[發明專利]一種控制反鐵磁層及釘扎層磁疇結構在磁性隧道結中實現多態數據存儲的方法

有效

• 申請號: 201811060648.2
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109243512B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 顏世申;田玉峰;陳延學;鐘海;柏利慧;康仕壽
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;H01L43/08;H01L43/12
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 楊樹云

本發明涉及一種控制反鐵磁層及釘扎層磁疇結構在磁性隧道結中實現多態數據存儲的方法，包括：(1)在較高溫度條件下，零磁場或者對磁性隧道結施加與誘導場同方向的飽和磁場；(2)退火1h；(3)在稍低溫度下繼續退火，對磁性隧道施加與誘導場反方向的磁場；(4)通過逐漸增加退火磁場的方式，將反鐵磁層及與反鐵磁層耦合的釘扎層寫入到不同的磁狀態；(5)讀出不同的磁狀態。本發明具有熱穩定性高、對外界磁場不敏感、存儲密度高的優點，預期在低功耗磁電子存儲器件方面有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種控制反鐵磁層及釘扎層磁疇結構在磁性隧道結中實現多態數據存儲的方法，屬于信息技術的數據存儲領域。

背景技術

飛速發展的現代信息存儲與通信技術，希望未來的電子器件能兼具高密度、低功耗、非易失、高熱穩定性等優異性能，甚至能實現信息存儲、處理與通信三位一體的功能。為了滿足上述需求，研究者寄希望于研制新型自旋電子器件，如自旋場效應晶體管、磁隨機存儲器、自旋記憶電阻器等。其核心是基于新的材料、新的物理效應以及新的器件設計理念，充分利用電子自旋屬性，克服目前微納尺度下因為量子效應以及電荷輸運伴隨的焦耳熱等導致傳統電子器件性能低下的難題。

反鐵磁材料自發現以來便被認為是“有趣但無用”的，因為它凈磁矩為零，具有無雜散磁場、對磁場和溫度不敏感的優點，但難以被外磁場調控。因此，長期以來主要用于交換偏置效應中，在巨磁電阻或隧穿磁電阻器件中起硬磁層的作用。2016年Wadley等人報到電場可調控反鐵磁序，后引發了反鐵磁研究的熱潮(Wadley,P.et al.Science 351,587(2016))，促進了反鐵磁自旋電子學的發展。

目前研究的重心集中在反鐵磁材料的自旋泵浦、自旋軌道耦合、反常霍爾效應以及自旋塞貝克效應等基礎物理效應的研究(Baltz,V.et al.Rev.Mod.Phys.90,015005(2018))，現有磁存儲技術中未考慮有效利用反鐵磁材料性能，在存儲器件應用方面的研究亟待開展。例如，充分利用反鐵磁凈磁矩為零，無雜散場的特點，有望避免目前鐵磁存儲單元因為雜散場的存在，導致相鄰鐵磁存儲單元不能太近的難題，從而進一步提高存儲密度；充分利用反鐵磁對溫度及外磁場不敏感的特性，進一步提高器件的穩定性。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種通過控制反鐵磁層及釘扎層磁疇結構在磁性隧道結中實現多態數據存儲的方法，并且該方法具有熱穩定性高、對外界磁場不敏感、存儲密度高的優點，預期在低功耗磁電子存儲器件方面有廣闊的應用前景。

本發明的原理為：在具有反鐵磁層/鐵磁釘扎層/絕緣層/鐵磁自由層結構的磁性隧道結中，通過在外磁場中退火的方式，改變反鐵磁層和與反鐵磁層直接耦合的鐵磁釘扎層的磁疇結構，改變鐵磁自由層與鐵磁釘扎層磁矩平行與反平行排列的相對占比，進而獲得多個不同的隧穿磁電阻值。通過這種方式，實現在一個物理存儲單元中存儲多個數值。

術語說明：

1、磁性隧道結：在兩個鐵磁層之間夾一層厚度極薄的絕緣層，構成的元件，其核心結構為鐵磁層/絕緣層/鐵磁層。

2、磁電阻：材料與器件的電阻隨外加磁場變化的現象。

3、自由層：磁性隧道結中矯頑力小的磁性層，其磁矩易隨外磁場改變。

4、釘扎層：磁性隧道結中矯頑力大的磁性層，其磁矩通常固定不變。

5、誘導磁場：隧道結制備過程中，為使其中的磁性層磁矩有序排列，而施加的特定方向的磁場。

本發明的技術方案為：

一種控制反鐵磁層及釘扎層磁疇結構在磁性隧道結中實現多態數據存儲的方法，所述磁性隧道結包括反鐵磁層、釘扎層、絕緣層、自由層，所述反鐵磁層、所述釘扎層、所述絕緣層、所述自由層由下自上依次生長，包括步驟如下：