[发明专利]磁性隧道结及包括其的磁器件和电子设备

说明书

本发明涉及磁性隧道结和包括其的磁器件。根据一实施例，一种磁性隧道结可包括：参考磁层；位于所述参考磁层上的间隔层；以及位于所述间隔层上的复合自由磁层，所述复合自由磁层包括：位于所述间隔层一侧的第一自由磁层；位于所述第一自由磁层上的自旋霍尔效应SHE层；以及位于所述SHE层上的第二偏置磁层，其中，所述SHE层诱导所述第一自由磁层和所述第二偏置磁层之间的铁磁或反铁磁耦合，所述第一自由磁层和所述第二偏置磁层之一具有面内磁各向异性，另一个具有垂直磁各向异性，并且所述第二偏置磁层的磁各向异性能大于所述第一自由磁层的磁各向异性能。

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种磁性隧道结，其能够实现纯电流驱动，而不需要施加外磁场，本发明还涉及包括这样的磁性隧道结的磁器件，例如磁随机存取存储器和自旋逻辑器件等，以及包括这样的磁器件的电子设备。

背景技术

磁性隧道结(MTJ)具有广泛的用途，例如用于磁存储器、自旋逻辑器件、磁传感器等，因此是被深入研究的重要磁元件之一。磁性隧道结一般包括自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的隧穿势垒层，自由磁层的磁矩可以自由翻转，而参考磁层的磁矩被固定。隧穿势垒层由诸如金属氧化物之类绝缘材料形成。磁性隧道结的电阻与自由磁层的磁矩和参考磁层的磁矩之间的夹角θ的余弦值cos(θ)成比例。当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩彼此平行排列时，磁性隧道结的电阻最低，处于低电阻态；当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩反平行排列时，磁性隧道结的电阻最高，处于高电阻态。

如何翻转磁性隧道结的自由磁层的磁矩一直是磁性隧道结研究领域的一个重要问题，也是将磁性隧道结应用到磁器件中时必须解决的一个问题。第一种方法是通过两个正交磁场来翻转自由磁层的磁矩，但是这种方法需要施加大的电流来产生足够大的磁场，因此功耗很大，而且磁场可能会影响相邻器件，引起可靠性问题。第二种方法是利用自旋转移力矩(STT)，通过流经磁性隧道结的自旋电流来进行翻转。但是，该方法也有一定的缺陷。如果自旋电流过大，容易导致磁性隧道结被击穿；如果自旋电流太小，则又不足以翻转自由磁层的磁矩。因此，该方法对翻转电流的精度以及磁性隧道结阵列的均匀性有着非常高的要求，导致其难以实用。第三种方法则是利用自旋霍尔效应(SHE)，其也称为自旋轨道转矩(SOT)翻转方案。

图1A、1B和1C示出了S.Fukami等人提出的自旋轨道转矩翻转的三种形式，其亦可见于非专利文献1：Fukami,S.et al,A spin-orbit torque switching scheme withcollinear magnetic easy axis and current configuration,Nature Nanotech,29,101038(2016)。首先参照图1A，磁层102形成在自旋霍尔效应(SHE)层101上，并且二者彼此直接接触。SHE层101由能表现出自旋霍尔效应的材料，即具有强的自旋轨道耦合的材料例如Pt形成。磁层102可具有垂直磁各向异性，并且向磁层102施加有在电流I的方向上(平行或反平行)的外磁场H。此时，如果电流I流经SHE层101，取决于电流I的方向，磁层102的磁矩M可以在垂直方向上被翻转。参照图1B，当磁层102具有与电流I垂直的面内磁各向异性时，则不需要施加外磁场H，即可通过电流I来翻转磁层102的磁矩M。继续参照图1C，当磁层102具有在电流I的方向上(平行或反平行)的磁各向异性，并且向磁层102施加垂直方向上的外磁场H时，电流I可以翻转磁层102的磁矩M的方向。

对于这些SOT翻转方案，也存在许多缺陷。例如，图1A和1C的翻转方案仍需要施加外磁场，导致其功耗高，操作复杂，并且外磁场可能影响相邻器件，而带来稳定性问题。对于图1B所示的方案，虽然不需要施加外磁场，但是其翻转速度较低，因此不适应于高速操作器件，而且也会消耗更多的能量来完成翻转。此外，该方案不能应用到垂直磁化结构，因此不能实现更高的磁性隧道结密度，不利于器件的小型化。上述缺陷也限制了磁性隧道结在各种电磁元件中的实际应用。

因此，仍需要一种磁性隧道结结构，其能够实现操作简单、稳定、并且功耗低的磁矩翻转过程。

发明内容