[发明专利]一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器

说明书

本发明公开了一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器，该多态存储器具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、第一交换偏置层、绝缘材料层、第二交换偏置层和上电极；其中，自旋流产生层用于产生对磁矩施加自旋轨道力矩的自旋流；第一交换偏置层用于存储数据；绝缘材料层用于提供垂直磁各向异性；第二交换偏置层用于读取隧穿磁电阻；自旋流产生层的两端分别设置为第一电极和第二电极，第一电极和第二电极间施加写电流，以存储数据；第二电极和上电极间施加读电流，以读取数据。本发明有效提升多态存储器的存储密度、存储稳定性、并降低存储功耗、提高存储器的抗干扰能力。

技术领域

本发明涉及信息存储和半导体领域，特别地，涉及一种基于反铁磁和铁磁材料构成的两个交换偏置层的多态存储器、其制备方法和多态存储方法及人工突触器。

背景技术

随着信息时代的快速发展，大数据时代已经到来，这就需要提高目前存储器的数据存储密度，因此多态存储被广泛研究。相比于传统的计算机二进制存储，多态存储是在一个存储单元里实现多个字节的存储，这样可以极大地增加信息存储密度。另一方面，基于“冯·诺依曼”构型的计算机虽然在数据运算方面表现出极大的优势，然而在图片识别、学习能力等方面还远远不及人脑；并且在同等计算的情况下，计算机的功耗也远远大于人脑的功耗。为此，基于模拟人脑计算模式的神经计算也开始被广泛研究。神经计算网络的最基本的运算器是人工突触，利用其多态存储特性来模拟生物突触的塑性行为和学习行为。因此研究多态存储器对于大数据时代的数据高密度存储和神经计算网络的发展具有重要的应用前景。

近些年来，在自旋电子学领域涌现了对于多态存储的研究。对于单一反铁磁来说，虽然可以实现多态存储功能，且存储态很稳定，但是由于反铁磁对外不表现磁性，所以基于反铁磁的多态存储目前的信号读取主要是依赖于各向异性磁电阻，这对于实际应用来说信号很弱。而基于铁磁材料的多态存储，是利用铁磁畴的变化就会引起电阻变化的特点来实现多态存储，由于外磁场对于铁磁畴的运动会有影响，所以这样的多态存储不稳定。另外，现有的利用自旋流驱动磁化强度翻转或磁畴运动的方法，都需要一个辅助磁场来破坏对称性，才能实现电流驱动下的磁矩翻转，这不利于该效应的实际应用。

发明内容

针对现有技术的不足和改进需求，本发明提供了一种无需磁场辅助的全电驱动的基于反铁磁和铁磁材料构成的两个交换偏置层的多态存储器及多态存储方法，其目的在于，有效提升存储器的存储密度、存储的稳定性、并降低存储功耗、提高存储器的抗干扰能力。

为了实现上述目的，根据本发明第一方面，提供了一种多态存储器，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、第一交换偏置层、绝缘材料层、第二交换偏置层和上电极；

其中，所述自旋流产生层用于产生对磁矩施加自旋轨道力矩的自旋流；所述第一交换偏置层的磁畴状态在所述自旋流的作用下发生改变，用于存储数据；所述绝缘材料层用于提供垂直磁各向异性，使得所述第一交换偏置层和第二交换偏置层的易磁化方向分别垂直于其膜面；所述第二交换偏置层用于读取隧穿磁电阻；

所述自旋流产生层的两端分别设置为第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极间施加写电流，以存储数据；所述第二电极和所述上电极间施加读电流，以读取数据。

进一步的，所述第一交换偏置层从下至上依次包括下反铁磁层和下铁磁层，所述第二交换偏置层从下至上依次包括上铁磁层和上反铁磁层；

其中，所述下铁磁层和所述上铁磁层均具有垂直磁各向异性；所述下反铁磁层和所述下铁磁层间具有垂直交换偏置；所述上铁磁层和所述上反铁磁层间具有垂直交换偏置；

所述下反铁磁层和所述下铁磁层的磁畴由于交换相互作用耦合在一起，所述磁畴状态在所述自旋流的作用下会发生变化，进而导致多态存储器的电阻值发生改变；所述上铁磁层用于读取所述隧穿磁电阻；所述上反铁磁层用于保证所述上铁磁层的磁化方向不发生变化。