[发明专利]基于人工反铁磁固定层的磁性结构及SOT-MRAM

说明书

本发明公开了一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构及自旋轨道矩‑随机磁存储器(Spin‑Orbit Torque Magnetic Random Access Memory，SOT‑MRAM)，其包含一个电场调控的基于人工反铁磁装置的固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层；其中基于人工反铁磁装置的固定层可以通过电场调控，实现其反铁磁耦合增强。所述装置可以在电场和电流的共同作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有密度高、功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。

技术领域

本发明涉及具有磁性/铁磁材料或结构的电路和器件及其应用，更具体地说，涉及一种电场调控的基于人工反铁磁装置的固定层以及使用自旋轨道矩进行数据擦写的自旋轨道矩-磁性随机存储器(Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory,SOT-MRAM)。

背景技术

磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)由两磁性金属层和夹在其间的超薄绝缘层组成。如果在两磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可通过隧穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流/隧穿电阻的大小取决于两铁磁层中磁化的相对取向(平行或反平行，分别对应二进制状态的“1”和“0”。)，这种现象称为隧穿磁阻(Tunneling Magnetoresistance，TMR)。两铁磁层中磁化的相对取向可通过施加磁场来改变。

与传统MRAM相比，SOT-MRAM装置利用电流产生自旋轨道矩(而不是由电流产生的磁场)来切换自由层与固定层磁化的相对取向，继而实现数据写入。同时，器件结构也不易在高电流密度下受到破坏。但这种SOT-MRAM的写入电流密度还是很高，限制了存储单元阵列的排列密度。

因此，提供一种电场调控的基于人工反铁磁固定层的SOT-MRAM，即利用电场调控一种人工反铁磁装置用以增强其反铁磁耦合，使其作为磁性隧道结的固定层，结合电流与电压共同作用切换自由层与固定层磁化的相对取向，实现数据写入，能够减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种磁性结构，该磁性结构包含了基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和自旋轨道矩材料层，将该磁性结构用于SOT-MRAM中，从而实现减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗的效果。

本发明目的之二在于提供一种基于人工反铁磁固定层的磁性结构的自旋轨道矩-磁性随机存储器，该装置利用电场辅助实现数据写入，具有写入响应快的优点。

本发明目的之三在于提供一种读写分离的自旋轨道矩-磁性随机存储器的写入方法，该方法极大程度降低了电流密度对MRAM工作寿命的影响。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明给出了一种磁性结构，包括一个基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层，且磁性隧道结固定层的反铁磁耦合受电场调控，磁化方向垂直指向面外或平行于面内。

优选的，所述磁性隧道结为一个三明治结构，由一个基于人工反铁磁装置的固定层、一个自由层和一个非磁性势垒层构成，其中基于人工反铁磁装置的固定层和自由层为磁性层，磁化方向垂直指向面外或平行于面内，非磁性势垒层位于二者之间；人工反铁磁装置的直径为1nm～100nm，且处于反铁磁态；将其置于外电场中，在0.1V～15V范围内，通过调节外加电场的电压来改变电场强度，使其反铁磁耦合强度增强。

优选的，所述基于人工反铁磁装置的固定层为第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的垂直三明治堆叠结构；所述第一层及第二层铁磁层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；

优选的，所述铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)_p、(Co/Pd)_m或(Co/Pt)_n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；