[发明专利]铁电调控人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器

说明书

本发明涉及铁电调控人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器。一种自旋轨道矩磁随机存储器可包括多个存储单元，每个存储单元可包括：固定磁层；形成在所述固定磁层上的间隔层；形成在所述间隔层上的具有人工反铁磁结构的自由磁层，所述自由磁层包括：形成在所述间隔层上的第一磁层；形成在所述第一磁层上的非磁耦合层；以及形成在所述非磁耦合层上的第二磁层；形成在所述自由磁层上的自旋轨道矩材料层；以及形成在所述自旋轨道矩材料层上的铁电层。本发明通过铁电层导致的电荷转移及极化电场来调控自由层的人工反铁磁结构从反铁磁耦合转变到铁磁耦合，降低了写入过程所需的电流密度，从而节省了存储器件的功耗。

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种包括铁电调控的人工反铁磁自由层结构的自旋轨道矩磁随机存储器(Spin-Orbit Torque Magnetic RandomAccess Memory,SOT-MRAM)。

背景技术

磁随机存储器(MRAM)通过改变自由磁层相对于固定磁层(也称为参考磁层)的磁化方向，形成分别与平行态和反平行态对应的不同磁电阻态来完成数据的存储。MRAM具有高速读写、高集成度、低能耗、以及近乎无限次擦写等优点，因此被视为下一代存储器件的候选之一。MRAM可包括自旋阀(Spin Valve)或磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)，其均包括自由磁层、固定磁层、以及夹在二者之间的间隔层，其中自旋阀的间隔层可包括非磁金属材料例如Ru、Cu等，磁性隧道结的间隔层可包括非磁绝缘材料例如诸如MgO、Al₂O₃之类的金属氧化物等。当自由层的磁化方向平行于固定层的磁化方向时，自旋阀或磁性隧道结具有低电阻；当自由层的磁化方向反平行于固定层的磁化方向时，自旋阀或磁性隧道结具有高电阻。自旋阀和磁性隧道结的低阻态和高阻态可分别对应于二进制数据的“0”和“1”，或者反之亦可。为了简单起见，下面将主要以磁性隧道结为例来进行描述，但是应理解，这里描述的磁性隧道结的实施例也可以应用到自旋阀器件。

传统的MRAM借助电流产生的磁场来改变两磁层的相对磁化取向，以实现“0”和“1”的写入。为了降低电流密度，后来提出了利用由电流产生的自旋转移矩(STT)来切换自由层和固定层的相对磁化取向的STT-MRAM，但是STT-MRAM的写入电流密度仍然比较高，而且磁化翻转速度相对较慢，增加了存储器的能耗，也限制了存储单元阵列的排列密度和写入响应速率。针对这些问题，又提出了可显著降低写电流密度并且改善写入速度的SOT-MRAM(自旋轨道矩磁随机存储器)，其利用自旋霍尔效应，借助于自旋轨道矩来翻转自由层的磁化方向。但是，SOT翻转时磁畴的稳定性不高，自由层与固定层的相对磁化取向易发生回复。

发明内容

针对上述以及其他现有技术中存在的问题，本发明提供了一种铁电调控人工反铁磁自由层的SOT-MRAM，即利用具有高介电常数且极化稳定可调的二维铁电材料来调控作为自由层的人工反铁磁结构，由反铁磁耦合态转变为铁磁耦合态，并结合自旋轨道力矩快速稳定地翻转自由层的磁化方向，实现数据写入。所述铁电层在偏置电压作用下会发生饱和极化，形成铁电增强的极化电场。同时，铁电极化后在上表面聚积正(负)电荷，在下表面聚积负(正)电荷，此时在其上方并与其接触的自旋轨道矩材料层在下表面聚集负(正)电荷，上表面聚集正(负)电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层与自旋轨道矩材料层之间发生显著的电荷转移，与纯电场调控相比，其能有效放大穿透自旋轨道矩材料层的电场强度，由此实现对人工反铁磁结构的铁磁耦合状态的有效调控。同时，界面电荷转移导致自旋轨道矩材料层内不均匀电荷分布的出现，它不但可以调控其内部自旋轨道耦合强度，还可以显著增强其与铁磁自由层界面处的Rashba自旋轨道耦合效应，使得自由层更加容易翻转。此外，铁电层与自旋轨道矩材料层之间的界面可形成界面轨道杂化，该效应亦可显著提高自旋轨道矩材料层的自旋轨道耦合效应，协同铁电场效应与电荷转移效应来共同调控人工反铁磁结构的铁磁耦合状态。本发明能够减小写入电流密度，并且提高写入响应速率，进而提高存储单元阵列排列密度，降低能耗。