[發明專利]一種自旋極化電流發生器及其磁性裝置

有效

• 申請號: 201711261286.9
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN108010549B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 夏鈳;閔泰;郝潤姿;趙京延;王蕾
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;H01L43/08;H01L43/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明公開了一種自旋極化電流發生器及其磁性裝置，所述發生器包括第一導電層、第二導電層以及位于第一導電層和第二導電層之間的反鐵磁層，第一導電層、第二導電層和反鐵磁層構成第一導電層?反鐵磁層?第二導電層層疊結構。該發生器利用反鐵磁材料和金屬材料，形成不對稱層疊結構用以產生自旋極化電流，具有低的電阻率，因而能夠降低能耗。所述磁性裝置包括第一導電層，以及在所述第一導電層上的至少一個由反鐵磁層和第二導電層構成的堆疊結構，所述反鐵磁層與第一導電層相鄰；在相鄰所述堆疊結構的第一導電層上設有磁性結，所述磁性結包括自由磁性層。該裝置能夠減少器件發熱，并提高了器件工作的可靠性和穩定性。

技術領域

本發明涉及具有磁性/反鐵磁材料或結構的電路和器件及其應用，更具體地說，涉及自旋極化電流發生器及其磁性裝置。

背景技術

自旋是電子等粒子的固有性質之一。電子具有兩個不同的自旋態(通常定義為自旋向上和自旋向下)。電流中的電子可以是非自旋極化的，不同自旋狀態的電子具有相等的概率，電流中的電子也可以是自旋極化的，其一個自旋狀態的電子數目大于另一個自旋狀態的電子數目，此類電流稱為自旋極化電流。傳統的自旋極化電流可以通過，例如使電流通過具有特定磁化取向的(第一)磁性層，來實現，然后所述自旋極化電流可以被引導入另一個(第二)磁性層中，引起角動量的轉移，由此激發的自旋轉移矩(spin-transfer torque，稱為STT)對第二磁性層中的局部磁矩產生影響，導致第二磁性層的磁化進動，或者磁化翻轉(磁化取向的切換)。

磁性隧道結(magnetic tunnel junction，稱為MTJ)由兩層磁性金屬(例如鐵，鈷，鎳)和夾在兩磁性金屬層之間的超薄絕緣層(例如氧化鋁，或氧化鎂)組成。如果在兩個磁性金屬層之間施加偏置電壓，由于絕緣層很薄，電子可以通過遂穿效應通過其勢壘。在給定偏壓下，隧道電流/遂穿電阻的大小取決于兩個鐵磁層中磁化的相對取向，這種現象稱為隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance，稱為TMR)，這是自旋依賴的隧穿效應的體現。兩個鐵磁層中磁化的相對取向可以通過施加的磁場來改變。

自旋閥是由兩個或更多個導電磁性材料組成的器件，其電阻可以根據不同層中磁化的相對取向在兩個值(高阻值和低阻值)之間變化。電阻變化是巨磁阻(giantmagnetoresistive，稱為GMR)效應的結果。在最簡單的情況下，自旋閥由兩個鐵磁體和夾在兩個鐵磁體之間的非磁性材料組成，其中一個鐵磁體(稱為第一鐵磁體)由反鐵磁體固定，用于提高第一鐵磁體的磁矯頑力，使其表現為“硬”磁層，而另一個鐵磁體(稱為第二鐵磁體)的磁化取向是可以改變，表現為“軟”磁層。非磁性層把兩個鐵磁層隔開，使得它們中有一個保持磁化取向自由(軟磁性)。由于矯頑力的差異，軟磁層可以在較低的外加磁場強度下改變極性，此時硬磁層磁化保持不變。因此，通過施加適當強度的外加磁場，可以使軟磁層切換其極性，從而自旋閥具有兩個不同的狀態：兩磁性層磁化平行的低電阻狀態和兩磁性層磁化反平行的高電阻狀態。

現今，磁性結(magnetic junction，稱為MJ，包括MTJ和自旋閥)通常用于磁性隨機存取存儲器中。磁性隨機存取存儲器由于具有非易失性，優異的耐久性，高讀/寫速度，低功耗等優點而引起越來越多科研人員的興趣。磁性隨機存取存儲器(magnetic randomaccess memory，稱為MRAM)中的磁阻元件可以是包括兩個或更多個鐵磁性薄膜的磁性結。MJ的電阻取決于固定磁性層和自由磁性層的磁化的相對取向，自由磁性層(free magneticlayer，稱為FL)的磁矩可以在兩個穩定取向之間切換，MJ的電阻在固定磁性層和自由磁性層的兩個相對磁取向情況下呈現兩個值，可用于表示數據存儲的二進制狀態“1”和“0”，并應用于二進制邏輯。可以通過外加磁場改變磁性結的自由層磁化取向，從而得到自由磁性層與固定磁性層磁化平行或反平行時對應的低阻態(“1”)或高阻態(“0”)，進而得到邏輯電路需要的1/0態。但利用電流提供外加磁場需要較大的電流密度，能耗較高，且會限制存儲單元陣列即磁性結陣列的排列密度。