铁电调控人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器

1.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 random access memory,sot
‑
mram)。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.一实施例提供一种自旋轨道矩磁随机存储器，其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。
6.在一些实施例中，所述自旋轨道矩材料层由具有自旋霍尔效应的导电材料形成，并且与所述自由磁层的第二磁层直接接触，所述铁电层由绝缘或半导体铁电材料形成。
7.在一些实施例中，每个存储单元还包括：形成在所述固定磁层一侧的第一电极；形成在所述自旋轨道矩材料层的相对两端的第二电极和第三电极；以及形成在所述铁电层与所述自旋轨道矩材料层相反的一侧在相对两端的第四电极和第五电极，其中，所述第二电极和所述第三电极用于施加流经所述自旋轨道矩材料层的面内电流，其中，所述第二电极和所述第三电极之一与所述第一电极用于施加流经所述固定磁层、所述间隔层和所述自由磁层的垂直电流，且其中，所述第四电极和所述第五电极用于向所述铁电层施加电压，以将所述铁电层的极化电场调控到垂直方向或相对于所述垂直方向倾斜的倾斜方向上。
8.在一些实施例中，所述第二磁层的磁矩大于所述第一磁层的磁矩。
9.在一些实施例中，所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：pmn
‑
pt((1
‑
x)[pbmg
1/3
nb
2/3
o3]
‑
x[pbtio3])、pzn
‑
pt((1
‑
x)pb(zn
1/3
nb
2/3
)o3]
‑
x[pbtio3])、psn
‑
pt(pb(sc
1/2
nb
1/2
)
‑
pbtio3)、pb(in
1/2
nb
1/2
)
‑
pbtio3,pb(yb
1/2
nb
1/2
)
‑
pbtio3、batio3、bifeo3、pbtio3、srtio3、linbo3、litao3、hfo2、zro2、hf
(1
‑
x)
zr
x
o2、sic、gan、knbo3、kh2po4、pb(zr1‑
x
ti
x
)o3、lioso3、catio3、ktio3、ba
x
sr1‑
x
tio3(bst)、(pb,la)tio3(plt)、latio3、(bila)4ti3o
12
(blt)、srruo3、bahfo3、la1‑
x
sr
x
mno3、bamnf4、α
‑
in2se3、β'
‑
in2se3、banif4、bamgf4、bacuf4、baznf4、bacof4、bafef4、bamnf4、cuinp2s6、agbip2se6、cuinp2se6、mos2、mote2、ws2、wse2、wte2、bin、zno、snte、snse、sns、gese、ges、gete、gaas、p2o3、sige、site、sisn、gesn、β
‑
gese、pbte、mosse、gatecl、mapbi3、mapbbr3、ba2pbcl4、pvdf、p(vdf
‑
trfe)、c
13
h
14
cln5o2cd、tio2、cu2o、seo3、sc2co2、crn、crb2、g
‑
c6n8h以及极性化学基团
‑
ch2f,
‑
cho,
‑
cooh或
‑
conh2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。
[0010]
在一些实施例中，所述自旋轨道矩磁随机存储器还包括用于向所述第二磁层施加偏置磁场的偏置磁层。
[0011]
一实施例提供一种操作上述自旋轨道矩磁随机存储器的方法，包括：施加流经所述自旋轨道矩材料层的第一面内电流，施加流经所述固定磁层、所述间隔层和所述自由磁层的第二垂直电流，并且向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加第一极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的铁磁耦合，以翻转所述自由磁层的第二磁层的磁化方向，从而向所述存储单元写入数据；以及在向所述存储单元写入数据之后，向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁
层施加第二极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的反铁磁耦合，从而在所述存储单元中保持所写入的数据，其中，向所述存储单元写入的数据取决于所述第二垂直电流的方向。
[0012]
在一些实施例中，当所述第二垂直电流沿第一方向时，向所述存储单元写入数据“0”，当所述第二垂直电流沿与所述第一方向相反的第二方向时，向所述存储单元写入数据“1”。
[0013]
在一些实施例中，所述第一极化电场是垂直于所述自由磁层的垂直电场，所述第二极化电场是相对于所述自由磁层倾斜的倾斜电场。
[0014]
