[發(fā)明專利]磁性隧道結(jié)及包括其的磁器件和電子設(shè)備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710093931.4
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106876582B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓秀峰;萬蔡華;張軒
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院物理研究所
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;G11C11/16
• 代理公司: 11497 北京市正見永申律師事務(wù)所
• 代理人: 黃小臨;馮玉清<國際申請>=<國際公布>

本發(fā)明涉及磁性隧道結(jié)和包括其的磁器件。根據(jù)一實(shí)施例，一種磁性隧道結(jié)可包括：參考磁層；位于所述參考磁層上的間隔層；以及位于所述間隔層上的復(fù)合自由磁層，所述復(fù)合自由磁層包括：位于所述間隔層一側(cè)的第一自由磁層；位于所述第一自由磁層上的自旋霍爾效應(yīng)SHE層；以及位于所述SHE層上的第二偏置磁層，其中，所述SHE層誘導(dǎo)所述第一自由磁層和所述第二偏置磁層之間的鐵磁或反鐵磁耦合，所述第一自由磁層和所述第二偏置磁層之一具有面內(nèi)磁各向異性，另一個(gè)具有垂直磁各向異性，并且所述第二偏置磁層的磁各向異性能大于所述第一自由磁層的磁各向異性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及自旋電子學(xué)，更特別地，涉及一種磁性隧道結(jié)，其能夠?qū)崿F(xiàn)純電流驅(qū)動(dòng)，而不需要施加外磁場，本發(fā)明還涉及包括這樣的磁性隧道結(jié)的磁器件，例如磁隨機(jī)存取存儲器和自旋邏輯器件等，以及包括這樣的磁器件的電子設(shè)備。

背景技術(shù)

磁性隧道結(jié)(MTJ)具有廣泛的用途，例如用于磁存儲器、自旋邏輯器件、磁傳感器等，因此是被深入研究的重要磁元件之一。磁性隧道結(jié)一般包括自由磁層、參考磁層以及位于二者之間的隧穿勢壘層，自由磁層的磁矩可以自由翻轉(zhuǎn)，而參考磁層的磁矩被固定。隧穿勢壘層由諸如金屬氧化物之類絕緣材料形成。磁性隧道結(jié)的電阻與自由磁層的磁矩和參考磁層的磁矩之間的夾角θ的余弦值cos(θ)成比例。當(dāng)自由磁層的磁矩與參考磁層的磁矩彼此平行排列時(shí)，磁性隧道結(jié)的電阻最低，處于低電阻態(tài)；當(dāng)自由磁層的磁矩與參考磁層的磁矩反平行排列時(shí)，磁性隧道結(jié)的電阻最高，處于高電阻態(tài)。

如何翻轉(zhuǎn)磁性隧道結(jié)的自由磁層的磁矩一直是磁性隧道結(jié)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題，也是將磁性隧道結(jié)應(yīng)用到磁器件中時(shí)必須解決的一個(gè)問題。第一種方法是通過兩個(gè)正交磁場來翻轉(zhuǎn)自由磁層的磁矩，但是這種方法需要施加大的電流來產(chǎn)生足夠大的磁場，因此功耗很大，而且磁場可能會(huì)影響相鄰器件，引起可靠性問題。第二種方法是利用自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)，通過流經(jīng)磁性隧道結(jié)的自旋電流來進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。但是，該方法也有一定的缺陷。如果自旋電流過大，容易導(dǎo)致磁性隧道結(jié)被擊穿；如果自旋電流太小，則又不足以翻轉(zhuǎn)自由磁層的磁矩。因此，該方法對翻轉(zhuǎn)電流的精度以及磁性隧道結(jié)陣列的均勻性有著非常高的要求，導(dǎo)致其難以實(shí)用。第三種方法則是利用自旋霍爾效應(yīng)(SHE)，其也稱為自旋軌道轉(zhuǎn)矩(SOT)翻轉(zhuǎn)方案。

圖1A、1B和1C示出了S.Fukami等人提出的自旋軌道轉(zhuǎn)矩翻轉(zhuǎn)的三種形式，其亦可見于非專利文獻(xiàn)1：Fukami,S.et al,A spin-orbit torque switching scheme withcollinear magnetic easy axis and current configuration,Nature Nanotech,29,101038(2016)。首先參照圖1A，磁層102形成在自旋霍爾效應(yīng)(SHE)層101上，并且二者彼此直接接觸。SHE層101由能表現(xiàn)出自旋霍爾效應(yīng)的材料，即具有強(qiáng)的自旋軌道耦合的材料例如Pt形成。磁層102可具有垂直磁各向異性，并且向磁層102施加有在電流I的方向上(平行或反平行)的外磁場H。此時(shí)，如果電流I流經(jīng)SHE層101，取決于電流I的方向，磁層102的磁矩M可以在垂直方向上被翻轉(zhuǎn)。參照圖1B，當(dāng)磁層102具有與電流I垂直的面內(nèi)磁各向異性時(shí)，則不需要施加外磁場H，即可通過電流I來翻轉(zhuǎn)磁層102的磁矩M。繼續(xù)參照圖1C，當(dāng)磁層102具有在電流I的方向上(平行或反平行)的磁各向異性，并且向磁層102施加垂直方向上的外磁場H時(shí)，電流I可以翻轉(zhuǎn)磁層102的磁矩M的方向。

對于這些SOT翻轉(zhuǎn)方案，也存在許多缺陷。例如，圖1A和1C的翻轉(zhuǎn)方案仍需要施加外磁場，導(dǎo)致其功耗高，操作復(fù)雜，并且外磁場可能影響相鄰器件，而帶來穩(wěn)定性問題。對于圖1B所示的方案，雖然不需要施加外磁場，但是其翻轉(zhuǎn)速度較低，因此不適應(yīng)于高速操作器件，而且也會(huì)消耗更多的能量來完成翻轉(zhuǎn)。此外，該方案不能應(yīng)用到垂直磁化結(jié)構(gòu)，因此不能實(shí)現(xiàn)更高的磁性隧道結(jié)密度，不利于器件的小型化。上述缺陷也限制了磁性隧道結(jié)在各種電磁元件中的實(shí)際應(yīng)用。

因此，仍需要一種磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，其能夠?qū)崿F(xiàn)操作簡單、穩(wěn)定、并且功耗低的磁矩翻轉(zhuǎn)過程。

發(fā)明內(nèi)容