[發明專利]磁性多層膜結構、磁存儲器、自旋邏輯器件和電子設備

有效

• 申請號: 201810310401.5
• 申請日: 2018-04-09
• 公開（公告）號: CN108470826B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 韓秀峰;王瀟;萬蔡華
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L43/04
• 分類號: H01L43/04;H01L43/06;H01L43/08;H01L29/66;H01L27/24
• 代理公司: 北京市正見永申律師事務所 11497
• 代理人: 黃小臨;馮玉清

本發明涉及磁性多層膜結構、磁存儲器、自旋邏輯器件和電子設備。根據一實施例，一種磁性多層膜結構包括：參考磁層，其具有固定的磁矩；自由磁層，其具有自由翻轉的磁矩；以及非磁間隔層，其位于所述參考磁層和所述自由磁層之間，其中，所述自由磁層由鐵磁金屬與自旋霍爾效應(SHE)金屬的合金形成，且其中，所述自由磁層配置為接收面內電流以翻轉所述自由磁層的磁矩。所述磁性多層膜結構還包括在自由磁層的與非磁間隔層相反一側的反鐵磁偏置層，或沿與面內電流垂直的方向延伸的電流布線。在該磁性多層膜結構中，可以直接通過向自由磁層施加面內電流來翻轉自由磁層的磁矩，因此大大簡化了結構和翻轉過程。

技術領域

本發明總體上涉及自旋電子學領域，更特別地，涉及一種磁性多層膜結構、包括該磁性多層膜結構的磁器件、以及包括該磁器件的電子設備。

背景技術

磁自旋閥(MSV)和磁隧道結(MTJ)具有類似的磁性多層膜結構，其一般都包括自由磁層、參考磁層、以及位于二者之間的非磁間隔層，其中磁自旋閥的非磁間隔層由導電金屬例如Cu、Ru等形成，磁性隧道結的非磁間隔層由絕緣材料例如MgO、Al₂O₃等形成。參考磁層的磁矩被固定，而自由磁層的磁矩可以自由翻轉。該磁性多層膜結構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。當自由磁層的磁矩與參考磁層的磁矩彼此平行排列時，電阻最低；當自由磁層的磁矩與參考磁層的磁矩反平行排列時，電阻最高。利用這種性質，磁自旋閥和磁隧道結可用于各種磁器件，例如傳感器、存儲器、邏輯器件等。

在存儲器、邏輯器件等應用中，為了翻轉自由磁層的磁矩，傳統方法包括使用彼此交叉的兩個外磁場，這種方法因為能耗很大，并且容易影響相鄰單元的自由磁層，因此并未被實際使用。后來，又發展了許多純電流翻轉或者電流與磁場組合翻轉的方法，包括自旋轉移矩(STT)翻轉方法、自旋霍爾效應(SHE)翻轉方法等。STT翻轉方法需要使用垂直流過隧道結的翻轉電流，電流過小則難以實現翻轉，過大則又可能擊穿隧道結，因此存在陣列均勻性以及電流控制方面的難題。SHE翻轉方法則是利用電流流過諸如Pt 之類的金屬時，由于自旋軌道耦合，在金屬表面出現自旋極化電子的自旋霍爾效應，配合偏置磁場，來翻轉自由磁層的磁矩。在這種方法中，需要制作與自由磁層接觸的SHE金屬層，結構更復雜，而且因為僅靠SHE金屬表面的自旋極化電子來翻轉自由磁層的磁矩，翻轉效率不高，難以翻轉較厚的自由磁層的磁矩。

因此，仍需要一種更簡單的方法和結構，其可以容易地翻轉自由磁層的磁矩。

發明內容

本發明的一個方面在于提供一種磁性多層膜結構，其具有簡單的結構，并且能夠容易地翻轉其中的自由磁層的磁矩。

本發明的另一方面還提供利用該磁性多層膜結構實現的磁存儲器、自旋邏輯器件，以及包括該磁存儲器和/或自旋邏輯器件的電子設備。

根據一示例性實施例，提供一種磁性多層膜結構，包括：參考磁層，其具有固定的磁矩；自由磁層，其具有自由翻轉的磁矩；以及非磁間隔層，其位于所述參考磁層和所述自由磁層之間，其中，所述自由磁層由鐵磁金屬與自旋霍爾效應(SHE)金屬的合金形成，且其中，所述自由磁層配置為接收面內電流以翻轉所述自由磁層的磁矩。

在一些示例中，所述面內電流為沿一面內方向的正向電流或反向電流，以根據所述面內電流的方向來翻轉所述自由磁層的磁矩。

在一些示例中，所述自由磁層由FePt、FePd、CoPt或CoPd形成。

在一些示例中，所述自由磁層形成為L1₀取向，所述參考磁層和所述自由磁層都具有垂直磁矩和垂直各向異性。

在一些示例中，所述磁性多層膜結構還包括：第一反鐵磁偏置層，形成在所述自由磁層的與所述非磁間隔層相反的一側，用于為所述自由磁層提供面內偏置磁場，所述面內偏置磁場的方向與所述面內電流的方向平行或反平行。