一实施例提供一种操作上述自旋轨道矩磁随机存储器的方法，包括：施加流经所述自旋轨道矩材料层的面内电流，并且向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加垂直极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的铁磁耦合，同时在所述偏置磁层向所述自由磁层的第二磁层施加的偏置磁场的共同作用下，翻转所述自由磁层的第二磁层的磁化方向，从而向所述存储单元写入数据；以及在向所述存储单元写入数据之后，向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加倾斜极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的反铁磁耦合，从而在所述存储单元中保持所写入的数据，其中，当所述自由磁层具有垂直磁化时，向所述存储单元写入的数据取决于所述垂直极化电场的方向，且其中，当所述自由磁层具有面内磁化时，向所述存储单元写入的数据取决于所述面内电流的方向，且所述面内电流的方向与所述自由磁层的面内磁化的方向垂直。
[0015]
一实施例提供一种操作上述自旋轨道矩磁随机存储器的方法，包括：施加流经所述自旋轨道矩材料层的面内电流，并且向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加第一极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的铁磁耦合，以翻转所述自由磁层的第二磁层的磁化方向，从而向所述存储单元写入数据；以及在向所述存储单元写入数据之后，向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由磁层施加第二极化电场，使得所述自由磁层的非磁耦合层诱导所述第一磁层和所述第二磁层之间的反铁磁耦合，从而在所述存储单元中保持所写入的数据，其中，当所述自由磁层具有面内磁化时，所述面内电流的方向与所述自由磁层中的第二磁层的易磁化轴成一夹角θ，当所述自由磁层具有离面磁化时，所述自由磁层中的第二磁层的易磁化轴与所述第二磁层的法线方向成一夹角θ，所述夹角θ在0
°
<θ<90
°
的范围，且其中，向所述存储单元写入的数据取决于所述面内电流的方向。
[0016]
在一些实施例中，所述夹角θ在30
°
<θ<60
°
的范围。
[0017]
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
[0018]
图1示出根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的单元结构示意图。
[0019]
图2示出根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的结构示意图。
[0020]
图3示出根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器写入方法示意图。
[0021]
图4示出根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器写入方法示意图。
[0022]
图5示出根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器写入方法示意图。
[0023]
图6示出根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器读取方法示意图。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图描述本发明的示例性实施例。应理解，附图不是按比例绘制的。描述这些实施例以便于理解本发明的原理，但是这些实施例不以任何方式对本发明的范围进行限制。
[0025]
图1示出根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器的单元结构示意图。虽然未示出，但是自旋轨道矩磁随机存储器可包括排列成阵列的多个图1所示的单元结构，每个单元结构可存储一比特数据“0”或“1”。如图1所示，该单元结构可包括自旋阀或磁性隧道结31、自旋轨道矩材料层32和铁电层33。
[0026]
自旋阀或磁性隧道结31可包括固定层23、间隔层22和自由层21。固定层23可具有固定的磁化方向。例如，虽然未示出，但是固定层23的与间隔层22相反的一侧可具有反铁磁(afm)钉扎层以钉扎固定层23的磁化方向；或者，固定层23也可以具有自钉扎结构，例如固定层23可以由具有较高矫顽力的材料或结构形成。
[0027]
