[发明专利]一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助写入和直接读取方法

说明书

本发明公开了一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助写入和直接读取方法，包括：一电致磁性层和一绝缘辅助层；电致磁性层和绝缘辅助层组成层叠结构；绝缘辅助层中设置有若干微导电通道，微导电通道用于写入和读取电流的通过；绝缘辅助层的磁化方向垂直于层平面或平行于层平面；其中，在无电场时，电致磁性层处于顺磁状态；磁多层结构置于电场中，电致磁性层能够实现顺磁态和铁磁态的转变。在电场调控下，其中的电致磁性层由顺磁态转变为铁磁态，利用电致磁性层铁磁态同时与绝缘辅助层和磁性结的磁性自由层间的交换耦合作用辅助磁性自由层翻转，从而实现减小磁性自由层翻转所需要电流密度的目的。

技术领域

本发明属于具有磁性的材料或结构组成的器件、电路及其应用技术领域，特别涉及一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助写入和直接读取方法。

背景技术

磁性隧道结(Magnetic Tunnel junction，MTJ)一般由两层铁磁金属和一层非磁性势垒层组成；其中，铁磁金属可为铁、钴或镍等。两层铁磁金属其中一层为磁性自由层，其容易通过外加磁场来改变其磁化状态；另一层为磁性固定层，其不易被磁场改变磁化状态，一般可通过增大厚度或者使用交换耦合作用实现。磁性隧道结的电阻取决于两层铁磁金属的磁化方向的相对取向，这种现象被称作隧穿磁阻(Tunneling Magneto-Resistance,，TMR)；当两层铁磁金属的磁化方向同向平行时，由于能带适配，在共振隧穿效应的作用下，通过非磁性势垒层的隧穿电流增大，磁性隧道结整体表现为低阻态；当两层铁磁金属的磁化方向反向平行时，由于价带失配，故而非磁性势垒层的隧穿电流较小，整体表现为高阻态。

自旋阀(Spin Valve)是由铁磁非磁导体交替构成的磁多层结构；其层数最少情况时一共有三层，包括两层铁磁导体，以及两者中间夹着的一层非磁导体。两层铁磁导体其中一层为磁性自由层，另一层为磁性固定层。自旋阀的电阻取决于两层铁磁导体的磁化方向的相对取向，这种现象被称作巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistance，GMR)。一个导体总的导电性取决于自旋向上通道导电性和自旋向下通道导电性的共同作用；为了方便理解，可以粗略的认为总电阻为这两个通道电阻的并。在磁化方向同向平行时，在之前的铁磁层磁化方向导电较强的通道在之后的铁磁层中也导电较强，故该通道在多层膜结构中始终保持较低电阻态，又整体电阻是两个通道电阻的并联，故而整体的电阻要比最低的电阻还小，故而整体电阻保持低电阻态。相对的，在磁化方向反向平行时，在之前层磁化方向导电较强的通道在后来的铁磁层中较弱，在之前层导电较弱的通道在后来的铁磁层中较强，故整体表现为较差的导电性即高电阻态。

磁性结(Magnetic Junction，MJ)包括：磁性隧道结和自旋阀；其可以用于逻辑电路或磁性随机存储器中。

磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)具有高速度，低功耗，非易失性的优点，吸引着科研人员，企业研发部门的关注。在磁性随机存储器中，其中的磁性存储单元为磁性结，其存储数据是“0”还是“1”取决于磁性结的电阻态，该磁性结的电阻态由磁性结的两层铁磁层的相对磁化取向决定，其原理可以是GMR也可以是TMR，取决于其是自旋阀还是MTJ。磁性结的两层铁磁层中，一层是磁性自由层(Free Layer，FL)，一层是磁性固定层(Pinned Layer，PL)，磁性自由层的磁化方向可以通过外加磁场改变，而磁性固定层的磁化方向保持不变，以此实现平行态和反平行态之间的转换，即低阻态和高阻态之间的转换，完成存储数据的写入。磁性结存储状态的读取可以通过向磁性结通入较小的电流获取其电阻值进而判断其处于高阻态还是低阻态，确定其存储数据。

传统的磁性随机存储器采用磁场进行翻转，每一个存储单元需要有独立的一个局域磁场；想要不受到近邻其他单元的磁场影响，需要存储单元之间具有较大的间距，限制了磁性结阵列的密度，即会降低存储容量。另外，磁场由电流产生，要产生足够使磁性自由层翻转的磁场，需要很大的电流密度，能耗较高，同时也会降低磁性结阵列的排列密度。