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CN109560193B - 基于人工反铁磁固定层的磁性结构及sot-mram - Google Patents

基于人工反铁磁固定层的磁性结构及sot-mram Download PDF

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CN109560193B CN201811271339.XA CN201811271339A CN109560193B CN 109560193 B CN109560193 B CN 109560193B CN 201811271339 A CN201811271339 A CN 201811271339A CN 109560193 B CN109560193 B CN 109560193B
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Abstract

本发明公开了一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构及自旋轨道矩‑随机磁存储器(Spin‑Orbit Torque Magnetic Random Access Memory，SOT‑MRAM)，其包含一个电场调控的基于人工反铁磁装置的固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层；其中基于人工反铁磁装置的固定层可以通过电场调控，实现其反铁磁耦合增强。所述装置可以在电场和电流的共同作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有密度高、功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。

Description

基于人工反铁磁固定层的磁性结构及SOT-MRAM
技术领域
本发明涉及具有磁性/铁磁材料或结构的电路和器件及其应用，更具体地说，涉及一种电场调控的基于人工反铁磁装置的固定层以及使用自旋轨道矩进行数据擦写的自旋轨道矩-磁性随机存储器(Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory,SOT-MRAM)。
背景技术
磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)由两磁性金属层和夹在其间的超薄绝缘层组成。如果在两磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可通过隧穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流/隧穿电阻的大小取决于两铁磁层中磁化的相对取向(平行或反平行，分别对应二进制状态的“1”和“0”。)，这种现象称为隧穿磁阻(Tunneling Magnetoresistance，TMR)。两铁磁层中磁化的相对取向可通过施加磁场来改变。
与传统MRAM相比，SOT-MRAM装置利用电流产生自旋轨道矩(而不是由电流产生的磁场)来切换自由层与固定层磁化的相对取向，继而实现数据写入。同时，器件结构也不易在高电流密度下受到破坏。但这种SOT-MRAM的写入电流密度还是很高，限制了存储单元阵列的排列密度。
因此，提供一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM，即利用电场调控一种人工反铁磁装置用以增强其反铁磁耦合，使其作为磁性隧道结的固定层，结合电流与电压共同作用切换自由层与固定层磁化的相对取向，实现数据写入，能够减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种磁性结构，该磁性结构包含了基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和自旋轨道矩材料层，将该磁性结构用于SOT-MRAM中，从而实现减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗的效果。
本发明目的之二在于提供一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构的自旋轨道矩-磁性随机存储器，该装置利用电场辅助实现数据写入，具有写入响应快的优点。
本发明目的之三在于提供一种读写分离的自旋轨道矩-磁性随机存储器的写入方法，该方法极大程度降低了电流密度对MRAM工作寿命的影响。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明给出了一种磁性结构，包括一个基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层，且磁性隧道结固定层的反铁磁耦合受电场调控，磁化方向垂直指向面外或平行于面内。
优选的，所述磁性隧道结为一个三明治结构，由一个基于人工反铁磁装置的固定层、一个自由层和一个非磁性势垒层构成，其中基于人工反铁磁装置的固定层和自由层为磁性层，磁化方向垂直指向面外或平行于面内，非磁性势垒层位于二者之间；人工反铁磁装置的直径为1nm～100nm，且处于反铁磁态；将其置于外电场中，在0.1V～15V范围内，通过调节外加电场的电压来改变电场强度，使其反铁磁耦合强度增强。
优选的，所述基于人工反铁磁装置的固定层为第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的垂直三明治堆叠结构；所述第一层及第二层铁磁层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
优选的，所述铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；
所述非磁性间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.1nm～10nm。
优选的，所述自由层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种；
或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co；
或由半金属铁磁材料制成，包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；
或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
优选的，所述非磁性势垒层为氧化物、氮化物或氮氧化物，除O、N外，其组成元素选自Mg、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；
或为金属或合金，其组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo或V中的一种或多种；