在一些实施例中，固定层23可包括铁磁或亚铁磁金属材料或合金，其示例包括但不限于fe、co、ni、mn、nife、fept、fepd、cofe、copt、copd、yco、laco、prco、ndco、smco、cofeb、bimn或nimnsb，以及它们与b、al、zr、hf、nb、ta、cr、mo、pd或pt组成的多组元合金等；或者包括合成铁磁或亚铁磁材料，如a/b多层结构，其中a是诸如co、fe、ni之类的铁磁金属或者包括其的合金，b是3d/4d/4f/5d/5f稀土金属材料；或者包括半金属铁磁材料，如形式为xyz或x2yz的heusler合金等，其中x选自fe、co、ni、mn、pd或cu，y选自fe、co、mn、ni、ti、cr或v，z选自in、si、ge、al、sn、ga或sb；或者包括人工反铁磁结构，具有耦合层分隔开的两个铁磁层，其中铁磁层材料可选用fe、co、ni、cofe、cocrpt、cofeb、(co/ni)p、(co/pd)m或(co/pt)n等，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，耦合层材料可选用nb、ta、cr、mo、w、pt、au、cu、ag、re、ru、os、rh或ir等。在一些实施例中，固定层23的厚度可以在2nm～40nm的范围，优选地在2nm～20nm的范围，更优选地在2nm～10nm的范围。
[0028]
间隔层22可包括非磁导电材料或者非磁绝缘材料。当间隔层22由非磁导电材料形成时，其厚度优选地不大于该材料的自旋电子平均自由程。当间隔层22由非磁绝缘材料形成时，其亦常称为势垒层，电子可通过隧穿效应穿过该势垒层，从而在固定层23和自由层21之间流动。
[0029]
在一些实施例中，可用于间隔层22的非磁绝缘材料的示例包括但不限于mg、ca、b、al、cu、ta、v、cr、w、sr、la、ti、hf、ru、in、si或eu等元素的氧化物、氮化物或氮氧化物，以及sic、c或陶瓷材料等。在一些实施例中，可用于间隔层22的非磁导电材料可包括非磁金属或合金，其示例包括但不限于cu、ag、au、al、pt、ta、ti、nb、os、ru、rh、y、mg、pd、cr、w、mo、v以及它们的合金等。在一些实施例中，间隔层22的厚度可以在0.1nm～10nm的范围内，优选地在0.1nm～5nm的范围内，更优选地在0.1nm～2nm的范围内。
[0030]
自由层21具有人工反铁磁(saf)结构，包括第一磁层11、非磁耦合层12以及第二磁层13。非磁耦合层12可以诱导第一磁层11和第二磁层13之间的反铁磁耦合，因此这种结构也称为人工反铁磁结构。从下面的描述可以理解，固定层23和自由层21(即第一磁层11和第
二磁层13)可具有面内磁化或者离面磁化(也称为面外磁化或垂直磁化)。
[0031]
在一些实施例中，第一磁层11和第二磁层13可由常见的铁磁材料形成，其示例包括但不限于ni、cocrpt、cofeb、(co/ni)p、(co/pd)m或(co/pt)n等，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；或者可由垂直磁晶各向异性较强的铁磁材料形成，其示例包括但不限于fe、fe
‑
4％si、co、cofe、cofe2o4、bafe
12
o
19
等。第一磁层11和第二磁层13每个的厚度可以在0.1nm～8nm的范围内，优选地在0.2nm～5nm的范围内，更优选地在0.2nm～3nm的范围内。
[0032]
在一些实施例中，靠近自旋轨道矩材料层32的第二磁层13具有比远离自旋轨道矩材料层32的第一磁层11更大的磁矩。例如，第二磁层13可以具有比第一磁层11更大的厚度，或者第二磁层13可以由比第一磁层11具有更大磁矩的材料形成。
[0033]
在一些实施例中，非磁耦合层12可由非磁导电材料形成，其示例包括但不限于nb、ta、cr、mo、w、pt、au、cu、ag、re、ru、os、rh或ir等。非磁耦合层12的厚度可以在0.1nm～10nm的范围内，更优选地在0.2nm～5nm的范围内。
[0034]
自旋轨道矩材料层32形成在人工反铁磁结构自由层21上，并且与自由层21中的第二磁层13直接接触。自旋轨道矩材料，也可以称为自旋霍尔效应材料，当电流流过这种材料时，由于受到自旋轨道耦合产生的等效磁场作用，会产生自旋极化流，该自旋极化流可以提供使与之接触的自由层21的第二磁层13的磁矩翻转的自旋转矩，这将在下面进一步详细描述。
[0035]
在一些实施例中，可用于形成自旋轨道矩材料层32的材料的示例包括但不限于：重金属材料，例如pt、au、w、β
‑
w、y、zr、nb、mo、tc、ru、rh、pd、cd、in、sb、te、hf、ta、β
‑
ta、re、os、ir、hg、tl、pb、bi或po等；拓扑绝缘体材料，例如cate、hgte、cdte、alsb、inas、gasb、alsb、bi1‑
x
sb
x
、bi2se3、sb2te3、bi2te3、bi2te2se、(bi,sb)2te3、bi2‑
x
sb
x
te3‑
y
se
y
、sb2te2se、tlbise2、tlbite2、tlbi(s,se)2、pbbi2te4、pbsb2te4、gebi2te4、pbbi4te7、snte、pb1‑
x
sn
x
te、ag2te、smb6、bi
14
rh3i9、lubipt、dybipt、gdbipt或nd2(ir1‑
x
rh
x
)2o7等。自旋轨道矩材料层32的厚度可以在0.1nm～20nm的范围内，优选地在0.1nm～10nm的范围内。
[0036]
