáng)度并結(jié)合STT技術(shù)來實現(xiàn)信息的寫入(如圖1C-1和圖1C-2所示)。然而以上兩種技術(shù)分別需要增加額外的鐵電氧化物層或設(shè)計特殊的電場產(chǎn)生裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，這給工程技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提出一種電場驅(qū)動的磁性元件，該磁性元件利用磁電效應(yīng)原理，通過在垂直于磁性元件薄膜層方向施加電壓(電場直接施加在頂電極和底電極之間)調(diào)控磁性自由層的磁化方向，從而使其磁電阻發(fā)生變化。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種磁性隨機(jī)存儲器。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種電場驅(qū)動的磁性元件，包括：

底電極層，

形成在底電極層上的第一磁性層，

形成在第一磁性層上的非磁性隔離層，

形成在非磁性隔離層上的第二磁性層，以及

形成在第二磁性層上的保護(hù)層或頂電極層，

其中，所述第一磁性層或第二磁性層的厚度在設(shè)定臨界厚度以下，以使所述第一磁性層或第二磁性層的磁化方向可通過施加在保護(hù)層或頂電極層和底電極層之間并垂直于第一或第二磁性層的電場進(jìn)行切換。進(jìn)一步的講，亦可理解為，第一、二磁性層中有一層系磁性自由層，當(dāng)電場方向垂直于磁性層時，所述磁性自由層的磁化方向在電場的作用下發(fā)生變化，進(jìn)而使得所述磁性元件的磁電阻發(fā)生變化。

作為優(yōu)選的實施方案之一，所述非磁性隔離層可選用包括厚度為1.0nm～6.0nm的非磁性金屬層和/或厚度為0.8nm～3.0nm的隧道絕緣層，且不限于此。

作為優(yōu)選的實施方案之一，所述非磁性隔離層可選用金屬薄膜和/或非金屬薄膜，所述金屬薄膜可選用銅、銀、鉻薄膜中的一種或多種，所述非金屬薄膜可選用氧化物絕緣膜、類金剛石薄膜和石墨烯中的一種或多種，所述氧化物絕緣膜可選用氧化鋁、氧化鎂絕緣膜中的一種或多種，且均不限于此。

作為優(yōu)選的實施方案之一，用于形成所述第一磁性層和第二磁性層的磁性材料可選自過渡族磁性金屬、過渡族磁性金屬合金、稀土過渡合金、稀磁金屬合金、半金屬磁性材料中的一種或多種，但不限于此。

作為優(yōu)選的實施方案之一，所述過渡族磁性金屬可選自鐵、鈷、鎳中的一種或多種，所述過渡族磁性金屬合金可選自含有鐵、鈷、鎳中的任意一種或兩種以上的合金，如，鈷鐵合金、鎳鐵合金、鈷鎳合金、鈷鐵硼合金等。

作為優(yōu)選的實施方案之一，所述稀土過渡金屬合金可選自TbFe、TbFeCo，但不限于此。

作為優(yōu)選的實施方案之一，所述半金屬磁性材料可選自Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃、Heussler合金，但不限于此。

作為優(yōu)選的實施方案之一，所述稀磁金屬合金可選自GaMnAs、GeMn，但不限于此。

作為優(yōu)選的實施方案之一，所述電場驅(qū)動的磁性元件還可包含形成于第一磁性層下方或第二磁性層上方的反鐵磁性材料層，