[發(fā)明專利]一種磁性結(jié)構(gòu)和自旋轉(zhuǎn)移矩-磁隨機(jī)存儲(chǔ)器及其寫(xiě)入方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011586913.8
• 申請(qǐng)日: 2020-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112701217A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閔泰;周雪;郭志新;李桃
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L43/08
• 分類(lèi)號(hào): H01L43/08;G11C11/16
• 代理公司: 北京中濟(jì)緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 覃婧嬋

本發(fā)明公開(kāi)了一種鐵電輔助電場(chǎng)調(diào)控人工反鐵磁自由層的磁性結(jié)構(gòu)及自旋轉(zhuǎn)移矩?磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(STT?MRAM)，涉及磁性/鐵磁/鐵電材料或結(jié)構(gòu)的電路和器件及其應(yīng)用領(lǐng)域。磁性結(jié)構(gòu)包括：一個(gè)能產(chǎn)生穩(wěn)定極化電場(chǎng)和電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)的鐵電層和一個(gè)電場(chǎng)調(diào)控的基于人工反鐵磁自由層的磁性隧道結(jié)。其中人工反鐵磁自由層可在鐵電極化電場(chǎng)輔助調(diào)控下實(shí)現(xiàn)反鐵磁耦合與鐵磁耦合的轉(zhuǎn)變，降低了寫(xiě)入電流密度，節(jié)約能耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自旋電子學(xué)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)涉及一種鐵電極化輔助電場(chǎng)調(diào)控人工反鐵磁自由層層間耦合以及使用自旋轉(zhuǎn)移矩進(jìn)行數(shù)據(jù)擦寫(xiě)的自旋轉(zhuǎn)移矩-磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory，STT-MRAM)

背景技術(shù)

磁隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM的核心存儲(chǔ)單元是磁性隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)或自旋閥(Spin Valve)。MTJ由參考層、非磁性間隔層、自由層組成，參考層和自由層一般是鐵磁性材料，非磁性間隔層是絕緣體，又稱為隧穿層，位于參考層和自由層中間，電子主要以隧穿形式通過(guò)MTJ。參考層的磁化方向不變，自由層的磁化方向可以改變。數(shù)據(jù)以磁化狀態(tài)的形式寫(xiě)入MTJ：當(dāng)自由層與參考層的磁化方向平行時(shí)MTJ呈現(xiàn)低阻態(tài)，用于表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的二進(jìn)制狀態(tài)“1”，當(dāng)自由層與參考層的磁化方向反平行時(shí)MTJ呈現(xiàn)高阻態(tài)，用于表示二進(jìn)制狀態(tài)“0”。

自旋轉(zhuǎn)移矩-磁隨機(jī)存儲(chǔ)器STT-MRAM利用自旋轉(zhuǎn)移矩翻轉(zhuǎn)自由層磁化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入，但是其臨界寫(xiě)入電流與寫(xiě)入時(shí)間成反比變化，因此提高寫(xiě)入速度需要增大寫(xiě)入電流，較大的自旋極化電流會(huì)限制存儲(chǔ)單元陣列的排列密度，增加功耗，同時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱也對(duì)器件的穩(wěn)定性有著巨大的破壞作用。

為了解決該問(wèn)題，本發(fā)明提供一種鐵電輔助電場(chǎng)調(diào)控的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器，可以減小寫(xiě)入電流密度，節(jié)約功耗，是本領(lǐng)域研究需要解決的重要技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是解決自旋轉(zhuǎn)移矩-隨機(jī)存儲(chǔ)器消耗更大電量，同時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)器件的穩(wěn)定性潛在破壞作用的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述磁性結(jié)構(gòu)包括一個(gè)電場(chǎng)調(diào)控的基于人工反鐵磁自由層的磁性隧道結(jié)，和一個(gè)能產(chǎn)生極化電場(chǎng)的鐵電層；

所述磁性隧道結(jié)包括：固定層、形成在所述固定層下的間隔層、形成在所述間隔層下的基于人工反鐵磁結(jié)構(gòu)的自由層，所述間隔層位于所述固定層和所述自由層之間。

所述人工反鐵磁自由層包括：形成在所述間隔層下的第二磁性層，形成在所述第二磁性層下的非磁性耦合層，形成在所述非磁性耦合層下的第一磁性層。

所述鐵電層形成在所述自由層人工反鐵磁下，所述鐵電層與人工反鐵自由層之間可以添加絕緣層。

本發(fā)明還提供了一種自旋轉(zhuǎn)移矩-磁隨機(jī)存儲(chǔ)器，其特征在于，

所述自旋轉(zhuǎn)移矩-磁隨機(jī)存儲(chǔ)器包括所述的磁性結(jié)構(gòu)，還包括：

位于所述固定層上方的第一電極；

位于所述第一磁性層與所述鐵電層之間的第二電極；

位于所述鐵電層下方的第三電極；

所述第一電極和第二電極用于施加通過(guò)磁性隧道結(jié)的垂直電流；

所述第三電極用于向所述鐵電層施加電壓脈沖，使鐵電層產(chǎn)生極化電場(chǎng)。

所述鐵電層在外加電場(chǎng)作用下可產(chǎn)生穩(wěn)定的極化電場(chǎng)，輔助調(diào)控基于人工反鐵磁自由層的磁性隧道結(jié)；