铁电层33形成在自旋轨道矩材料层32的与自由层21相反的一侧。铁电层33可由绝缘或半导体铁电材料形成。可用于铁电层33的材料的示例包括但不限于：pmn
‑
pt((1
‑
x)[pbmg
1/3
nb
2/3
o3]
‑
x[pbtio3])、pzn
‑
pt((1
‑
x)pb(zn
1/3
nb
2/3
)o3]
‑
x[pbtio3])、psn
‑
pt(pb(sc
1/2
nb
1/2
)
‑
pbtio3)、pb(in
1/2
nb
1/2
)
‑
pbtio3,pb(yb
1/2
nb
1/2
)
‑
pbtio3、batio3、bifeo3、pbtio3、srtio3、linbo3、litao3、hfo2、zro2、hf
(1
‑
x)
zr
x
o2、sic、gan、knbo3、kh2po4、pb(zr1‑
x
ti
x
)o3、lioso3、catio3、ktio3、ba
x
sr1‑
x
tio3(bst)、(pb,la)tio3(plt)、latio3、(bila)4ti3o
12
(blt)、srruo3、bahfo3、la1‑
x
sr
x
mno3、bamnf4、α
‑
in2se3、β'
‑
in2se3、banif4、bamgf4、bacuf4、baznf4、bacof4、bafef4、bamnf4、cuinp2s6、agbip2se6、cuinp2se6、mos2、mote2、ws2、wse2、wte2、bin、zno、snte、snse、sns、gese、ges、gete、gaas、p2o3、sige、site、sisn、gesn、β
‑
gese、pbte、mosse、gatecl、mapbi3、mapbbr3、ba2pbcl4、pvdf、p(vdf
‑
trfe)、c
13
h
14
cln5o2cd、tio2、cu2o、seo3、sc2co2、crn、crb2、g
‑
c6n8h以及极性化学基团
‑
ch2f,
‑
cho,
‑
cooh或
‑
conh2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。。在一些实施例中，铁电层33的厚度可以在0.1nm～500nm的范围，优选地在1nm～200nm的范围，更优选地在10nm～100nm的范围。
[0037]
在一些实施例中，图1所示的多层结构可以具有各种形状，例如圆形、椭圆形、正方向、长方形、环形等。
[0038]
图1所示的单元结构还可以包括顶电极34、两个中间电极35和36、以及两个底电极37和38。顶电极34形成在固定层23上并且覆盖固定层23，其可由具有良好的导电性和耐腐蚀性的材料形成，也用作保护层。中间电极35和36形成在自旋轨道矩材料层32两端，优选在其长轴两端，以用于施加流过自旋轨道矩材料层32的面内电流。底电极37和38形成在铁电层33的与自旋轨道矩材料层32相反的一侧，并且位于铁电层33两端，从而不与自旋轨道矩材料层32电接触。底电极37和38可用于向铁电层33施加预定电压，以产生极化电场。
[0039]
在一些实施例中，顶电极34、两个中间电极35和36、以及两个底电极37和38可由具有良好导电性的金属或合金材料形成，其示例包括但不限于li、mg、al、ca、sc、ti、v、mn、cu、zn、ga、ge、sr、y、zr、nb、mo、tc、ru、rh、pd、ag、cd、in、sn、sb、ba、hf、ta、w、re、os、ir、pt、au、tl、pb、bi、po、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm或yb等，也可由碳系导电材料形成，其示例包括但不限于石墨、碳纳米管或竹炭等。
[0040]
在一些实施例中，虽然未示出，但是还可以包括用于向第二磁层13施加面内偏置磁场的偏置磁层，其可以由磁矩较大的永磁材料或铁磁材料形成，包括但不限于常规永磁合金alconi系、fecrco系、cunife系、fecomo系、fecov系等，铁氧体类永磁材料，稀土类永磁材料ndfeb、smco等，以及常见的铁磁材料fe、co、ni、mn、nife、fept、fepd、cofe、copt、copd、yco、laco、prco、ndco、smco、cofeb、bimn或nimnsb以及它们与b、al、zr、hf、nb、ta、cr、mo、pd或pt组成的多组元合金等。偏置磁层的位置没有特殊限制，只要能向第二磁层13施加面内偏置磁场即可。例如，在一些实施例中，偏置磁层可以是形成在第二磁层13两侧的硬偏置层，或者可以形成在顶电极34上方，形成在顶电极34与固定磁层23之间，形成在自旋轨道矩材料层32与铁电层33之间，或者形成在底电极37和38下方。在一些实施例中，还可以用上述材料形成顶电极34和/或底电极37、38以用作偏置层。
[0041]
图2示出包括图1所示的具有铁电调控人工反铁磁自由层的单元结构的自旋轨道矩磁性随机存储器(sot
‑
