[发明专利]磁性多层膜结构、磁存储器、自旋逻辑器件和电子设备

说明书

本发明涉及磁性多层膜结构、磁存储器、自旋逻辑器件和电子设备。根据一实施例，一种磁性多层膜结构包括：参考磁层，其具有固定的磁矩；自由磁层，其具有自由翻转的磁矩；以及非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间，其中，所述自由磁层由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，且其中，所述自由磁层配置为接收面内电流以翻转所述自由磁层的磁矩。所述磁性多层膜结构还包括在自由磁层的与非磁间隔层相反一侧的反铁磁偏置层，或沿与面内电流垂直的方向延伸的电流布线。在该磁性多层膜结构中，可以直接通过向自由磁层施加面内电流来翻转自由磁层的磁矩，因此大大简化了结构和翻转过程。

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种磁性多层膜结构、包括该磁性多层膜结构的磁器件、以及包括该磁器件的电子设备。

背景技术

磁自旋阀(MSV)和磁隧道结(MTJ)具有类似的磁性多层膜结构，其一般都包括自由磁层、参考磁层、以及位于二者之间的非磁间隔层，其中磁自旋阀的非磁间隔层由导电金属例如Cu、Ru等形成，磁性隧道结的非磁间隔层由绝缘材料例如MgO、Al₂O₃等形成。参考磁层的磁矩被固定，而自由磁层的磁矩可以自由翻转。该磁性多层膜结构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，电阻最低；当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩反平行排列时，电阻最高。利用这种性质，磁自旋阀和磁隧道结可用于各种磁器件，例如传感器、存储器、逻辑器件等。

在存储器、逻辑器件等应用中，为了翻转自由磁层的磁矩，传统方法包括使用彼此交叉的两个外磁场，这种方法因为能耗很大，并且容易影响相邻单元的自由磁层，因此并未被实际使用。后来，又发展了许多纯电流翻转或者电流与磁场组合翻转的方法，包括自旋转移矩(STT)翻转方法、自旋霍尔效应(SHE)翻转方法等。STT翻转方法需要使用垂直流过隧道结的翻转电流，电流过小则难以实现翻转，过大则又可能击穿隧道结，因此存在阵列均匀性以及电流控制方面的难题。SHE翻转方法则是利用电流流过诸如Pt 之类的金属时，由于自旋轨道耦合，在金属表面出现自旋极化电子的自旋霍尔效应，配合偏置磁场，来翻转自由磁层的磁矩。在这种方法中，需要制作与自由磁层接触的SHE金属层，结构更复杂，而且因为仅靠SHE金属表面的自旋极化电子来翻转自由磁层的磁矩，翻转效率不高，难以翻转较厚的自由磁层的磁矩。

因此，仍需要一种更简单的方法和结构，其可以容易地翻转自由磁层的磁矩。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种磁性多层膜结构，其具有简单的结构，并且能够容易地翻转其中的自由磁层的磁矩。

本发明的另一方面还提供利用该磁性多层膜结构实现的磁存储器、自旋逻辑器件，以及包括该磁存储器和/或自旋逻辑器件的电子设备。

根据一示例性实施例，提供一种磁性多层膜结构，包括：参考磁层，其具有固定的磁矩；自由磁层，其具有自由翻转的磁矩；以及非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间，其中，所述自由磁层由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，且其中，所述自由磁层配置为接收面内电流以翻转所述自由磁层的磁矩。

在一些示例中，所述面内电流为沿一面内方向的正向电流或反向电流，以根据所述面内电流的方向来翻转所述自由磁层的磁矩。

在一些示例中，所述自由磁层由FePt、FePd、CoPt或CoPd形成。

在一些示例中，所述自由磁层形成为L1₀取向，所述参考磁层和所述自由磁层都具有垂直磁矩和垂直各向异性。

在一些示例中，所述磁性多层膜结构还包括：第一反铁磁偏置层，形成在所述自由磁层的与所述非磁间隔层相反的一侧，用于为所述自由磁层提供面内偏置磁场，所述面内偏置磁场的方向与所述面内电流的方向平行或反平行。