CN112701215B - 一种铁电辅助调控人工反铁磁固定层的sot-mram - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的自旋轨道矩磁随机存储器，涉及磁性/铁磁/铁电材料或结构的电路和器件及其应用领域，包括一个铁电层，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。本发明还提供了基于自旋轨道矩‑磁性随机存储器的写入方法。其中铁电层产生极化电场和电荷转移效应使人工反铁磁固定层反铁磁耦合增强。本发明可以在电场和电流的共同作用下实现数据的稳定写入，具有密度高、功耗低、速度快、抗辐射性能好、非易失性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及具有磁性/铁磁/铁电材料或结构的电路和器件及其应用，更具体的说涉及一种自旋轨道矩-磁随机存储器(Spin-Orbit Torque Magnetic Random AccessMemory，简称SOT-MRAM)和基于自旋轨道矩-磁随机存储器的写入方法。
背景技术
以磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)为基本结构的新型磁性随机存储器的发展有望解决传统互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术功耗高、易失性等技术瓶颈；其具有非易失性、高速读写、工艺兼容良好、无限次擦写等优点成为新型存储器研究领域热点。
传统的MRAM是以自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)作为MTJ最普遍的写入方式，最新发展的以电流产生的自旋轨道矩(Spin Orbit Torque，SOT)而不是电流产生的磁场来切换固定层与自由层的相对磁化取向，从而实现数据写入的SOT-MRAM装置。与当前普遍采用的STT写入方式相比，SOT技术能够实现更快的速度与更低的功耗。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，本领域技术人员致力于开发一种铁电辅助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结构在反铁磁耦合态保持不变，使其作为磁性隧道结的固定层，结合电流直接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，降低功耗。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出一种铁电辅助电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM，增强了固定层的稳定性，减小写入电流密度，降低功耗。
本发明提供了一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的自旋轨道矩磁随机存储器，所述存储器包括：
自旋轨道矩材料层；
形成在所述自旋轨道矩材料层上的磁性隧道结，其中，所述磁性隧道结包括：
形成在所述自旋轨道矩材料层上的自由层；
形成在所述自由层上的间隔层；
形成在所述间隔层上的基于人工反铁磁结构的固定层，所述固定层包括：
形成在所述间隔层上的第二磁性层；
形成在所述第二磁性层上的非磁性耦合层；
形成在所述非磁性耦合层上的第一磁性层；
形成在所述固定层上的铁电层。
优选的，所述铁电层在外加电场下铁电极化产生极化电场；
优选的，所述铁电层与所述固定层中间可添加绝缘层削弱极化电场；
优选的，所述自旋轨道矩磁性随机存储器还包括置于所述自旋轨道矩材料层两侧的第一电极和第二电极，置于固定层中第一磁性层上的第三电极；所述第一电极和所述第二电极用于施加流经所述自旋轨道矩材料层的面内电流；所述第一电极和所述第二电极之一与所述第三电极用于施加流经所述人工反铁磁固定层、间隔层和自由层的垂直电流；所述铁电层上有与其他自旋轨道矩磁性随机存储器共用的电场施加层，所述电场施加层通过外接电源向所述铁电层施加电压，所述铁电层产生极化电场和电荷转移效应，所述固定层在电场作用下反铁磁耦合增强。
所述铁电层在外加电场作用下会发生饱和极化，形成极化电场，在铁电层上表面聚积负电荷，在下表面聚积正电荷，此时与其接触的电极材料层在下表面聚积正电荷，上表面聚积负电荷，由于界面电负性差异显著，在铁电层与电极层之间发生显著电荷转移，(与纯电场调控相比)有效放大穿透中间电极层内的电场强度，此时极化电场协同电荷转移效应共同调控人工反铁磁结构的铁磁耦合状态，可以显著降低维持人工反铁磁固定层反铁磁耦合增强所需的外加电场，增强数据稳定性。
在一个较佳的实施例中，所述第一磁性层、第二磁性层的材料选自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；或者选自垂直磁晶各向异性较强的铁磁材料，包括以下任一：Fe、Fe-4％Si、Co、CoFe、CoFe2O4、BaFe12O19；
所述非磁性耦合层材料选自非磁导电材料，包括Nb、Pd、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种金属或多种元素组成的合金。
在一个较佳的实施例中，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中的一种或多种金属结合制成的多组元合金材料；
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CuY选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中；
或由合成反铁磁材料制成，包括两个铁磁层及其之间的耦合层，其中铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CeFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，耦合层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种金属或多种元素组成的合金。
在一个较佳的实施例中，所述间隔层位于所述自由层和所述固定层之间；