mram)的示意图。虽然未示出，但是自旋轨道矩磁性随机存储可包括布置成阵列的多个图1所示的单元结构，每个单元结构可以如图2所示的那样连接，从而能对各个单元结构进行下面详细描述的读写操作。如图2所示，sl为源线，wbl1和wbl2为写位线，rbl为读位线，wwl1及wwl2为写字线，rwl为读字线，vcd为电压控制器，vcl1及vcl2为电压控制线。所示单元结构的右侧中间电极36与源线连接，并且可以始终接地(gnd)。控制晶体管t1和t2的栅极的字线wwl1/rwl和wwl2在进行数据写入或读取时，施加高电平(vg)，电路导通，在自旋轨道材料层32或自旋阀/磁性隧道结31中形成电流；在进行数据存储时，不施加电压，此时电路不导通，自旋阀/磁性隧道结31及自旋轨道材料层32中呈开路状态。两底电极37和38外接电压控制器vcd后接入两电压控制线vcl1和vcl2，进而实现对铁电层33的极化控制。下面，将结合图3
‑
6来描述利用图2所示的结构对自旋轨道矩磁性随机存储器(sot
‑
mram)的单元结构进行读写操作的详细过程。
[0042]
具体而言，在本发明的一些实施例中，可以在自旋轨道矩(sot)、自旋转移矩(stt)及铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下，实现对图1和图2所示的自旋轨道矩磁随机存储器的写入。图3示出根据本发明一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器写入方法示意图，其中(a)
‑
(c)示意性示出了写入数据例如“0”的过程，(d)
‑
(f)示意性示出了写入数据例如“1”的过程，写入过程中对各个电极施加的电压示于下面的表1中。但是应理解，自旋轨道矩磁随机存储器中的固定磁层23与自由磁层21，或者更具体地说，自由磁层21的人工反
铁磁结构中的与间隔层22接触的第一磁层11，之间的平行和反平行磁化状态(及其对应的磁致电阻状态)与所存储的数据“1”和“0”之间的对应关系可以自由地确定。换言之，图3中的(a)
‑
(c)也可以描述为写入数据“1”的过程，而(d)
‑
(f)也可以描述为写入数据“0”的过程。对图3的该理解也适用于后面参照图4和图5描述的写入过程。
[0043]
表1
[0044]
操作写入“1”存储“1”写入“0”存储“0”读取“0”或“1”wwl1vg0vg0
‑
wwl2vg0vg0
‑
wbl1vwp10vwn10
‑
wbl2vwp20vwn20
‑
rwl
‑‑‑‑
vgrbl
‑‑‑‑
vrpvdl1vpvpvpvpvpvcl2vpvnvpvnvnslgndgndgndgndgnd
[0045]
首先参照图3中的(a)，其中自旋轨道矩磁随机存储器(sot
‑
mram)初始为存储数据“1”状态，例如固定磁层23和第一磁层11的磁矩彼此平行(低阻态)。此时，铁电层33上的电极37和38可分别施加有正向电压vp和负向电压vn，使铁电层33的极化方向为倾斜方向，从而施加在自由层21的人工反铁磁结构上的垂直电场为低电场，或者可以认为铁电层33不对自由层21施加电场，此时人工反铁磁结构可以为反铁磁耦合状态。参照图3中的(b)，当对顶电极34施加负向高电压vwn1，对左侧中间电极35施加负向中电压vwn2，右侧中间电极36接地(gnd)后，自旋轨道材料层32将产生横向电流，其通过自旋霍尔效应而在自旋轨道材料层32与第二磁层13之间的界面处产生自旋积累，使第二磁层13的垂直磁矩由于自旋轨道力矩而翻转到面内方向。同时，自旋阀或磁性隧道结31中将产生纵向向上的自旋电流，其通过自旋转移矩(stt)效应使得第二磁层13的磁矩翻转到与固定层23相同的方向上。同时，对铁电层33上的两底电极37和38都施加正向电压vp，使铁电层33的极化方向被调控到垂直方向上，从而在垂直方向上产生较大的电荷转移及极化电场，使自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态翻转至铁磁耦合状态，即非磁耦合层12诱导第一磁层11和第二磁层13的磁矩彼此平行耦合。在上述三种作用的共同作用下，自由层21的第一磁层11和第二磁层13的磁矩都与固定磁层23的磁矩平行。
[0046]
应注意的是，这里描述的电流方向是正电流方向，即电子流动方向实际上与电流方向相反。上面虽然描述了正电压和负电压，但是应理解，电压是相对概念，上面描述的电压的符号和大小均可以适当地改变，只要能产生所需电流即可。还应理解，虽然在图3的(b)中示出了自旋轨道材料层32中的横向电流方向为从右向左，但是对于垂直磁矩的自旋阀或磁隧道结31而言，自旋轨道材料层32中的横向电流方向也可以为从左向右，其也可以将第二磁层13中的垂直磁矩翻转到面内方向。
[0047]
继续参照图3的(c)，当撤去顶电极34和中间电极35、36的电压或者将其接地，并且将两底电极37、38的电压恢复成初始状态的正向电压vp和负向电压vn时，铁电层33的极化方向从垂直方向偏转到倾斜方向，垂直方向的极化电场减小，使自由层21的人工反铁磁结
构由铁磁耦合状态恢复至反铁磁耦合状态，此时由于第二磁层13的磁矩大于第一磁层11的磁矩，从而使得第一磁层11的磁矩翻转到与第二磁层13的磁矩反平行的状态。在该情况下，固定层23与第一磁层11的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成了数据“0”的写入和保持。
[0048]
图3中的(d)
‑
