[發明專利]一種多級單元磁存儲結構及其讀寫方法

有效

• 申請號: 201910375368.9
• 申請日: 2019-05-07
• 公開（公告）號: CN110164902B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 徐巖松;王昭昊;吳比;趙巍勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L27/22
• 分類號: H01L27/22;H01L43/08;H01L43/12;G11C11/15
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種多級單元磁存儲結構，其特征在于：所述結構由下到上依次為垂直堆疊的強自旋軌道耦合材料、第一磁隧道結、第二磁隧道結、第三磁隧道結及第一電極，在強自旋軌道耦合材料兩端分別鍍有第二電極和第三電極；

所述第一磁隧道結的底面形狀內含于所述強自選軌道耦合材料的上表面，所述第三磁隧道結的底面形狀內含于所述第二磁隧道結的上表面，第一磁隧道結上表面的形狀、尺寸和第二磁隧道結的底面完全相同；

所述第一磁隧道結的自由層與所述強自旋軌道耦合材料相接觸，可受自旋軌道耦合作用的影響；所述第二、三磁隧道結的自由層、參考層的相對擺放位置與所述第一磁隧道結相同；

所述三個磁隧道結阻值R的大小關系具體滿足：

R_3H+R_2L+R_1L＞R_3L+R_2H+R_1H

其中，腳標的數字1、2、3分別對應第一、二、三磁隧道結，H和L分別對應高、低阻值狀態，即第三磁隧道結處于高阻值、第一磁隧道結和第二磁隧道結處于低阻值時的總阻值，應大于第三磁隧道結處于低阻值、第一磁隧道結和第二磁隧道結處于高阻值時的總阻值。

2.根據權利要求1所述的一種多級單元磁存儲結構，其特征在于：所述強自旋軌道耦合材料具體為重金屬或反鐵磁材料或拓撲絕緣體材料。

3.根據權利要求2所述的一種多級單元磁存儲結構，其特征在于：所述的重金屬為鉑Pt、鉭Ta或鎢W。

4.根據權利要求2所述的一種多級單元磁存儲結構，其特征在于：所述的反鐵磁材料為化合物銥錳IrMn或鉑錳PtMn。

5.根據權利要求2所述的一種多級單元磁存儲結構，其特征在于：所述的拓撲絕緣體材料為化合物鉍硒BiSe或鉍銻BiSb。

6.根據權利要求1所述的一種多級單元磁存儲結構，其特征在于：所述結構中磁隧道結形狀的種類為長方形、圓形或橢圓形，第一、二磁隧道結的形狀的種類相同，第三磁隧道結的形狀與第一、二磁隧道結的形狀的種類可以相同，亦或者不同；所述強自旋軌道耦合材料為長條狀。

7.一種根據權利要求1所述的多級單元磁存儲結構的寫入方法，包括如下步驟：

步驟1、根據待寫入的數據，直接將第一、二、三磁隧道結統一寫成低阻值或高阻值狀態；

步驟2、根據還需改變的數據，對磁隧道結進行相應的寫入操作。

8.一種根據權利要求1所述的多級單元磁存儲結構的寫入方法，包括如下步驟：

步驟1、預先讀取第二磁隧道結的阻值狀態，若與待寫入的數據相比，判定第二磁隧道結的阻值狀態不需要改變，則進入下一步驟；若判定第二磁隧道結的阻值狀態需要改變，則將第一、二、三磁隧道結統一寫成低阻值或高阻值狀態；

步驟2、根據還需改變的數據，對磁隧道結進行相應的寫入操作。

9.根據權利要求7或8所述的一種多級單元磁存儲結構的寫入方法，其特征在于，所述將第一、二、三磁隧道結統一寫成低阻值或高阻值狀態，具體為：

若待寫入的三位數據中間位為邏輯低電平，則將三個磁隧道結寫為低阻值狀態；若待寫入的三位數據中間位為邏輯高電平，則將三個磁隧道結寫為高阻值狀態。

10.根據權利要求7或8所述的一種多級單元磁存儲結構的寫入方法，其特征在于，所述相應的寫入操作包括：不改變任何磁隧道結的阻值狀態、僅改變第一磁隧道結的阻值狀態、僅改變第三磁隧道結的阻值狀態、或同時改變第一磁隧道結和第三磁隧道結的阻值狀態。

11.一種根據權利要求1所述的多級單元磁存儲結構的寫入方法，包括如下步驟：

步驟1、將電流讀取信號施加于存儲結構的三個磁隧道結，獲取所述存儲結構產生的第一數據信號；

步驟2、將自旋軌道耦合電流施加于存儲結構的強自旋軌道耦合材料，獲取所述存儲結構產生的第二數據信號；

步驟3、根據第一數據信號、第二數據信號和外部參考信號之間的大小關系，并行輸出三個磁隧道結的讀取結果；

步驟4、根據第一磁隧道結的讀取結果，撤去自旋軌道耦合電流，并將第一磁隧道結恢復為讀取前的狀態。