所述间隔层选自氧化物、氮化物或氮氧化物，其组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；或选自非磁金属或合金，其组成元素选自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；或可由在绝缘体系中加入导电通道的粒状层制成。
在一个较佳的实施例中，其中，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。
在一个较佳的实施例中，所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：PMN-PT((1-x)[PbMg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3])、PZN-PT((1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3])、PSN-PT(Pb(Sc1/2Nb1/2)-PbTiO3)、Pb(In1/2Nb1/2)-PbTiO3，Pb(Yb1/2Nb1/2)-PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf(1-x)ZrxO2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1- xTix)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、BaxSr1-xTiO3(BST)、(Pb，La)TiO3(PLT)、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O12(BLT)、SrRuO3、BaHfO3、La1-xSrxMnO3、BaMnF4、α-In2Se3、β′-In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β-GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF-TrFE)、C13H14ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g-C6N8H以及极性化学基团-CH2F，-CHO，-COOH或-CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。
在一个较佳的实施例中，所述第一电极、第二电极、第三电极和电场施加层的材料为导电性良好的金属或合金材料制成；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。
本发明还提供了一种基于自旋轨道矩-磁性随机存储器的写入方法，所述方法包括：
通过向所述自旋轨道层施加横向电流脉冲，向所述磁性隧道结施加纵向辅助电流脉冲，向所述铁电层施加电场脉冲从而产生铁电极化电场和电荷转移效应调控所述固定层，该极化电场使得所述固定层反铁磁耦合加强；在极化电场，横向电流和纵向辅助电流的作用下，翻转所述自由层的磁矩，从而写入数据。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
通过铁电层产生极化电场和电荷转移效应调控人工反铁磁固定层反铁磁耦合增强，从而可减小基于人工反铁磁固定层的自旋轨道矩-磁随机存储装置的厚度，减小施加的电场，提高存储单元排列密度，减小能耗。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
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(a)展示了铁电层在加电场前的状态示意图；
图1(b)展示了铁电层在外加电场E下，在铁电层下表面聚积正电荷，上表面聚积负电荷，并产生稳定的极化电场的示意图；
图1(c)展示了铁电层在撤掉电场后极化电场仍然稳定存在的示意图；
图2(a)展示出一种磁性结构磁化方向为面外时的示意图，它和本发明的任何其它图示均未按比例画出；
图2(b)展示出一种磁性结构磁化方向为面内时的示意图，它和本发明的任何其它图示均未按比例画出；
图3(a)展示出一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的SOT-MRAM示意图；
图3(b)展示出一种包含绝缘层的铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的SOT-MRAM示意图；
图4(a)展示了一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层SOT-MRAM在外加电场E及电流作用下写入数据“1”的中间过程；
图4(b)展示了写入数据后，撤掉外加电场，该SOT-MRAM保存数据“1”的示意图；
图4(c)展示了该SOT-MRAM读取数据“1”的示意图；
图5(a)展示了一种在外加电场E及电流作用下铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层SOT-MRAM写入数据“0”的中间过程；
图5(b)展示了写入数据后，该SOT-MRAM保存数据“0”的示意图；
图5(c)展示了该SOT-MRAM读取数据“0”的示意图；
图6展示了一种图3(a)所示的铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的SOT-MRAM存储器的基本单元结构示意图，自旋轨道矩磁随机存储器可包括排列成阵列的多个图6所示的单元结构，每个单元结构可存储一比特数据“0”或“1”；
其中，11-第一磁性层，12-非磁性耦合层，13-第二磁性层，20-磁性隧道结，21-固定层，22-间隔层，23-自由层，24-自旋轨道矩材料层，25-铁电层，26-绝缘层，31-第一电极，32-第二电极，33-第三电极，34-电场施加层。
具体实施方式
以下参考说明书附图1(a)至图6介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