(f)示出了写入数据“1”的过程，其中(d)示出了存储数据“0”的初始状态，其实际上与(c)相同。参照图3中的(e)，当对顶电极34施加正向高电压vwp1，对左侧中间电极35施加正向中电压vwp2，并且将右侧中间电极36接地(gnd)后，自旋轨道材料层32将产生横向电流，其通过自旋霍尔效应将自旋流注入到与其接触的第二磁层13中，使第二磁层13的垂直磁矩翻转到面内方向。同时，自旋阀或磁性隧道结31中将产生纵向向下的自旋电流，其通过自旋转移矩(stt)效应使得自由磁层21的第一磁层11和第二磁层13的磁矩翻转到与固定层23相反的方向上。同时，对铁电层33上的两底电极37和38都施加正向电压vp，使铁电层33的极化方向被调控到垂直方向上，从而在垂直方向上产生较大的电荷转移及极化电场，使自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态翻转至铁磁耦合状态，即非磁耦合层12诱导第一磁层11和第二磁层13的磁矩彼此平行耦合。在上述三种作用的共同作用下，自由层21的第一磁层11和第二磁层13的磁矩都与固定磁层23的磁矩反平行。同样应理解的是，虽然在图3的(e)中示出了自旋轨道材料层32中的横向电流方向为从左向右，但是对于垂直磁矩的自旋阀或磁隧道结31而言，自旋轨道材料层32中的横向电流方向也可以为从右向左，其也可以将第二磁层13中的垂直磁矩翻转到面内方向。
[0049]
继续参照图3的(f)，当撤去顶电极34和中间电极35、36的电压或者将其接地，并且将两底电极37、38的电压恢复成初始状态的正向电压vp和负向电压vn时，铁电层33的极化方向从垂直方向偏转到倾斜方向，垂直方向的极化电场减小，使自由层21的人工反铁磁结构由铁磁耦合状态恢复至反铁磁耦合状态，此时由于第二磁层13的磁矩大于第一磁层11的磁矩，从而使得第一磁层11的磁矩翻转到与第二磁层13的磁矩反平行的状态。在该情况下，固定层23与第一磁层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成了数据“1”的写入和保持。
[0050]
虽然图3中示出了各个磁层具有垂直磁化，但是应理解，图3的过程也可以应用到各个磁层具有面内磁化的实施例中。此时，自由磁层的面内磁化的方向优选在与自旋轨道材料层32中的横向电流方向平行与反平行的方向之间翻转，同样通过改变垂直stt电流的方向来改变自由磁层21的翻转方向，其他方面与图3所示的实施例相同，这里不再赘述。
[0051]
图4示出根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器(sot
‑
mram)写入方法示意图，其中示出了在顶电极上方的偏置磁层，但是应理解，偏置磁层也可以如前所述形成在其他位置。
[0052]
在参照图4描述的方法中，将在自旋轨道矩(sot)、偏置磁层产生的杂散偏置磁场以及铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下，实现对自旋轨道矩磁随机存储器的写入，该过程中对各个电极施加的电压示于下面的表2中。与图3所示的写入过程相比，图4的写入过程没有利用stt电流来进行写入。
[0053]
表2
[0054]
操作写入“1”存储“1”写入“0”存储“0”读取“1”读取“0”wwl1
‑‑‑‑‑‑
wwl2vg0vg0
‑‑
wbl1
‑‑‑‑‑‑
wbl2vwp0vwn0
‑‑
rwl
‑‑‑‑
vgvgrbl
‑‑‑‑
vrpvrpvdl1vpvpvpvpvpvpvcl2vpvnvpvnvnvnslgndgndgndgndgndgnd
[0055]
首先参照图4中的小图(a)，sot
‑
mram初始状态为存储数据“1”的状态，即固定磁层23和自由磁层21中的第一磁层11的磁矩彼此平行。此时，底电极37和38可以分别施加有电压vp和vn，使得铁电层33的极化方向为倾斜向上。参照小图(b)，当对左侧中间电极35施加负向电压vwn，右侧中间电极36接地(gnd)后，自旋轨道材料层32中将产生横向电流，通过自旋霍尔效应而在自旋轨道材料层32与第二磁层13之间的界面处产生自旋积累，使得第二磁层13的垂直向下方向的磁矩由于自旋轨道力矩而翻转到面内方向。在该实施例中，偏置磁层将产生沿面内方向的杂散磁场，其破坏第二磁层13的时间反演对称性，同时产生额外的转矩，使自由磁层21的第二磁层13的磁矩翻转到与固定层23相同的方向上。由于第二磁层13为薄层结构，且偏置磁层产生的面外方向上的杂散磁场分量较小，所以可以忽略杂散磁场面外分量的影响。同时，对两底电极37和38施加正向电压vp，铁电层33的极化方向被调控至垂直向上，在垂直方向产生与电流同极性的极化电场，从而在垂直方向上产生较大的电荷转移及极化电场，使自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态翻转至铁磁耦合状态，即非磁耦合层12诱导第一磁层11和第二磁层13的磁矩彼此平行耦合。在上述三种作用的共同作用下，自由层21的第一磁层11和第二磁层13的磁矩都与固定磁层23的磁矩平行。
[0056]
