[发明专利]无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器及其存储方法

说明书

本发明涉及一种无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器及其存储方法，包括从上至下的反铁磁层、绝缘层和重金属层，反铁磁层和重金属层的两组写入电流在空间上相互垂直的，控制反铁磁层和重金属层的两组写入电流大小和方向，可控制反铁磁层中的Néel矢量向上或向下的状态，所述Néel矢量状态代表存储的不同信息。利用直流电流调控一种反铁磁装置的Néel矢量，实现数据写入，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。该垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元，具有更高的磁矩翻转速度，并具有更好的存储稳定性，同时具有结构简单、速度快、抗杂散场扰动、非易失性的优点，本存储单元尤其在读写速度上更快。

技术领域

本发明涉及一种存储技术，特别涉及一种无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器及其存储方法。

背景技术

磁随机存储器(MRAM)指以磁电阻值或磁化状态变化来存储数据的随机存储器,它采用磁化状态的不同或由其产生的磁电阻值的不同来记录0和1,只要不施加外磁场或输入控制电流,其磁化状态不变,所记录的信息也不变。磁随机存储器具有高速读写能力和高集成度,为得到信息读取及写入速度更快、数据的存取密度更高、功耗更低以及更加便携的电子存储设备提供了新的方法。并由于其还具有非易失性、低功耗、抗辐射等优点,在计算机、工业自动化、航空航天以及国防工业中有重要应用。目前主要的磁随机存储器:一类是磁场驱动型的MRAM,另一类电流驱动型的自旋转移矩驱动的MRAM,简称STT-MRAM。对于电流驱动型，，使用了STT的磁化反转的速度很快，但用于磁化反转的临界电流密度相对较高。增大了器件的功耗。最近几年，人们基于电流驱动磁化翻转的方法提出了另一种驱动方式，即通过自旋轨道转矩。因为电流注入到重金属层中会由于自旋轨道耦合,产生垂直于电流方向的自旋流,该自旋流也会作用在与重金属层紧靠的磁性材料上,从而产生自旋轨道转矩，改变磁层的磁化状态,简称为自旋轨道转矩驱动的MRAM(SOT-MRAM)。在之前的研究中,由于考虑到翻转磁化状态难度及翻转机理研究的局限性，磁层通常是选用铁磁材料或亚铁磁材料。

相比于传统的铁磁材料和亚铁磁材料，反铁磁性材料由于原子间强耦合场和自身整体净磁矩表现为零，能够带来更加快速的信息写入并且对于外部场的干扰也表现得更加稳定。虽然磁性存储器器件提供了在许多操作条件下的非易失性存储，但是在这样的器件中存在对于更稳健的数据存储的需要，使得即使在存储器被暴露于不利条件之后，例如非预设的杂散场等，数据也被维持。

发明内容

针对自旋轨道转矩驱动的磁随机存储器翻转磁化状态问题，提出了一种无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器及其存储方法，仅通过电流调控的基于反铁磁材料的SOT-MRAM，即利用直流电流调控一种反铁磁装置的Néel矢量，实现数据写入，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。提高传统磁存储器的磁矩翻转速度和存储稳定性。所述的器件结构可以在无需外场辅助，仅通过电流实现数据的稳定写入。

本发明的技术方案为：一种无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器，包括从上至下的反铁磁层、绝缘层和重金属层，反铁磁层和重金属层的两组写入电流在空间上相互垂直的，控制反铁磁层和重金属层的两组写入电流大小和方向，可控制反铁磁层中的Néel矢量向上或向下的状态，所述Néel矢量状态代表存储的不同信息。

优选的，所述反铁磁层材质为稀土-过渡族金属非晶合金，其稀土元素为Tb、Gd、Ho元素中的一种，过渡族金属为具有垂直各向异性的反铁磁材料。

优选的，所述重金属层为自旋霍尔角大的重金属元素层，其元素为Ta、W、Pt、Au、Ir非磁性重金属中的一种，或所述非磁性重金属与其它过渡族金属形成的非磁性合金。

优选的，所述反铁磁层、绝缘层和重金属层的厚度均为nm级。

优选的，所述反铁磁层厚度在3nm以下。