[发明专利]分薄层的具有垂直于层的平面的高自旋极化的磁性器件、使用该器件的磁性隧道结和自旋阀

说明书

技术领域

本发明涉及磁性材料的领域，更具体地说，涉及用于一方面用于允许将数据存储在电子系统中并且读取电子系统中的数据的非易失性随机存取磁性存储器中、另一方面用于使用磁性薄层系统技术的射频振荡器的领域中的磁性材料。 

背景技术

在磁性存储器领域中，自从开发了在环境温度下具有高磁阻的隧道结，包括这种磁性隧道结的称作M-RAM(磁性随机存取存储器)的磁性存储器已经引起了极大的关注。这些随机存取磁性存储器具有很多显著的优点： 

-速度快(读写时间仅几个纳秒)； 

-非易失性； 

-没有读/写疲劳； 

-不受电离辐射影响。 

因此，它们正日渐取代基于电容器的充电状态的、使用更加传统的技术的存储器(D-RAM、S-RAM、FLASH)。 

在这些磁性存储器中，信息的编码(“0”或“1”)取决于具有不同矫顽磁性的两个磁性层的磁化的相对取向(平行还是反平行)，所述两个磁性层之一称为“自由的”(即具有可以通过施加外部低密度磁场来改变的磁化方向)，而另一层称为“钉扎的”(piégée)(即具有不受所述外部磁场影响的磁化方向)。 

磁化的相对取向的这种改变修改了这样形成的两个层的堆叠的电阻，并且通过在垂直于这些层的平面的方向上注入电流之后测量电压来读取磁状态。 

一般说来，通过在所讨论的存储器单元的位置附近以直角相交的导体中发送两个电脉冲来写入信息。由这些电脉冲在单元处所产生的两个磁场的叠加以及所注入的电流的方向使得有可能改变“自由”层的磁化方向，因此写入所讨论的信息。 

然而，由于制造方法而导致的所有存储器位置的翻转场(champs deretournement)的相对宽的分布的存在，使得为了确保磁化的取向的改变必须使用大于所述分布的最高翻转场的外部磁场。这样，存在意外地反转对应行和/或列上的某些存储器位置(其翻转场可能位于所述分布的较低部分，比由单独的行或列产生的磁场更弱)的风险。 

如果我们想要确保任何存储器单元不会以一行或一列的方式写入，则在这种情况下必须限制写入电流以便对于这些存储器单元而言总不会超过与分布的较低部分对应的磁场，其风险在于，如果存储器位置的翻转场处于分布的较高部分，则不会写入在所述行和列的交叉处所选择的存储器单元。换句话说，使用导体的行和列的由磁场进行选择的这种结构可能容易导致写入寻址错误。 

此外，通常已经观测到，随着存储器单元的尺寸减小翻转场的平均值增大。这样需要更大的电流以确保存储器单元的磁化的实际翻转，而这必然引起所需电功率的增加。 

因此，提出了另一种称为“通过自旋极化电流进行磁化翻转”的写入技术。这种技术涉及通过使用自旋极化电流而不是外部磁场来写入存储器单元。事实上，已经证明了自旋极化电流能够通过在极化载流子与所讨论的层的磁矩之间的自旋角动量转移来引起磁化的进动甚至反转(例如，见US A 5 695 864)。 

这种技术的优点之一在于以下事实：相同电流行既用于读取磁性信息又用于写入磁性信息，这大大地简化了器件的结构。因此，当穿过所讨论的磁堆叠的各个层时，电流被极化，并且电子的自旋倾向于将其自身与本地磁化方向对齐。如果在电流所穿过的层中没有去极化，则该极化被维持在第二磁性层中，并且反过来感应所述“自由”磁性层的磁化围绕极化方向的进动。 

当电流密度增大时，进动锥的角度增加直到对于某个临界电流而言可能超过90°，因此产生“自由”层的磁化向着与其初始方向相反的方向翻转。 

然而，这种特定技术受到一个严重限制。事实上，在这种配置中，为了实现磁化反转，必须克服所述“自由”层的退磁场。对于薄磁性层，这种退磁场倾向于将磁化保持所述层的平面中。然而这种退磁场与材料的磁化成比例，显然磁化反转必须要注入高强度电流，该电流可能损坏器件，尤其是在磁性隧道结的情况下通过电击穿分隔两个磁性层的绝缘势垒而损坏器件。 

磁性薄层系统也用于射频振荡器的领域。射频振荡器经历了与移动电话的相应发展直接关联的重大发展。事实上，移动电话导致了具有非常宽频带的振荡器的应用，其具有特别好的相位噪声性能，并且因此具有高品质因数。 

满足这种需求的一种技术方案是使用基于电子自旋的射频振荡器。使用这种振荡器允许获得高品质因数Q情况下的宽频带以及容易的频率可调谐性，并且此外，允许使用相对简单的结构。