CN105426157B - 一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器 - Google Patents

一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，包括一个或多个磁性隧道结与重金属层；本发明利用自旋霍尔效应来随机赋予每个MRAM存储单元信息，从而产生任意长度的随机码。在磁性隧道结的写入过程中，如果没有偏置外磁场，SOC效应只能将记录层磁化方向从垂直方向改变为水平方向。关闭写电流则最终的记录层磁化方向不确定，对应的存储信息也不确定(如0或1)。因此，该生成器可以用来产生随机码，随机码产生的几率可以通过偏置磁场来控制。

Description

一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器
技术领域
本发明涉及随机码生成器领域，尤其涉及一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器。
背景技术
磁性随机存储器(MRAM)是一种非易失型的存储器，由依靠电路相互连接的磁性隧道结(MTJ)阵列组成。每个MTJ含有磁性的记录层和固定层。记录层和固定层之间由非磁性的隧穿层分开。在MTJ正常工作时记录层的磁化方向可以改变，而固定层的磁化方向保持不变。MTJ的电阻与记录层和固定层的相对磁化方向有关。当记录层的磁化方向相对于固定层的磁化方向发生改变时，MTJ的电阻值相应改变，对应于不同的存储信息(如0或1)。电阻值发生变化的幅度称为磁电阻。
在基于自旋霍尔效应的磁性随机存储器(MRAM)中，记录层的偏转通过电子的自旋轨道耦合(SOC)效应实现。当面内水平电流通过MTJ重金属下电极时，电流在记录层与重金属下电极的界面产生的极化电流。当有偏置外磁场存在的情况下，如果电流的大小超过SOC效应的阈值，则导致记录层的磁化方向发生反转。反转后记录层的磁化方向由写电流流动的方向决定。
发明内容
本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，包括磁性隧道结与重金属层，还可以加入偏置线圈，通过偏置线圈内通过的电流产生的磁场来进行控制磁性隧道结的平行(0)或反向平行(1)出现的几率；本发明可用于实现产生随机码。
本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，包括磁性隧道结、产生自旋霍尔效应的重金属层；磁性隧道结连接于重金属层上方或下方。
作为优选，所述随机码生成器还包括偏置导线或偏置线圈，设于磁性隧道结两侧或上下方。
作为优选，所述磁性隧道结包括垂直固定层I、耦合层、垂直固定层II、隧穿层、垂直记录层；若磁性隧道结连于重金属层上方，则垂直记录层、隧穿层、垂直固定层II、耦合层、垂直固定层I自下而上依次堆叠连接；若磁性隧道结连于重金属层下方，则垂直固定层I、耦合层、垂直固定层II、隧穿层、垂直记录层自下而上依次堆叠连接。
作为优选，所述垂直固定层I、垂直固定层II、垂直记录层的磁化方向为在膜层内或垂直于膜层。
作为优选，所述垂直固定层I,II和耦合层一起组成合成反铁磁耦合(SAF)结构；合成反铁磁耦合(SAF)结构由两层磁性材料与反铁磁耦合层组成；两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。
作为优选，垂直记录层也可以由SAF结构组成。
作为优选，所述隧穿层包括一层或多层绝缘层，其材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。
作为优选，所述垂直固定层I、垂直固定层II的材料为钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及由上述元素组成的合金。
作为优选，所述产生自旋霍尔效应的重金属层的材料含有铂、钯、钽或钨。
作为优选，所述重金属层上方或下方若连接有多个磁性隧道结，则形成多位随机码生成器。
作为优选，所述所述反铁磁耦合层的材料含有钌、铑、铼、铱、铜、银、金，以及包含上述材料的合金。
作为优选，所述垂直记录层的材料为钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及包含上述元素的合金。
本发明的有益效果在于：本发明随机码生成器可以用来产生随机密码，可以应用于通讯、金融、商业等需要密码的场合，有很大的应用前景。
附图说明
图1是本发明随机码生成器的结构示意图1；
图2是本发明随机码生成器的结构示意图2；
图3是本发明随机码生成器的结构示意图3；
图4是本发明随机码生成器的结构示意图4。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：如图1所示，一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器由磁性隧道结1、产生自旋霍尔效应的重金属层2组成；磁性隧道结1连接于重金属层上方。其中，磁性隧道结1含有铁磁性的垂直固定层I 101、垂直固定层II 103，反铁磁耦合层102，非磁性的隧穿层104，垂直记录层105。垂直固定层I 101、垂直固定层II 103和垂直记录层105的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。垂直固定层I 101、垂直固定层II 103可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。隧穿层104可能由一层或多层绝缘层组成。
