[發明專利]磁性納米結構中基于自旋霍爾扭矩效應的電柵控式三端子電路及裝置

有效

• 申請號: 201380051532.1
• 申請日: 2013-08-06
• 公開（公告）號: CN104704564B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 羅伯特·A·比爾曼;丹尼爾·C·拉爾夫;白奇峰;劉魯喬
• 申請（專利權）人: 康奈爾大學
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司11204
• 代理人: 王達佐,王艷春

優先權要求和相關專利申請

本專利申請要求于2012年8月6日提交的名為“磁性納米結構中自旋霍爾扭矩效應的電柵控式調制”的第61/679,890號美國臨時申請的優先權，該美國臨時申請的全部內容通過引用作為本專利申請公開的一部分并入本文。

技術領域

本專利涉及具有磁性材料或基于電子自旋扭矩效應及其應用的結構的電路及裝置，包括非易失性磁性存儲電路、非易失性磁性邏輯裝置和自旋扭矩激勵式納米體振蕩器。

背景技術

電子和其他帶電粒子將自旋處理為它們內在粒子屬性之一，并且這種自旋與自旋角動量相關聯。電子的自旋具有兩個不同的自旋態。電流中的電子可通過在兩個自旋態中具有相等概率而被去極化。電流中的電子通過使一個自旋態中的電子多于另一自旋態中的電子而被自旋極化。自旋極化電流可通過各種方法(例如，通過使電流通過具有特定磁化的磁性層)操縱自旋數來實現。在各種磁性微觀結構中，自旋極化電流可被引入磁性層中以引起自旋極化電子對磁性層的角矩轉移，并且這種轉移可導致自旋轉移扭矩施加到磁性層中的局部磁矩上以及磁性層中磁矩的旋進。在適當條件下，自旋轉移扭矩可引起磁性層的磁化方向的翻轉或切換。

上述的自旋轉移扭矩(STT)效應可用于包括STT磁性隨機存取存儲(MRAM)電路和裝置的各種應用。例如，如圖1中所示，STT-MRAM電路可包括作為由兩個或更多薄膜鐵磁層或電極形成的磁阻元件的磁性隧道結(MTJ)，其中，磁阻元件通常被稱為具有可被切換或改變的磁矩的自由磁性層(FL)以及磁矩方向被固定的固定磁性層(PL)。當電偏置電壓施加在電極之間時，自由磁性層(FL)和固定磁性層(PL)通過薄到足以允許電子通過量子力學隧穿過渡經過勢壘層的絕緣勢壘層(例如，MgO層)來分離。橫跨MTJ的電阻取決于PL層和FL層的相對磁性取向。FL層的磁矩可在FL中的兩個穩定取向之間切換。橫跨MTJ的電阻在PL層和FL層的兩個相對磁性取向下展現出兩個不同的值，兩個不同的值可用于表示用于二進制數據存儲或者可選地用于二進制邏輯應用的兩個二進制狀態“1”和“0”。該元件的磁阻用于從存儲或邏輯單元讀出該二進制信息。

在各種STT-MRAM和其他電路中，MTJ是兩端子MTJ電路，其中，兩端子MTJ電路引導電流從一個端子通過隧道勢壘至另一個端子。圖1還示出了使兩端子控制電路耦接至MTJ的兩側上的端子的兩端子電路配置。在寫入操作中，兩端子控制電路將選定電流流動方向上的充分大的寫入電流從通過勢壘層的一個端子發送至通過勢壘層的另一個端子，以設置自由層相對于表示期望二進制狀態的基準層的磁性取向。在讀取操作中，兩端子控制電路使用相同的兩個端子通過勢壘層發送小于較大寫入電流的讀取電流，以在PL和FL層的特定相對磁性取向下測量橫跨MTJ的與存儲位相對應的電阻。

發明內容

本申請中公開的技術和裝置提供基于自旋轉移扭矩(STT)效應的三端子磁性電路和裝置，該三端子磁性電路和裝置通過組合自旋極化電子或帶電粒子的注入，通過使用耦接至自由磁性層的自旋霍爾效應金屬層中的充電電流以及將柵電壓施加至自由磁性層，來操縱用于各種應用的自由磁性層的磁化，各種應用包括非易失性存儲功能、邏輯功能等。充電電流經由第一電端子和第二電端子施加到自旋霍爾效應金屬層，而柵電壓施加在第一電端子和第二電端子中的任一個與第三電端子之間。自旋霍爾效應金屬層可與自由磁性層相鄰或與自由磁性層直接接觸，以允許在充電電流下通過自旋霍爾效應生成的自旋極化電流進入自由磁性層中。所公開的三端子磁性電路也可應用于信號振蕩電路和其他應用。

磁性隧道結(MTJ)存儲單元可構建在用于非易失性磁性存儲應用的三端子電路配置中，并且能夠操作成使用自旋霍爾效應金屬層中的充電電流以及對于自由磁性層的柵電壓的組合操作，從而在寫入操作中實現自由磁性層的磁化切換。MTJ存儲單元的讀取可通過橫跨MTJ施加讀取電壓來進行。

三端子電路配置中的磁性隧道結(MTJ)也可用于形成基于自由磁性層中的磁旋進的信號振蕩器，其中，自由磁性層中的磁旋進是由自旋扭矩而引起的，而自旋扭矩是由通過自旋霍爾效應金屬層中的充電電流感應出的自旋極化電流引起的，并且感測電流可橫跨待通過因自由磁性層中的磁旋進而導致的MTJ的電阻振蕩來調制的MTJ施加，由此產生了振蕩信號。所生成的振蕩信號的頻率和振幅可用于控制橫跨MTJ的感測電流。

在附圖、說明書和權利要求書中將對上述和其他特征、以及示例性實現方式和應用進行更加詳細的描述。

附圖說明