[发明专利]一种磁性随机存储器、磁性逻辑器件和自旋微波振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及磁性随机存取存储器、磁性逻辑器件以及自旋微波振荡器 领域，尤其涉及基于Rashba效应的磁性随机存取存储器、磁性逻辑器件 和自旋微波振荡器。

背景技术

众所周知，巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistance，GMR)和隧穿磁 电阻效应(Tunneling Magneto Resistance，TMR)已被广泛地应用到磁电阻型 传感器、磁记录读出磁头等领域，而其中一个重要的应用就是磁性随机存 取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)。典型的MRAM核 心部分结构由四部分构成：位线(Bit Line)、写字线(Word Line)，读字 线(Read Line)和存储单元。位线和写字线，读字线分别位于存储单元的 上方和下方，呈纵横交叉排列，存储单元则位于位线和字线的交叉处。 MRAM读写过程由字线和位线电流共同作用而完成。

现存的磁性随机存取存储器主要基于两种效应，一是通过磁场来翻转 磁矩，从而实现磁性存储单元高低阻态的变化，实现存储比特”0”，”1”的 读写；二是通过自旋极化的电流产生的自旋转移力矩来翻转磁矩，进而实 现存储单元高低阻态的变化。但是后者要想实现电流直接翻转磁矩，需要 高达1×10¹²A/m²的写入电流密度，尽管人们通过采用环形的存储单元设计 (参见专利申请CN1901088)已经降低了该写入电流密度，即达到 1×10¹⁰A/m²，但该量级仍然很大，对于将来低功耗、小功率器件的应用开 发很不利；并且当高电流密度的写入电流电流密度流经器件时，对器件结 构容易在高电流密度下受到破坏，影响器件在反复读写下的使用寿命也有 很大影响。类似地，在现有自旋微波振荡器中(参见专利申请 200810222965)，要实现磁矩进动所需的触发电流通常也很大，这也会使 器件的应用受到限制。进而，类似的磁性逻辑器件(参见专利申请 PCT/CN2007/001174)也受到高电流密度逻辑输入的影响，从而限制其应 用范围。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种写入电流密度更低的磁性随机 存取存储器单元及磁性随机存取存储器。

本发明的另一个目的在于提供一种读写分离磁性器件结构和操作方 法，彻底解决了电流密度对磁性随机存取存储器工作寿命的影响。

本发明的目的还在于提供一种触发电流更低的自旋微波振荡器和一 种基于Rashba效应的磁性逻辑器件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种磁性随机存取存储器单元，包括磁 性多层膜存储单元和写位线，其特征在于，所述磁性多层膜存储单元自下 而上依次包括衬底、非磁性层、核心功能层区和覆盖层；所述核心功能层 区自下而上依次包括下磁性层、中间层和上磁性层；所述写位线与所述非 磁性层相连，以使写电流横向流经所述非磁性层并反转所述下磁性层的磁 矩，实现数据的写入。

上述技术方案中，所述核心功能层区采用钉扎结构或无钉扎结构；所 述钉扎结构中，所述下磁性层为铁磁层，上磁性层自下而上包括被钉扎铁 磁层和反铁磁钉扎层；所述无钉扎结构中，所述下磁性层为软铁磁层，上 磁性层为硬铁磁层。所述软、硬铁磁性材料层具有相对性，可比较其磁性 强弱来定义。软铁磁性层为磁性较弱的层。在选取同种材料的时候，磁性 的相对强弱还和层的形状、厚度有关。

上述技术方案中，所述磁性随机存取存储器单元还包括读位线，所述 写位线位于所述读位线的上层，或者与所述读位线位于同一层，所述写位 线通过金属接触与所述非磁性层相连。

上述技术方案中，所述非磁性层选用金属材料，厚度为0.6～100nm；

所述下磁性层选用能够在表面产生空间反演不对称性的铁磁性材料，厚 度为0.6～100nm；

所述中间层选用金属或非金属材料，厚度为0.6～6nm；

所述非磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量强于所述中间层所选材料 的自旋轨道耦合能量。

上述技术方案中，所述下磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量是所述非 磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量的1％～95％。

上述技术方案中，非磁性层所选材料的自旋轨道耦合能量超过所述中 间层所选材料的自旋轨道耦合能量的120％。