垂直固定层I 101,II103和耦合层102一起组成SAF结构；耦合层102为反铁磁耦合层；垂直记录层105也可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构。SAF结构由两层磁性材料组成。两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。隧穿层104可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。垂直记录层105可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。重金属层106可能包含但不仅限于以下材料：铂、钯、钽或钨等。
重金属层内的水平电流产生自旋霍尔效应，使记录层的磁化方向从垂直方向倒向水平方向；关闭电流则记录层的磁化方向恢复垂直方向但与固定层的磁化方向平行(0)或反向平行(1)，出现几率为50/50；信号输出则通过测量磁性隧道结的电阻来实现。
实施例2：如图2所示，一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器由磁性隧道结1、产生自旋霍尔效应的重金属层2、偏置导线3组成；磁性隧道结1连接于重金属层上方，偏置导线3设于磁性隧道结1的右侧。其中，磁性隧道结1含有铁磁性的垂直固定层I 101、垂直固定层II 103，反铁磁耦合层102，非磁性的隧穿层104，垂直记录层105。垂直固定层I 101、垂直固定层II 103和垂直记录层105的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。垂直固定层I 101、垂直固定层II 103可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。隧穿层104可能由一层或多层绝缘层组成。
垂直固定层I 101,II103和耦合层102一起组成SAF结构，耦合层102为反铁磁耦合层；垂直记录层105也可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构。SAF结构由两层磁性材料组成。两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。隧穿层104可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。垂直记录层105可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。重金属层2可能包含但不仅限于以下材料：铂、钯、钽或钨等。
在写入过程中，SOC效应只能将记录层磁化方向从垂直方向改变为水平方向，关闭电流则记录层的磁化方向恢复垂直方向但与固定层的磁化方向平行(0)或反向平行(1)，出现几率为50/50；在加入偏置导线3后，MTJ的平行(0)或反向平行(1)出现的几率可以通过偏置导线3内通过的电流产生的磁场来进行控制。
实施例3：如图3所示，一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器由磁性隧道结1、产生自旋霍尔效应的重金属层2、偏置线圈4组成；磁性隧道结1连接于重金属层上方，偏置线圈4设于磁性隧道结1的上方。其中，磁性隧道结1含有铁磁性的垂直固定层I 101、垂直固定层II 103，反铁磁耦合层102，非磁性的隧穿层104，垂直记录层105。垂直固定层I 101、垂直固定层II 103和垂直记录层105的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。垂直固定层I 101、垂直固定层II 103可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。隧穿层104可能由一层或多层绝缘层组成。
垂直固定层I 101,II103和耦合层102一起组成SAF结构；垂直记录层105也可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构。SAF结构由两层磁性材料组成。两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。隧穿层104可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。垂直记录层105可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。重金属层2可能包含但不仅限于以下材料：铂、钯、钽或钨等。
在写入过程中，SOC效应只能将记录层磁化方向从垂直方向改变为水平方向，关闭电流则记录层的磁化方向恢复垂直方向但与固定层的磁化方向平行(0)或反向平行(1)，出现几率为50/50；在加入偏置线圈4后，MTJ的平行(0)或反向平行(1)出现的几率可以通过偏置线圈4内通过的电流产生的磁场来进行控制。
实施例4：如图4所示，一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器由多个磁性隧道结1、产生自旋霍尔效应的重金属层2、偏置线圈4组成；多个磁性隧道结1依次设于重金属层上方，偏置线圈4覆盖于磁性隧道结1的上方。其中，磁性隧道结1含有铁磁性的垂直固定层I、垂直固定层II，反铁磁耦合层，非磁性的隧穿层，垂直记录层。多个磁性隧道结1构成多位随机码存储器。