图1(a)展示了铁电层25在加电场前的状态示意图；图1(b)展示了铁电层25在外加电场E下，在铁电层25下表面聚积正电荷，上表面聚积负电荷，并产生稳定的极化电场的示意图；图1(c)展示了铁电层25在撤掉电场后极化电场仍然稳定存在的示意图；
优选的，所述铁电层25可以是绝缘或半导体铁电材料，可由下列材料中的一种或多种形成：PMN-PT((1-x)[PbMg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3])、PZN-PT((1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3])、PSN-PT(Pb(Sc1/2Nb1/2)-PbTiO3)、Pb(In1/2Nb1/2)-PbTiO3，Pb(Yb1/2Nb1/2)-PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf(1-x)ZrxO2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1-xTix)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、BaxSr1-xTiO3(BST)、(Pb，La)TiO3(PLT)、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O12(BLT)、SrRuO3、BaHfO3、La1-xSrxMnO3、BaMnF4、α-In2Se3、β′-In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β-GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF-TrFE)、C13H14ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g-C6N8H以及极性化学基团-CH2F，-CHO，-COOH或-CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。
所述铁电层厚度为0.1nm～500nm，优选地在1nm～200nm的范围，更优选地在10nm～100nm的范围。
图2(a)展示出一种磁性结构磁化方向垂直指向面外的示意图，它和本发明的任何其它图示均未按比例画出；
图2(b)展示出一种磁性结构磁化方向平行于面内的示意图，它和本发明的任何其它图示均未按比例画出；
该磁性结构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包括一个人工反铁磁固定层21、一个自由层23和一个位于自由层23和人工反铁磁固定层21之间的间隔层22。自由层23和人工反铁磁固定层21的磁化方向大致垂直指向面外(图2(a))或平行于面内(图2(b))。自旋轨道矩材料层24位于自由层23下侧。
在本实施例中，人工反铁磁固定层21是由人工合成反铁磁材料制成的“第一磁性层11-非磁性耦合层12-第二磁性层13”三明治堆叠结构；
所述第一磁性层11、第二磁性层13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；或者可由垂直磁晶各向异性较强的铁磁材料形成，包括但不限于Fe、Fe-4％Si、Co、CoFe、CoFe2O4、BaFe12O19等；所述第一磁性层11、第二磁性层13的磁化方向垂直指向面外或平行于面内，厚度可以在0.1nm～8nm的范围内，优选地在0.2nm～5nm的范围内，更优选地在0.2nm～3nm的范围内；
所述非磁性耦合层12可由非磁导电材料制成，选自但不限于Nb、Pd、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种金属或多种元素组成的合金，厚度在0.1nm～10nm。
所述人工反铁磁固定层21处于反铁磁耦合状态，在电场作用下，当组成人工反铁磁固定层的材料种类不同、厚度不同、界面无序不同时，随着外加电场强度的增加，反铁磁耦合强度可以增强，此时在外加电流作用下人工反铁磁固定层中的磁性层不易发生翻转。
在本实施例中，自由层23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。
在其他实施例中，自由层23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X2 YZ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，包括两个磁性层及其之间的间隔层。
在本实施例中，间隔层22是非磁绝缘材料，可以为氧化物，氮化物，或氮氧化物，组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种。
在另一些实施例中，间隔层22是非磁导电材料，可以为非磁金属或合金，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。
在另一些实施例中，间隔层22选自但不限于SiC、C或陶瓷材料。
在另一些实施例中，间隔层22还可以为其它结构，例如在绝缘体系中加入导电通道的粒状层。
上述实施例采用不同材料制成的自由层23和人工反铁磁固定层21是铁磁性的，而间隔层22是非磁性的。
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)至图3(b)展示出一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的SOT-MRAM示意图和一种包含绝缘层的铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的SOT-MRAM示意图；其中，图3(a)所示的自旋轨道矩磁随机存储器包括：第一电极31、第二电极32、第三电极33、电场施加层34、铁电层25、人工反铁磁固定层21、自由层23、间隔层22和自旋轨道矩材料层24；自由层23和人工反铁磁固定层21的磁化方向垂直指向面外或平行于面内，人工反铁磁固定层在电场作用下其反铁磁耦合增强。
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位于铁电层25和第一磁性层11之间，电场施加层34位于铁电层25上侧且与阵列中的其他SOT-MRAM共用。
