[发明专利]一种磁性结构和自旋转移矩-磁随机存储器及其写入方法在审
| 申请号： | 202011586913.8 | 申请日： | 2020-12-28 |
| 公开（公告）号： | CN112701217A | 公开（公告）日： | 2021-04-23 |
| 发明（设计）人： | 闵泰;周雪;郭志新;李桃 | 申请（专利权）人： | 西安交通大学 |
| 主分类号： | H01L43/08 | 分类号： | H01L43/08;G11C11/16 |
| 代理公司： | 北京中济纬天专利代理有限公司 11429 | 代理人： | 覃婧婵 |
| 地址： | 710049 *** | 国省代码： | 陕西;61 |
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| 摘要： | |||
| 搜索关键词： | 一种 磁性 结构 自旋 转移 随机 存储器 及其 写入 方法 | ||
本发明公开了一种铁电辅助电场调控人工反铁磁自由层的磁性结构及自旋转移矩‑磁随机存储器(STT‑MRAM)，涉及磁性/铁磁/铁电材料或结构的电路和器件及其应用领域。磁性结构包括：一个能产生稳定极化电场和电荷转移效应的铁电层和一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结。其中人工反铁磁自由层可在铁电极化电场辅助调控下实现反铁磁耦合与铁磁耦合的转变，降低了写入电流密度，节约能耗。
技术领域
本发明涉及自旋电子学领域，更具体的说涉及一种铁电极化辅助电场调控人工反铁磁自由层层间耦合以及使用自旋转移矩进行数据擦写的自旋转移矩-磁随机存储器(Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory，STT-MRAM)
背景技术
磁随机存储器MRAM的核心存储单元是磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)或自旋阀(Spin Valve)。MTJ由参考层、非磁性间隔层、自由层组成，参考层和自由层一般是铁磁性材料，非磁性间隔层是绝缘体，又称为隧穿层，位于参考层和自由层中间，电子主要以隧穿形式通过MTJ。参考层的磁化方向不变，自由层的磁化方向可以改变。数据以磁化状态的形式写入MTJ：当自由层与参考层的磁化方向平行时MTJ呈现低阻态，用于表示数据存储的二进制状态“1”，当自由层与参考层的磁化方向反平行时MTJ呈现高阻态，用于表示二进制状态“0”。
自旋转移矩-磁随机存储器STT-MRAM利用自旋转移矩翻转自由层磁化实现数据写入，但是其临界写入电流与写入时间成反比变化，因此提高写入速度需要增大写入电流，较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度，增加功耗，同时产生的焦耳热也对器件的稳定性有着巨大的破坏作用。
为了解决该问题，本发明提供一种铁电辅助电场调控的磁随机存储器，可以减小写入电流密度，节约功耗，是本领域研究需要解决的重要技术问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是解决自旋转移矩-随机存储器消耗更大电量，同时产生的焦耳热对器件的稳定性潜在破坏作用的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁性结构，其特征在于，所述磁性结构包括一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结，和一个能产生极化电场的铁电层；
所述磁性隧道结包括：固定层、形成在所述固定层下的间隔层、形成在所述间隔层下的基于人工反铁磁结构的自由层，所述间隔层位于所述固定层和所述自由层之间。
所述人工反铁磁自由层包括：形成在所述间隔层下的第二磁性层，形成在所述第二磁性层下的非磁性耦合层，形成在所述非磁性耦合层下的第一磁性层。
所述铁电层形成在所述自由层人工反铁磁下，所述铁电层与人工反铁自由层之间可以添加绝缘层。
本发明还提供了一种自旋转移矩-磁随机存储器，其特征在于，
所述自旋转移矩-磁随机存储器包括所述的磁性结构，还包括：
位于所述固定层上方的第一电极；
位于所述第一磁性层与所述铁电层之间的第二电极；
位于所述铁电层下方的第三电极；
所述第一电极和第二电极用于施加通过磁性隧道结的垂直电流；
所述第三电极用于向所述铁电层施加电压脉冲，使铁电层产生极化电场。
所述铁电层在外加电场作用下可产生稳定的极化电场，辅助调控基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；
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