垂直固定层I、垂直固定层II和垂直记录层的磁化方向可能是在膜层面内，也可能是垂直于膜面。垂直固定层I、垂直固定层II可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及由上述元素组成的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。隧穿层可能由一层或多层绝缘层组成。垂直固定层I,II和耦合层一起组成SAF结构，耦合层为反铁磁耦合层；垂直记录层也可能含有合成反铁磁耦合(SAF)结构。SAF结构由两层磁性材料组成。两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。SAF中的反铁磁耦合层可能包含但不仅限于以下材料：钌、铑、铼、铱、铜、银、金等及包含上述材料的合金。隧穿层可能包含但不仅限于以下材料：氧化镁、氧化铝、氧化铝镁(MgAl2O4)、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝等。垂直记录层可能包含但不仅限于以下材料和结构：钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨等以及包含上述元素的合金，以及由上述元素及合金组成的多层膜结构。重金属层2可能包含但不仅限于以下材料：铂、钯、钽或钨等。
在写入过程中，SOC效应只能将记录层磁化方向从垂直方向改变为水平方向，关闭电流则记录层的磁化方向恢复垂直方向但与固定层的磁化方向平行(0)或反向平行(1)，出现几率为50/50；在加入偏置线圈4后，多个磁性隧道结1的平行(0)或反向平行(1)出现的几率可以通过偏置线圈4内通过的电流产生的磁场来进行控制。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于，包括磁性隧道结(1)、产生自旋霍尔效应的重金属层(2)、偏置导线(3)或偏置线圈(4)；磁性隧道结(1)连接于重金属层(2)上方或下方；偏置导线(3)或偏置线圈(4)设于磁性隧道结(1)两侧或上下方；所述磁性隧道结(1)包括垂直固定层I(101)、耦合层(102)、垂直固定层II(103)、隧穿层(104)、垂直记录层(105)；若磁性隧道结连于重金属层上方，则垂直记录层(105)、隧穿层(104)、垂直固定层II(103)、耦合层(102)、垂直固定层I(101)自下而上依次堆叠连接；若磁性隧道结连于重金属层下方，则垂直固定层I(101)、耦合层(102)、垂直固定层II(103)、隧穿层(104)、垂直记录层(105)自下而上依次堆叠连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于：所述垂直固定层I(101)、垂直固定层II(103)、垂直记录层(105)的磁化方向为在膜层内或垂直于膜层。
3.根据权利要求1所述的一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于：所述的垂直固定层I(101)、垂直固定层II(103)和耦合层(102)一起组成合成反铁磁耦合结构；合成反铁磁耦合结构由两层磁性材料与反铁磁耦合层组成；两层磁性材料被反铁磁耦合层分开，并通过反铁磁耦合层的层间相互作用实现磁化方向的反向排列。
4.根据权利要求1所述的一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于：所述隧穿层(104)包括一层或多层绝缘层，其材料含有氧化镁、氧化铝、氧化铝镁、氧化钽、氧化钛、氧化钆、氧化铪、氧化锆、氧化镓、氧化钪、氧化钒、氧化锌、氧化镁锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氮化硼或氮化铝。
5.根据权利要求1所述的一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于：所述垂直固定层I(101)、垂直固定层II(103)的材料为钴、铁、镍、铕、钆、铽、钐、镝、钬、铂、钯、锰、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及由上述元素组成的合金。
6.根据权利要求1所述的一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于：所述产生自旋霍尔效应的重金属层(2)的材料含有铂、钯、钽或钨。
7.根据权利要求1所述的一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于：所述重金属层(2)上方或下方若连接有多个磁性隧道结(1)，则形成多位随机码生成器。
8.根据权利要求3所述的一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于：所述反铁磁耦合层的材料含有钌、铑、铼、铱、铜、银、金，以及包含上述材料的合金。
9.根据权利要求1所述的一种基于自旋霍尔效应的随机码生成器，其特征在于：所述垂直记录层(105)的材料为钴、铁、镍、铂、钯、硼、铪、锆、钽、铌、钒、钛、钼、铬、钨以及包含上述元素的合金。
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