电场施加层34通过外接电源产生电场，并作用于铁电层25，铁电层25在外加电场作用下会发生饱和极化，形成极化电场，在铁电层25上表面聚积负电荷，在下表面聚积正电荷，此时与其接触的第三电极33在下表面聚集正电荷，上表面聚集负电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层25与第三电极33之间发生显著电荷转移，(与纯电场调控相比)有效放大穿透第三电极33内的电场强度，提升人工反铁磁结构的铁磁耦合状态性能。撤掉电场后铁电极化保持，该电场作用于人工反铁磁固定层21时，所述人工反铁磁固定层21可以通过铁电层稳定的极化电场和电荷转移效应调控其反铁磁耦合强度增强；所述电场施加层34在存储器开始工作时施加电压脉冲，无需一直保持电压施加状态，待铁电层极化电场消退后再次施加电压脉冲即可。
本实施例中，电极材料为导电性良好的金属或合金材料，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。
在本实施例中，若铁电层极化太强，可采用图3(b)所示的方案，在铁电层25与第三电极33之间加一层薄的绝缘层26来削弱铁电极化电场。绝缘层选自但不限于Al2O3、MgO、SiO2等氧化物、氮化物或氮氧化物，绝缘层的厚度为0nm～100nm。
在一些实施例中，图3(a)至图3(b)所示的多层结构可以具有各种形状，例如圆形、椭圆形、正方向、长方形、环形等。
图4(a)至图4(c)展示了图3(a)所示的一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层自旋轨道矩磁随机存储器的一种实施例写入、保存和读出数据“1”的过程，此实施例中绝缘层26厚度为0nm。图4(a)展示在外加电场E、横向电流和纵向电流共同作用下，基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM写入数据“1”的中间过程：其中Vwn2＜Vwn1＜GND，第三电极33接Vwn2的低电平，第一电极31接Vwn1的中电平，第二电极32接GND的高电平。铁电层25在外加电场E作用下在垂直方向产生铁电极化电场和电荷转移效应，铁电极化电场和电荷转移效应使人工反铁磁固定层反铁磁耦合加强，同时向自旋轨道矩材料层24施加横向电流，向磁性隧道结20施加纵向辅助电流来实现数据写入时，自由层23的磁矩在横向临界电流和纵向辅助电流的作用下发生翻转，开始写入数据“1”。图4(b)展示出去掉电场E后，铁电层25极化状态保持，使固定层21反铁磁态耦合增强不变，自由层23与第二磁性层13磁矩平行，此时完成数据“1”的保持；图4(c)展示出该磁自旋轨道矩磁随机存储器数据“1”的示意图，其中VDD＞0为高电平，GND为低电平，通入较小的读电流从第三电极33的VDD流入后经磁性结构从第二电极32的GND流出，固定层中第二磁性层13与自由层23相对磁化方向相同，读出当前数据“1”。
图5(a)至图5(c)展示了图3(a)所示的一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层自旋轨道矩磁随机存储器的一种实施例写入、保存和读出数据“0”的过程，此实施例中绝缘层26厚度为0nm。图5(a)展示在外加电场E及横向电流和纵向电流作用下，基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM写入数据“0”的中间过程：其中Vwp2＞Vwp1＞GND，第一电极31接Vwp1的中电平，第二电极32接GND的低电平，第三电极33接Vwp2的高电平。铁电层25在外加电场E时产生铁电极化电场和电荷转移效应，人工反铁固定层21反铁磁态耦合加强，同时向自旋轨道矩材料层24施加横向临界电流，向磁性隧道结施加纵向辅助电流来实现数据写入时，自由层23的磁矩在横向临界电流和纵向辅助电流的共同作用下发生翻转，开始写入数据“0”。图5(b)展示出去掉电场E后，铁电层25极化状态保持，人工反铁磁固定层21反铁磁态耦合增强效果保持，自由层23与第二磁性层13磁矩反平行，此时完成数据“0”的保持；图5(c)展示出在读取该自旋轨道矩磁随机存储器数数据“0”的示意图，其中VDD＞0为高电平，GND为低电平，通入较小的读电流从第三电极33的VDD流入后经磁性结构从第二电极32的GND流出，此时人工反铁磁固定层的第二磁性层13与自由层23相对磁化方向相反，读出当前数据“0”。
应注意的是，这里描述的电流方向是正电流方向，即电子流动方向实际上与电流方向相反。上面虽然描述了高、中、低电平，电平是相对概念，上面描述的电平的符号和大小均可以适当地改变，只要能产生所需电流即可。虽然图4(a)至图4(c)和图5(a)至图5(c)中示出了各个磁层具有垂直磁化，但是应理解，图4(a)至图4(c)和图5(a)至图5(c)的过程也可以应用到各个磁层具有面内磁化的实施例中。
图6展示了一种图3(a)所示的一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的SOT-MRAM存储器读写控制过程。SL为源线，WBL为写位线，RBL为读位线，WWL为写字线，RWL为读字线，VCD为电压控制器，VDL为电压控制线。在存储器初次使用时，将电压驱动线VDL拉高V电位，通过电压控制模块VCD连接电场施加层34向铁电层25施加电压脉冲，使铁电层极化，在垂直方向产生极化电场和电荷转移效应，使用过程中，根据铁电层极化保持情况，适时通过电场施加层34向铁电层25施加电压脉冲脉冲，保持铁电层极化状态。写“1”过程：写“1”时写字线WWL拉高Vg，则晶体管N1，N2打开；写位线WBL2拉低Vwn2，写位线WBL1拉低Vwn1，源线SL接地即开始写数据；写“1”完成后，写字线WWL拉低，则N1，N2关闭。写“0”过程：写“0”时晶体管N1，N2打开；写位线WBL2拉高Vwp2，写位线WBL1拉高Vwn1，源线SL接地即开始写数据；写“0”完成后，写字线WWL拉低，则N1，N2关闭。读取“1”或“0”过程：写字线RWL拉高打开N3，写位线RBL拉高为VDD，源线SL接地，较小的读取信号进入检测放大器(SA)与参考电压ref作对比即读取出数据。其中，N3与N2及其连接电路可以复用，可只使用保留其中一个及其连接电路。自旋轨道矩磁随机存储器可包括排列成阵列的多个图6所示的单元结构，每个单元结构可存储一比特数据“0”或“1”。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (11)