或选自SiC、C或陶瓷材料。
优选的，所述自旋轨道矩材料层与自由层近邻且与非磁性势垒层相对；所述自旋轨道矩材料层在流经电流时，利用自旋轨道矩使邻近自由层磁矩翻转。
优选的，所述自旋轨道矩材料层由重金属材料制成，选自Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi或Po中的一种或多种；
或由拓扑绝缘体材料制成，选自CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1- xSbx、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、(Bi,Sb)2Te3、Bi2-xSbxTe3-ySey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S,Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7中的一种或多种。
本发明进而给出了一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构的自旋轨道矩-磁性随机存储器，包括一个电场调控的基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结及一个自旋轨道矩材料层构成的磁性结构；
还包括四个电极，第一电极与第二电极分别置于自旋轨道矩材料层两侧，第三电极与第四电极分别置于磁性隧道结固定层外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与自旋轨道矩材料层近邻并与自由层相对；通过调节第三电极与第四电极电势差从而产生电场，所述人工反铁磁装置可以通过电场调控实现固定层反铁磁耦合增强。
或第一电极与第二电极分别置于自旋轨道矩材料层两侧，第三电极与第四电极分别置于磁性隧道结固定层外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与第三电极近邻并与固定层外侧相对；通过调节第一电极或第二电极与第四电极电势差从而产生电场，所述人工反铁磁装置可以通过电场调控实现固定层反铁磁耦合增强。
优选的，所述电极材料为金属或合金材料，选自Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种。
优选的，所述电极材料或为碳系导电材料，选自但不限于石墨、碳纳米管或竹炭。
进一步，本发明给出了一种自旋轨道矩-磁性随机存储器的写入方法，通过向自旋轨道矩材料层单独施加横向电流并利用外加电场实现反铁磁耦合增强来进行写入时，所述横向电流密度大于临界值jc；或通过同时向自旋轨道矩材料层施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流并通过施加外加电场实现反铁磁耦合增强来进行写入时，所述横向电流密度低于临界值jc，其中jc在1×102～1×107A/cm2；
所述横向电流为直流，所述纵向电流为直流或交流；所述外加电场来源于第三电极与第四电极电势差或者来源于第一电极或第二电极与第四电极电势差。
和现有技术相比，本发明的特点是：①写入电流密度更低，磁化翻转临界电流密度大约在1×102～1×107A/cm2，而自旋转移矩-磁性随机存储器磁化翻转临界电流密度大约为1×107A/cm2；②通过电场调控增强人工反铁磁固定层的反铁磁耦合强度，从而通过减小磁性隧道结的厚度来减小器件体积，提高存储单元阵列排列密度，并且写入响应速度快；③读写分离的结构有助于保护磁性结构在反复操作中不易被高电流密度损坏。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1展示出人工合成反铁磁装置通过电压调控时反铁磁耦合强度J的变化情况。
图2展示出一种磁性结构200的示意图，它和本发明的任何其它图示均未按比例画出。
图3(a)和图3(b)都展示出一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM示意图。
图4(a)展示了一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM数据读取示意图；图4(b)展示了在电场和电流共同作用下，基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM写入数据“1”的示意图；图4(c)展示了在写入操作后基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM数据读取示意图。
图5(a)展示了一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM数据读取示意图；图5(b)展示了在电场和电流共同作用下，基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM写入数据“0”的示意图；图5(c)展示了在写入操作后基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM数据读取示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明技术方案做详细说明，以下实施例涉及一种通过电场调控增强人工反铁磁装置反铁磁耦合的磁随机存储器，但不构成对本发明做任何限制的依据。
图1是我们的研究结果，展示的是通过电压调控人工反铁磁装置时反铁磁耦合强度J的变化情况。当铁磁层为[Pt(0.88nm)|Co(0.70nm)]2，界面无序程度为0.5，Ru的厚度为0.66nm时，人工反铁磁装置在初始状态下存在相对较弱的反铁磁耦合，并且可以在外加电场增强至4V时变换为强反铁磁耦合。从图中可以看出，随着电压的增加，反铁磁耦合强度J从初始的-1.9erg/cm2变化到-4erg/cm2，即在电压作用下其反铁磁耦合增强，此时在外加电流作用下固定层不易发生翻转。
图2展示了一种磁性结构200示意图。该磁性结构200包括一个基于人工反铁磁固定层21的磁性隧道结20及一个自旋轨道矩材料层24。
磁性隧道结20为一个三明治结构，由一个基于人工反铁磁装置的固定层21、一个自由层22和和一个非磁性势垒层23构成，其中磁性层为基于人工反铁磁装置的固定层21和自由层22，磁化方向垂直指向面外或平行于面内，此处以都垂直指向面外的情况为例，非磁性势垒层23位于二者之间；
不加电场下，人工反铁磁装置处于反铁磁态，其直径为1nm～100nm。在0.1V～15V范围内，通过调节外加电场的电压来改变电场强度，使其反铁磁耦合强度增强。
自旋轨道矩材料层24与自由层22近邻且与非磁性势垒层23相对，当流经电流时，利用自旋轨道矩翻转邻近自由层磁矩。
在本实施例中，基于人工反铁磁装置的固定层21由合成反铁磁材料制成的“第一层铁磁层11(Pt)-非磁性间隔层13(Ru)-第二层铁磁层12(Co)”三明治结构。
在本实施例中，自由层22由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种。
