[发明专利]自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器

说明书

本公开提供了一种自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器，其自旋轨道扭矩磁随机存储单元包括：磁隧道结和选通器；选通器为二维材料基选通器；磁隧道结布置在所述选通器的上方；所述磁隧道结包括反铁磁层和自由层，所述自由层与所述反铁磁层邻接；所述选通器开启，所述存储单元导通，电流产生自旋流注入所述自由层，在所述自由层和所述反铁磁层的交换偏置效应作用下，所述自由层磁化方向翻转。本公开无外场利用交换偏置效应，通过施加磁隧道结优化偏置电压可实现室温零磁场下的SOT‑MRAM存储单元的确定性磁化翻转，达到数据写入的目的，实现双端结构的SOT‑MRAM存储单元。

技术领域

本公开涉及磁随机存储器领域，尤其涉及一种无外场定向磁化翻转三维集成的自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器。

背景技术

全球信息化高速发展对数据处理芯片算力的空前需求给现有存储器架构带来了巨大的挑战，也驱使着新型存储技术的不断革新。传统的硅基存储技术趋近极限，凸显能耗、读写速度、可靠性和存储容量等方面的壁垒，促使各类新型存储器近年来得到快速发展。作为新型存储器之一，磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，简称MRAM)，具有高读写速度、低功耗、非易失性、抗辐照等优点，使其在信息领域受到全世界的广泛关注和深入研究。

信息处理对存储器读写速度、存储容量、功耗和可靠性等日益增长的技术需求，促进了MRAM研究成果的迭代。第一代的MRAM采用脉冲电流产生奥斯特场，作为驱动铁磁层信息写入的方式。然而这种方法导致极大的功耗，并且对邻近存储单元存在不可避免的干扰，不利于器件的高密度集成。因此，第一代的MRAM技术在实际应用中未得到大规模拓展。作为第二代MRAM，自旋转移扭矩磁随机存储器(Spin Transfer Torque MRAM，简称STT-MRAM)具有更优异的器件性能。STT-MRAM的核心为“三明治”结构的磁隧道结(Magnetic TunnelJunction，MTJ)，其基本结构由上下电极，以及电极之间的参考层、隧穿层和存储信息的自由层组成。极薄的MTJ通过自旋的注入实现信息的存储，在具有与传统静态随机存储器(SRAM)相当的读写速度的同时，大大缩小了器件的尺寸并降低功耗，且具有未来存储器件必备的非易失性特性。因此，在其发展过程中，研究者们也将STT-MRAM定位在与SRAM相似的高速存储器件上，不断进行着创新研发。然而，STT-MRAM信息的写入过程需较大电流直接通过隧道结，不利于器件稳定且伴随着相对的高功耗。

针对STT-MRAM存储技术存在的不足，新一代的MRAM应运而生。2012年，自旋轨道扭矩磁随机存储器(Spin-Orbit Torque MRAM，简称SOT-MRAM)技术被提出。虽然SOT-MRAM核心结构同样是MTJ，却有着完全不同的信息写入方式。利用自旋-轨道矩SOT效应来翻转磁自由层，写入信息时不需大电流通过隧道结，实现信息的读、写分离，这可以极大提高器件的稳定性，且实验验证拥有比STT更快的磁化翻转速度和更低的翻转临界电流密度，有助于大幅降低功耗。

虽然自旋-轨道矩SOT有望解决自旋-转移矩STT所面临的速度、能耗和势垒可靠性的瓶颈，但SOT仍旧有亟待解决的问题。首先，数据写入时，要求SOT-MRAM需要外加辅助面内静磁场，这不利于SOT-MRAM的制造与小型化；其次，传统三端SOT-MRAM占有比STT-MRAM这类双端器件更大的面积，不利于存储容量的进一步提升。因此，如何在不依赖外加磁场的全电学驱动的条件下，实现SOT-MRAM高速、高可靠、低功耗的信息存储和读取，以及如何提高SOT-MRAM的存储容量，成为了可集成SOT-MRAM发展道路上亟待解决的关键核心问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种自旋轨道扭矩磁随机存储单元、存储阵列及存储器，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种自旋轨道扭矩磁随机存储单元，包括：