1.一种铁电辅助电场调控人工反铁磁固定层的自旋轨道矩磁随机存储器，所述存储器包括：
自旋轨道矩材料层；
形成在所述自旋轨道矩材料层上的磁性隧道结，其中，所述磁性隧道结包括：
形成在所述自旋轨道矩材料层上的自由层；
形成在所述自由层上的间隔层；
形成在所述间隔层上的基于人工反铁磁结构的固定层，所述固定层包括：
形成在所述间隔层上的第二磁性层；
形成在所述第二磁性层上的非磁性耦合层；
形成在所述非磁性耦合层上的第一磁性层；
形成在所述固定层上的铁电层；
其中，
所述存储器还包括：第一电极、第二电极、第三电极、电场施加层；
第一电极与第二电极分别与自旋轨道矩材料层左右两端接触，第三电极位于铁电层和第一磁性层之间，电场施加层位于铁电层上侧且与阵列中的其他SOT-MRAM共用。
2.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其中，所述铁电层在外加电场下铁电极化产生极化电场和电荷转移效应；
所述铁电层与所述固定层中间添加绝缘层削弱极化电场，其中，所述绝缘层材料为以下任一：Al2O3、MgO、SiO2。
3.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其中，
所述自旋轨道矩材料层由具有自旋霍尔效应的导电材料形成，或由拓扑绝缘体材料制成。
4.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其中，
当所述自旋轨道矩材料层由具有自旋霍尔效应的导电材料形成时，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；
当所述自旋轨道矩材料层由拓扑绝缘体材料制成时，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。
5.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其中，
所述铁电层由绝缘材料或半导体铁电材料形成。
6.如权利要求1所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其中，
所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：
PMN-PT（(1-x)[PbMg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3]）、
PZN-PT ((1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3])、PSN-PT (Pb(Sc1/2Nb1/2)-PbTiO3)、Pb(In1/2Nb1/2)-PbTiO3 , Pb(Yb1/2Nb1/2)-PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf(1-x)ZrxO2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1-xTix)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、BaxSr1-xTiO3（BST）、(Pb,La)TiO3（PLT）、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O12（BLT）、SrRuO3、BaHfO3、La1-xSrxMnO3、BaMnF4、α-In2Se3、β'-In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β-GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF-TrFE)、C13H14ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g-C6N8H以及极性化学基团-CH2F, -CHO, -COOH或-CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。
7.如权利要求1所述自旋轨道矩磁随机存储器，其中，
所述第一电极和所述第二电极用于施加流经所述自旋轨道矩材料层的面内电流；
所述第一电极和所述第二电极之一与所述第三电极用于施加流经所述固定层、间隔层和自由层的垂直电流；
所述铁电层上有与其他自旋轨道矩磁性随机存储器共用的电场施加层，所述电场施加层通过外接电源向所述铁电层施加电压，以使所述铁电层产生极化电场和电荷转移效应，所述固定层在电场作用下反铁磁耦合增强。
8.如权利要求7所述自旋轨道矩磁随机存储器，其中，
所述固定层为第一磁性层-非磁性耦合层-第二磁性层的堆叠结构；
所述第一磁性层及第二磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。
9.如权利要求7所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其中，
所述第一电极、第二电极、第三电极和电场施加层的材料为导电性良好的金属材料制成，或为碳系导电材料。
10.如权利要求7所述的自旋轨道矩磁随机存储器，其中，
所述第一电极、第二电极、第三电极和电场施加层的材料选自：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，
所述第一电极、第二电极、第三电极和电场施加层的材料选自石墨、碳纳米管或竹炭。
11.一种基于权利要求7所述的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，所述方法包括：
通过向所述自旋轨道层施加横向电流脉冲，向所述磁性隧道结施加纵向辅助电流脉冲，向所述铁电层施加电场脉冲从而产生铁电极化电场和电荷转移效应调控固定层，使得固定层反铁磁耦合加强；在极化电场，横向电流和纵向辅助电流的作用下，翻转所述自由层的磁矩，从而稳定的写入数据。
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