在本实施例中，自由层22和基于人工反铁磁装置的固定层21都是导电的。
在其他实施例中，自由层22或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co；
或由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；
或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
在本实施例中，非磁性层23是绝缘隧道势垒层，可以为氧化物，氮化物，或氮氧化物，除O、N外，组成元素选自但不限于Mg、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种。
在其他实施例中，非磁性层23是导电层，可以为金属或合金，组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo或V中的一种或多种；
或选自SiC、C或陶瓷材料。
在本实施例中，自旋轨道矩材料层24由重金属材料制成，选自但不限于Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi或Po中的一种或多种。
在其他实施例中，自旋轨道矩材料层24由拓扑绝缘体材料制成，选自但不限于CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1-xSbx、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、(Bi,Sb)2Te3、Bi2-xSbxTe3-ySey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S,Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7中的一种或多种。
图3(a)和图3(b)都展示出一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM示意图。在本实施例中，一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM如图3(a)所示。由磁性结构200、第一电极31、第二电极32、第三电极33、第四电极34和绝缘层所组成的磁性随机存储器，此实施例中描述的是磁性层垂直指向面外的情况。
第一电极31与第二电极32分别与自旋轨道矩材料层24左右两端接触，第三电极33与第四电极34分别与磁性隧道结固定层21上侧、绝缘层下侧接触，其中绝缘层与自旋轨道矩材料层24近邻并与自由层22相对。
通过调节第三电极33与第四电极34电势差从而产生电场，人工反铁磁装置可以通过电场调控实现固定层反铁磁耦合增强。
通过向自旋轨道矩材料层单独施加横向电流并利用外加电场实现反铁磁耦合增强来进行写入时，所述横向电流密度大于临界值jc；或通过同时向自旋轨道矩材料层施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流并通过施加外加电场实现反铁磁耦合增强来进行写入时，所述横向电流密度低于临界值jc，其中jc在1×102～1×107A/cm2；所述横向电流为直流，所述纵向电流为直流或交流，所述外加电场来源于第三电极33与第四电极34电势差或者来源于第一电极31或第二电极32与第四电极34电势差。在另一实施例中，一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM如图3(b)所示。由磁性结构200、第一电极31、第二电极32、第三电极33、第四电极34和绝缘层所组成的磁性随机存储器，此实施例中描述的是磁性层垂直指向面外的情况。
第一电极31与第二电极32分别置于自旋轨道矩材料层24两侧，第三电极33与第四电极34分别置于磁性隧道结固定层21外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与第三电极33近邻并与固定层21外侧相对；通过调节第一电极31或第二电极32与第四电极34电势差从而产生电场，所述人工反铁磁装置可以通过电场调控实现固定层反铁磁耦合增强。
通过向自旋轨道矩材料层单独施加横向电流并利用外加电场实现反铁磁耦合增强来进行写入时，所述横向电流密度大于临界值jc；或通过同时向自旋轨道矩材料层施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流并通过施加外加电场实现反铁磁耦合增强来进行写入时，所述横向电流密度低于临界值jc，其中jc在1×102～1×107A/cm2；所述横向电流为直流，所述纵向电流为直流或交流，所述外加电场来源于第三电极33与第四电极34电势差或者来源于第一电极31或第二电极32与第四电极34电势差。本实施例中，电极材料为金属或合金材料，选自但不限于Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种；
在一些实施例中，电极材料为碳系导电材料，选自但不限于石墨、碳纳米管或竹炭。
图4(a)展示了一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM数据读取过程，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构200从GND流出，此时铁磁层12与自由层22相对磁化方向相反，读出当前数据“0”；图4(b)展示了在电场E调控下，同时向自旋轨道矩材料层24施加横向未临界电流和向磁性隧道结施加纵向辅助电流来实现数据写入时，基于人工反铁磁装置的固定层21在数据写入过程中始终保持反铁磁态，而自由层22的磁矩在横向未临界电流和纵向辅助电流的共同作用下发生翻转，写入数据“1”，其中VDD1、VDD2为高电平，且VDD2>VDD1，GND为低电平，写电流从VDD2流入后经磁性结构从GND和VDD1流出；图4(c)展示了在写入操作后基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM数据读取过程，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构从GND流出，此时磁性隧道结中的铁磁层12与自由层22相对磁化方向相同，读出当前数据“1”。
