[发明专利]基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置

权利要求书

1.一种基于自旋霍尔效应(SHE)和自旋转移矩(STT)效应的装置，包括：

磁性结构，包括铁磁层，所述铁磁层具有可以通过自旋转移矩改变的磁化方向；

SHE层，所述SHE层是导电的并且表现出自旋霍尔效应，以响应于所施加的充电电流而产生垂直于所述施加的充电电流的自旋极化电流，所述SHE层邻近所述铁磁层定位，以将所述自旋极化电流注入所述铁磁层中；以及

金属插入层，与所述铁磁层和所述SHE层接触并位于所述铁磁层与所述SHE层之间，由所述SHE层产生的所述自旋极化电流通过所述金属插入层进入所述铁磁层，所述金属插入层的厚度小于所述SHE层的自旋扩散长度，并且表现出比所述SHE层的电阻率大的电阻率，以增强通过所述自旋转移矩效应引起的所述铁磁层的所述磁化方向的切换，其中所述金属插入层与所述铁磁层的界面具有大于所述金属插入层的电导的自旋混合电导。

2.如权利要求1所述的装置，还包括：

第一电触点，与所述SHE层的第一位置接触；

第二电触点，与所述SHE层的第二位置接触，以使得所述第一位置和所述第二位置在所述磁性结构的两个相对侧上；

第三电触点，与所述磁性结构接触；

磁性结构电路，联接在所述第一电触点和所述第二电触点中的一个与所述第三电触点之间，以向所述磁性结构供应电流或电压；以及

充电电流电路，联接在所述第一电触点与所述第二电触点之间以将所述充电电流供应到所述SHE层中。

3.如权利要求2所述的装置，其中：

所述磁性结构电路被联接成供应跨所述铁磁层的小电流，所述小电流与所述自旋极化电流共同传播，并且在没有所述自旋极化电流的情况下不足以切换所述铁磁层的磁化，以及

所述小电流和所述自旋极化电流一起足以切换所述铁磁层的所述磁化。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述金属插入层构造成使得当比较在没有所述金属插入层的情况下所需的总功率时，所述金属插入层的存在降低了切换所述铁磁层的所述磁化所需的所述磁性结构电路的总功率。

5.如权利要求2所述的装置，其中：

所述磁性结构包括磁性隧道结MTJ，所述磁性隧道结包括：(1)作为所述MTJ的自由层的所述铁磁层，(2)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，以及(3)在所述铁磁层与所述钉扎磁性层之间以允许电子在所述铁磁层与所述钉扎磁性层之间隧穿的非磁性结层；

第三电端子从具有所述钉扎磁性层的一侧与所述MTJ电接触，以接收栅电压，所述栅电压修改流过所述MTJ的自旋极化电流的电流阈值，以用于切换所述铁磁层的磁化；以及

所述磁性结构电路被联接成供应跨所述MTJ的所述栅电压，从而产生跨所述MTJ隧穿的小电流，所述小电流在没有所述自旋极化电流的情况下不足以切换所述铁磁层的所述磁化，

其中，所述磁性结构电路和所述充电电流电路能够操作，以同时施加所述SHE层中的所述充电电流和跨所述MTJ的所述栅电压，以设置或切换所述铁磁层的所述磁化方向。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述金属插入层被构造成使得当比较在没有所述金属插入层的情况下所需的总功率时，所述金属插入层的存在降低了切换所述铁磁层的所述磁化所需的所述磁性结构电路的总功率。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述SHE层包括：

SHE金属材料，所述SHE金属材料在没有进行任何掺杂或合金化的情况下表现出第一电阻率；以及

掺杂在所述SHE金属材料中或与所述SHE金属材料合金化的不同的金属元素，以引起掺杂或合金化的SHE金属在不降低所述SHE金属材料的自旋霍尔电导率的情况下表现出高于所述第一电阻率的第二电阻率。

8.如权利要求2所述的装置，其中：

所述磁性结构包括磁性隧道结MTJ，所述MTJ包括：(1)作为所述MTJ的自由层的所述铁磁层，(2)具有固定磁化方向的钉扎磁性层，以及(3)在所述铁磁层与所述钉扎磁性层之间以允许电子在所述铁磁层与所述钉扎磁性层之间隧穿的非磁性结层；

所述充电电流电路被联接成经由所述SHE层中的所述第一电触点和所述第二电触点供应作为所述充电电流的恒定电流，以引起由于所述自旋极化电流而导致的所述铁磁层的磁化的进动；并且

所述磁性结构电路被联接成跨所述MTJ供应MTJ电流，以引起跨所述MTJ的电流隧穿，所述电流隧穿由于所述铁磁层的所述磁化的所述进动而振荡，其中磁性结构电路被配置成调整所述MTJ结电流，以控制跨所述MTJ的所述电流隧穿中的所述振荡的振荡频率或幅值。