继续参照图4的小图(c)，当撤去左侧中间电极35的电压或者将其接地，并且对两底电极37、38分别施加正向电压vp和负向电压vn后，铁电层33的极化方向发生偏转，垂直向上的极化电场减小。此时，自由层21的人工反铁磁结构从铁磁耦合退至反铁磁耦合，由于第二磁层13的磁矩大于第一磁层11的磁矩，第一磁层11的磁矩将会翻转至与第二磁层13反平行的垂直向下方向上，从而固定层23与第一磁层11的磁化方向彼此相反(高阻态)，完成了数据“0”的写入和保持。
[0057]
图4中的(d)
‑
(f)示出了数据“1”的写入过程，其中(d)示出了sot
‑
mram中存储有数据“0”的初始状态，其与(c)相同。参照图4中的小图(e)，当对左侧中间电极35施加正向电压vwp，右侧中间电极36接地(gnd)后，自旋轨道材料层32将产生与(b)方向相反的横向电流，其使第二磁层13的磁矩由于自旋轨道力矩而翻转到面内且与写入数据“0”时相反的方向，此时杂散磁场所产生的力矩取向与写入数据“0”时相反。同时，对两底电极37、38施加正向电压vp，使铁电层33的极化方向被调控至垂直向上，该电荷转移及极化电场同样使自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态转变为铁磁耦合状态，从而使得第二磁层13的磁矩翻转到与(d)中的相反的垂直向下的方向，实现数据“1”的写入。继续参照小图(f)，当撤去左侧中间电极35的电压或者将其接地，并对两底电极37、38分别施加负向电压vp和正向电压vn时，铁电层33的极化方向从垂直方向偏转到倾斜方向，垂直方向的极化电场减小。此时，自由层21的人工反铁磁结构由铁磁耦合状态退至初始的反铁磁耦合状态，由于第二磁层13的磁矩大于第一磁层11的磁矩，因此第一磁层11的磁矩被翻转到与第二磁层13相反的方向，即垂直向上方向，固定层23与第一铁磁层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成了数
据“1”的保持。
[0058]
虽然图4中示出了各个磁层具有垂直磁化，但是应理解，图4的过程也可以应用到各个磁层具有面内磁化的实施例中。此时，偏置磁层的磁化方向应在面外方向，从而向第二磁层13施加沿面外方向上的杂散偏置磁场。同时，自由磁层的面内磁化的方向优选在与自旋轨道材料层32中的横向电流方向垂直的两个面内方向之间翻转，通过改变自旋轨道材料层32中的横向电流方向来改变自由磁层21的翻转方向。其他方面可以与图4所示的实施例相同，这里不再赘述。
[0059]
图5示出根据另一实施例的自旋轨道矩磁性随机存储器(sot
‑
mram)的写入方法，即在自旋轨道矩，形状各向异性诱导的磁晶各向异性、以及铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下的数据写入和存储，该过程中对各个电极施加的电压示于下面的表3中。与图3和图4所示的写入过程相比不同的是，图5所示的过程利用形状各向异性产生的磁晶各向异性来诱导磁矩的翻转，并且图5示出了具有面内磁化的sot
‑
mram器件。在图5的(a)
‑
(f)每个下方的图片为该sot
‑
mram的自旋轨道矩材料层32(矩形层)与自由层21中邻近的第二磁层13(椭圆形层)的示意图。在本实施例中，将自旋阀/磁性隧道结31刻蚀为椭圆形，其长轴c与短轴a之间的比值c/a在1.1至10的范围内，且其长轴c方向与自旋轨道矩材料层32中的面内横向电流方向成一夹角θ，其在0
°
<θ<90
°
的范围，优选地在30
°
<θ<60
°
的范围。
[0060]
表3
[0061]
操作写入“1”存储“1”写入“0”存储“0”读取“0”或“1”wwl1
‑‑‑‑‑
wwl2vg0vg0
‑
wbl1
‑‑‑‑‑
wbl2vwp0vwn0
‑
rwl
‑‑‑‑
vgrbl
‑‑‑‑
vrpvdl1vpvpvpvpvpvcl2vpvnvpvnvnslgndgndgndgndgnd
[0062]
图5中的(a)示出sot
‑
mram存储有数据“1”的初始状态，其中各个磁层具有面内磁化，自由磁层21的第一磁层11的磁矩平行于固定磁层23但是反平行于第二磁层13，自旋阀/磁性隧道结31处于低阻态。应理解，如(a)中下方的平面图所示，磁矩实际上是在与水平方向成θ角的易轴方向上，此时处于稳定状态。
[0063]
继续参照图5中的(b)，当对左侧中间电极35施加负向电压vwn，右侧中间电极接地(gnd)后，自旋轨道材料层32内将产生横向面内电流，在自旋轨道材料层32和自由层21的第二磁层13之间的界面处产生自旋积累，使第二磁层13的磁矩翻转到垂直纸面向外的方向上。同时，对两底电极37、38施加正向电压vp，铁电层33的极化方向被调控至垂直向上，在垂直方向产生较大的电荷转移及极化电场，使自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态翻转至铁磁耦合状态，从而第一磁层11和第二磁层13的磁化方向彼此平行。然后，如(c)所示，当撤去左侧中间电极35的电压或将其接地时，第二磁层13受到的自旋轨道力矩消失，此时第二磁层13的磁矩在磁晶各向异性的作用下，偏转到最近的易轴方向。同时，对两底电极