图5(a)展示了一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM数据读取过程，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构200从GND流出，此时铁磁层12与自由层22相对磁化方向相同，读出当前数据“1”；图5(b)展示了在电场E调控下，同时向自旋轨道矩材料层24施加横向未临界电流和向磁性隧道结施加纵向辅助电流来实现数据写入时，基于人工反铁磁装置的固定层21在数据写入过程中始终保持反铁磁态，而自由层22的磁矩在横向未临界电流和纵向辅助电流的共同作用下发生翻转，写入数据“0”，其中VDD1、VDD2为高电平，且VDD2>VDD1，GND为低电平，写电流从VDD2流入后经磁性结构从GND和VDD1流出；图5(c)展示了在写入操作后基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM数据读取过程，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构从GND流出，此时磁性隧道结中的铁磁层12与自由层22相对磁化方向相反，读出当前数据“0”。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：
包括一个电场调控的基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结及一个自旋轨道矩材料层构成的磁性结构；
还包括四个电极，第一电极与第二电极分别置于自旋轨道矩材料层两侧，第三电极与第四电极分别置于磁性隧道结固定层外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与自旋轨道矩材料层近邻并与自由层相对；通过调节第三电极与第四电极电势差从而产生电场，所述人工反铁磁装置可以通过电场调控实现固定层反铁磁耦合增强；
或第一电极与第二电极分别置于自旋轨道矩材料层两侧，第三电极与第四电极分别置于磁性隧道结固定层外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与第三电极近邻并与第三电极相对；通过调节第一电极或第二电极与第四电极电势差从而产生电场，所述人工反铁磁装置可以通过电场调控实现固定层反铁磁耦合增强。
2.一种权利要求1所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：包括一个基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层，且磁性隧道结固定层的反铁磁耦合受电场调控，磁化方向垂直指向面外或平行于面内。
3.根据权利要求2所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：
所述磁性隧道结为一个三明治结构，由一个基于人工反铁磁装置的固定层、一个自由层和一个非磁性势垒层构成，其中基于人工反铁磁装置的固定层和自由层为磁性层，磁性层磁化方向垂直指向面外或平行于面内，非磁性势垒层位于二者之间；
人工反铁磁装置的直径为1nm～100nm，且处于反铁磁态；将其置于外电场中，在0.1V～15V范围内，通过调节外加电场的电压来改变电场强度，使其反铁磁耦合强度增强。
4.根据权利要求3所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：
所述基于人工反铁磁装置的固定层为第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的垂直三明治堆叠结构；
所述第一层及第二层铁磁层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
所述铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；
所述非磁性间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.1nm～10nm。
5.根据权利要求3所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：
所述自由层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种；
或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co；
或由半金属铁磁材料制成，包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；
或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数；间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：
所述非磁性势垒层为氧化物、氮化物或氮氧化物，除O、N外，其组成元素选自Mg、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；
或为金属或合金，其组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo或V中的一种或多种；
或选自SiC、C或陶瓷材料。
7.根据权利要求2所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：
所述自旋轨道矩材料层与自由层近邻且与非磁性势垒层相对；
所述自旋轨道矩材料层在流经电流时，利用自旋轨道矩使邻近自由层磁矩翻转。
8.根据权利要求2或7所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：
所述自旋轨道矩材料层由重金属材料制成，选自Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi或Po中的一种或多种；
或由拓扑绝缘体材料制成，选自CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1-xSbx、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、(Bi,Sb)2Te3、Bi2-xSbxTe3-ySey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S,Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器，其特征在于：
电极材料为金属或合金材料，选自Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种；
或为碳系导电材料，选自石墨、碳纳米管或竹炭。
10.一种基于权利要求1所述的自旋轨道矩-磁性随机存储器的写入方法，其特征在于：
通过向自旋轨道矩材料层单独施加横向电流并利用外加电场实现反铁磁耦合增强来进行写入时，横向电流密度大于临界值jc；或通过同时向自旋轨道矩材料层施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流并通过施加外加电场实现反铁磁耦合增强来进行写入时，所述横向电流密度低于临界值jc，其中jc在1×102～1×107A/cm2；
横向电流为直流，所述纵向电流为直流或交流；所述外加电场来源于第三电极与第四电极电势差或者来源于第一电极或第二电极与第四电极电势差。
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