[发明专利]基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器

说明书

本发明揭示了一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，该自旋轨道动量矩磁存储器由上到下包括顶电极、反铁磁金属层、SOT‑MTJ和衬底，所述SOT‑MTJ包括由上至下依次设置的参考层、隧穿势垒层、重金属层Ru、自由层，所述隧穿势垒层为两层氧化物混合的不均称锯齿结构，衬底为两层钙钛矿型氧化物异质结的结构。通过在基板上生长双分子层，可以控制磁易轴稍微偏离z方向，从而实现电流诱导的无场磁化。通过读写分离的操作，解决了传统的MRAM所存在的问题，实现了无需外部磁场即可进行读写，加快了非易失存储器领域发展的步伐。

技术领域

本发明涉及一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，可用于非易失性存储器技术领域。

背景技术

磁隧道结(MTJ)是磁阻随机存取存储器(MRAM)的基本元件，由两个铁磁金属层和隔开铁磁金属层隧穿势垒层三层组成。当两个铁磁金属层之间的磁化方向平行时，MTJ的电阻较低；当它们处于反平行结构时，MTJ的电阻较高。低阻和高阻状态可以像其他类型的存储器一样用于记录信息。并联和反并联是MRAM中典型的写操作，它是通过逆转一个铁磁电极(自由层或存储层)的磁化方向，同时保持另一个铁磁电极(参考层)的磁化方向不变来实现的。

现阶段SOT-MRAM的实际应用依然存在困难，一个原因是用于提供SOT的底电极材料的自旋霍尔电导率需要进一步的提高。自旋霍尔角电导率越高，翻转磁隧道结所需的电流越低，多年以来，各国致力于寻找高自旋霍尔电导率的底电极材料。

一种基于钙钛矿氧化物异质结为衬底的SOT-MRAM的核心部分SOT-MTJ具有非易失性、高速读写、低功耗、接近无限次的反复擦写次数等诸多优点。然而，目前SOT-MRAM 的写入需要外部磁场来决定其自由层的磁化翻转极性，同时写入电流相对过高，从而影响了其纳米加工工艺，且阻碍了其继续小型化的发展。

在一个典型的自旋霍尔材料/磁性材料异质结中，SOT不是来源于自旋霍尔效应就是来源于Rashba-Edelstein效应，最近，从理论上提出了钙钛矿氧化物可以产生较大的本征自旋霍尔效应，这使得钙钛矿氧化物称为很好的候选材料。考虑到可扩展性和功耗，磁性材料的强垂直磁各向异性(PMA)和有效的无磁场确定性开关是可取的。在传统的SOT 结构中，超薄铁磁层具有良好的PMA，实现确定性无场切换需要特定的器件设计，这使设备结构复杂化，阻碍了大规模生产。另外，由于钙钛矿氧化过程中电荷、轨道、自旋和晶格自由度的相互作用，可从本质上实现垂直磁化的低功率、高效率的确定性无场开关。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：基于钙钛矿型异质结衬底及锯齿型隧穿异质结的自旋轨道动量矩磁存储器，由上到下包括顶电极、反铁磁金属层、SOT-MTJ 和衬底，所述SOT-MTJ包括由上至下依次设置的参考层、隧穿势垒层、重金属材料Ru、自由层，所述隧穿势垒层为两层氧化物混合的不均称锯齿结构，衬底为两层钙钛矿型氧化物异质结的结构。

优选地，所述衬底材料为SrTiO₃、SrIrO₃、SrRuO₃中的任意两种。

优选地，所述重金属材料为Ru，重金属材料Ru设置在铁磁金属层和隧穿势垒层中间，Ru层能够吸收入射的自旋电流作为自旋阱，增强铁磁体对自选电流的吸收，Ru层材料结构的厚度1nm。

优选地，所述自由层为混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB、或镍铁NiFe中的一种，用于存储数据，自由层即铁磁金属层，厚度为1-3nm。