[發明專利]磁化翻轉的磁電耦合器件、存儲單元、存儲陣列及存儲器

有效

• 申請號: 202110453269.5
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113206190B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 尉國棟;熊亦昂;林曉陽;柳洋;趙巍勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/06;H01L43/10;H01L27/22
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 單曉雙;董驍毅

本發明提供一種磁化翻轉的磁電耦合器件、存儲單元、存儲陣列及存儲器，包括：壓電材料層，包括壓電耦合系數高于設定閾值的壓電材料；多鐵材料層；以及電極控制模塊，通過第一電場控制所述壓電材料層的電極化翻轉，通過第二電場控制所述多鐵材料層的電極化翻轉。本發明將電壓控制界面交換耦合作用與電壓誘導應力轉移作用相結合，可以實現無外磁場條件下電場控制的非易失、高可重復性、確定性的180°磁化翻轉，可以通過純電學方式實現極低功耗的非易失、高可重復性、確定性180°磁化翻轉。該器件可與多種自旋電子器件相結合，構成磁電巨磁阻器件、磁電自旋軌道耦合邏輯器件等新型自旋電子器件，且大大提高了器件性能。

技術領域

本發明涉及自旋電子學技術領域，更具體的，涉及一種磁化翻轉的磁電耦合器件、存儲單元、存儲陣列及存儲器。

背景技術

隨著晶體管尺寸的不斷降低，CMOS工藝越來越接近其物理極限，摩爾定律逐漸走向終結。為了延續摩爾定律，一種超越CMOS的基于自旋的邏輯器件被提出并引起人們的廣泛關注。與傳統CMOS技術不同，該技術以電子自旋作為狀態變量，將信息按照磁化矢量方向編碼，具有結構簡單、集成密度高、體積小且可持續縮小等優點。

本發明巧妙地利用磁電耦合效應(Magnetoelectric，ME)實現電場對鐵磁材料磁化矢量方向的調控，與自旋軌道轉矩效應(Spin-Orbit Torque，SOT)的電流操控方式相比，電場操控方式幾乎不存在電荷電流，其熱耗散降低了四個數量級以上，可以實現超低功耗運算。磁電耦合效應可以通過不同方式實現，包括電壓誘導應力轉移，電壓控制界面自旋極化電荷密度，電壓控制界面交換耦合作用，和電壓控制界面電化學反應等。其中電壓控制界面交換耦合作用與電壓誘導應力轉移具有功耗低、翻轉速率高、熱穩定性高等優勢，在新型自旋器件(如自旋邏輯器件、電學寫入磁存儲器件等)中最具應用前景。

電壓控制界面交換耦合作用一般在多鐵/鐵磁異質結構中實現，目前常用的多鐵材料為鐵酸鉍(BiFeO₃，BFO)。對異質結構施加垂直電場，會引起多鐵材料中鐵電極化翻轉，進而引起其磁屬性的變化，通過界面交換耦合作用實現對上層鐵磁材料磁化矢量方向的翻轉。電壓誘導應力轉移一般在壓電/鐵磁異質結構中實現，目前常用的壓電材料有PMN-PT、PZT等。施加外電場時由于逆壓電效應產生壓電材料層的結構形變，通過界面應力作用于鐵磁層引起其晶格扭曲，從而改變鐵磁層的磁晶各向異性，最終實現磁化矢量的翻轉。

在實際應用中，為了完成信息的有效控制和讀出，往往要求鐵磁層在電場控制下實現確定性180°磁化翻轉。然而實驗結果表明，基于多疇BFO電極化翻轉的磁化控制可重復性較低，容易出現鐵電疲勞和磁化翻轉失效。單疇BFO的90°電極化翻轉可以有效避免鐵電疲勞，提高調控可重復性，但無法實現180°磁化翻轉。另一方面，電壓誘導應力轉移的調控方法可重復性高，但單純使用該方法也無法實現確定性180°磁化翻轉。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種高性能磁電調控方式，將電壓控制界面交換耦合作用與電壓誘導應力轉移作用相結合，可以實現無外磁場條件下電場控制的非易失、高可重復性、確定性的180°磁化翻轉，為新型自旋器件的開發提供了一種新的方法。

本發明第一方面實施方式提供一種磁化翻轉的磁電耦合器件，包括：

壓電材料層，包括壓電耦合系數高于設定閾值的壓電材料；

多鐵材料層；以及

電極控制模塊，通過第一電場控制所述壓電材料層的電極化翻轉，通過第二電場控制所述多鐵材料層的電極化翻轉。

在優選的實施例中，所述電極控制模塊，包括：

底端電極，設于所述壓電材料層遠離所述多鐵材料層的一側；

導電氧化物層，位于所述壓電材料層和所述多鐵材料層之間；以及

磁性單元，位于所述多鐵材料層遠離所述壓電材料層的一側；