37、38分别施加正向电压vp和负向电压vn，铁电层33的极化方向从垂直方向偏转到倾斜方向，垂直方向的极化电场减小，使自由层21的人工反铁磁结构从铁磁耦合状态退回至反铁磁耦合状态，即第一磁层11的磁矩翻转到与第二磁层的磁矩相反的方向上。此时，自旋阀或磁性隧道结31中的固定层23与第一磁层11的磁化方向彼此相反(高阻态)，完成了数据“0”的写入和保持。
[0064]
图5的(d)
‑
(f)示出写入数据“1”的过程。参照(d)，sot
‑
mram初始为存储数据“0”状态，其实际上与(c)相同。参照(e)，当对左侧中间电极35施加正向电压vwp，右侧中间电极36接地(gnd)后，自旋轨道材料层32中产生向右的面内横向电流，使自由层21的第二磁层13的磁矩翻转到垂直纸面向内。同时，对两底电极37、38施加正向电压vp，铁电层33的极化方向被调控至垂直向上，在垂直方向产生较大的电荷转移及极化电场，使自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态翻转至铁磁耦合状态，从而第一磁层11的磁化方向翻转到与第二磁层13平行的方向上。继续参照(f)，当撤去左侧中间电极35的电压或将其接地时，施加给第二磁层13的自旋轨道力矩消失，此时第二磁层13的磁矩在磁晶各向异性的作用下，偏转到最近的易轴方向。同时，对两底电极37、38分别施加正向电压vp和负向电压vn，铁电层33的极化方向从垂直方向偏转到倾斜方向，垂直方向的极化电场减小，使自由层21的人工反铁磁结构从铁磁耦合状态退回至反铁磁耦合状态，即第一磁层11的磁矩翻转到与第二磁层的磁矩相反的方向上。此时，自旋阀或磁性隧道结31中的固定层23与第一磁层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成了数据“1”的写入和保持。
[0065]
应理解，图5所示的过程可以有一些变化，而不偏离上面描述的写入原理。例如，施加到自旋轨道材料层32的面内电流可以在垂直纸面的方向上，而不是(b)和(e)所示的左右方向。此时，在步骤(b)和(e)中第二磁层13的磁矩可以被偏转到水平轴的方向上，然后在步骤(c)和(f)中当停止对自旋轨道材料层32施加面内电流时，第二磁层13的磁矩可以在磁晶各向异性力矩的作用下偏转到最近的易轴方向上。此外还应理解的是，图5所示的方法也可以应用到各个磁层具有离面磁化的情形。例如，第二磁层13的易磁化轴可以在与其法线方向(即与第二磁层13垂直的方向)成一夹角θ的方向上，此时自旋轨道材料层32中的横向电流产生的自旋轨道力矩可以将第二磁层13的磁化方向偏转到其面内方向上，然后当停止向自旋轨道材料层32施加横向电流时，在磁晶各向异性力矩的作用下，第二磁层13的磁矩可以偏转到最近的易轴方向。
[0066]
在上面描述的实施例中，优选地，应注意适当地设置施加铁电极化电场和自旋轨道材料层内横向脉冲电流的时序，确保二者施加时具有重叠时间to，其范围可以为0.01ns
‑
50ns，优选为0.05ns
‑
10ns。此外，优选地，铁电极化电场的施加可以不早于横向电流的施加，以保证在数据写入前人工反铁磁结构处于反铁磁耦合状态，这有助于进一步降低数据写入时的临界电流密度。
[0067]
还应理解，由于铁电材料具有极化保持特性，因此在上面描述的写入步骤(b)和(e)与保持/存储步骤(a)、(c)、(d)、(f)中向铁电层33上的底部电极37和38施加不同的电压，以调控铁电层33的极化。在保持/存储步骤(a)、(c)、(d)、(f)中，向铁电层33上的底部电极37和38施加的电压vp和vn可以互换，只要使铁电层33的极化在倾斜方向上，从而向自由层21施加的垂直电场很小，使自由层21的人工反铁磁结构保持为反铁磁耦合状态即可。还应理解，上面描述的电流和电压可以是脉冲电流和电压，因为各个磁层可以保持其自身的
磁矩，铁电层也可以保持其极化状态。
[0068]
在上面描述的实施例中，通过在写入时，利用铁电层产生的电场使自由层的人工反铁磁结构从反铁磁耦合转变到铁磁耦合，可以使自由层的磁矩更容易翻转，从而降低了写入过程所需的电流密度，节省了存储器件的功耗，而且避免的存储器件被过大的电流或电压击穿，有利于延长存储器件的使用寿命。
[0069]
图6示出了该铁电调控的基于人工反铁磁自由层的sot
‑
mram的读取方法。虽然图6中的(a)展示出读取数据“0”的过程，(b)展示出读取数据“1”的过程，但是可以理解，二者的原理实质上是相同的，即施加流过自旋阀/磁性隧道结31的垂直电流，来测量其电阻状态是高阻态还是低阻态，由此可以确定自旋阀/磁性隧道结31中存储的数据是数据“0”还是数据“1”。读取过程施加的电压也示于上面的表1
‑
3中，这里不再一一重复描述。
[0070]
可以理解，在上面结合附图描述的实施例中，通过向铁电层施加偏置电压来使其发生饱和极化，形成了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。因此，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。
[0071]
虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。