CN108336222A - 一种基于铁磁材料的忆阻器件 - Google Patents

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CN108336222A CN201810051734.0A CN201810051734A CN108336222A CN 108336222 A CN108336222 A CN 108336222A CN 201810051734 A CN201810051734 A CN 201810051734A CN 108336222 A CN108336222 A CN 108336222A
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游龙
张帅
李若凡
洪正敏
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Abstract

本发明公开了一种基于铁磁材料的忆阻器件，具有多层薄膜结构，并且包括一个铁磁层，或者包括一个由第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成的MTJ或自旋阀结构；基于SOT效应或者STT效应，通过向忆阻器件施加电流可以使得铁磁层或者MTJ或自旋阀结构中的第一铁磁层的磁畴状态发生改变，从而实现器件的阻值在高阻态和低阻态之间的连续变化，进而实现信息的存储、运算、神经网络和人工智能。本发明提供的忆阻器件使用铁磁材料，并且基于SOT效应或者STT效应，利用铁磁材料的磁畴状态的改变实现信息的存储，一方面具有较好的读写性能，另一方面具有较好的耐久性；同时，本发明提出的忆阻器件的结构为多层薄膜结构，器件尺寸小，能够实现很高的集成度。

Description

一种基于铁磁材料的忆阻器件
技术领域
本发明属于自旋电子学以及自旋电子器件领域，更具体地，涉及一种基于铁磁材料的忆阻器件。
背景技术
现在社会高速发展，科技不断进步，信息量***增长，为了对逐步增长的海量信息进行存储和运算，我们需要一种速度更快，密度更大，功耗更低，寿命更长的非易失性的兼具存储和运算功能的存储器。忆阻器作为纳米级别器件，集成密度极高，具有非易失性，并且其存储与运算集于一体的特点使得其有望实现神经网络和人工智能，从而改变计算机存储与处理信息的方式和速度，，所以忆阻器有望成为未来存储器发展的方向。
目前影响忆阻器材料选用及应用的因素包括成本、性能、抗辐射能力等，在材料的选用上还要考虑是否能与集成电路工艺兼容。在模拟神经网络中，突触功能一般可由软件和硬件来完成，软件和硬件相比较，软件完成的速度较慢、整体效率较低。硬件一般通过模拟电路、模数混合电路和数字电路来完成。目前，忆阻器的功能是相对于其他器件更接近神经元突触的电子器件，在构建模拟神经元网络中，忆阻器具有巨大的优势。因此，忆阻器具有非常广阔的发展前景，社会需求度高，一旦忆阻器发展成熟，将在神经网络、人工智能、存储等方面发挥巨大的作用，极大推动社会的发展。基于上述应用需求，需要研制出成本低、制备简单、抗辐射能力强、集成度高的忆阻器件。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于铁磁材料的忆阻器件，其目的在于，基于自旋轨道力矩(Spin-Orbit Torque,SOT)效应或者自旋转移力矩(Spin-transfer torque，STT)效应，提供具备忆阻特性，并且制备工艺简单、结构简洁的忆阻器件。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于铁磁材料的忆阻器件，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：由重金属材料或拓扑绝缘体制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的铁磁层、由绝缘材料制成的绝缘层、盖帽层；自旋流生成层用于产生自旋流，并通过自旋流的自旋力矩改变铁磁层的磁畴状态，其中，磁畴状态指磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例；铁磁层的磁畴状态在自旋流的自旋力矩和施加于所述忆阻器件的平面磁场的共同作用下发生改变，从而改变器件电阻值；绝缘层用于提供垂直磁各向异性，使得铁磁层的易磁化方向垂直于其膜面；盖帽层用于保护自旋流生成层、铁磁层以及绝缘层；忆阻器件具有第一电极对和第二电极对。
基于SOT效应，在第一电极对之间或者第二电极对之间施加电流，并对忆阻器件施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于铁磁层，使得铁磁层的磁畴状态发生变化；其中，磁畴状态指磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例，两种磁畴之间的过渡区称为磁畴壁，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化；使磁畴壁(单磁畴壁或多磁畴壁)依据电流方向向前或者向后运动，磁畴壁运动距离由电流大小和施加时间确定，磁畴壁的运动距离可由器件的电阻即反常霍尔电阻读出，磁畴壁的连续运动对应器件阻值的连续变化，使器件阻值不再只具有“0”和“1”两个态，从而实现忆阻器的功能。
优选地，常用的作为自旋流生成层的材料为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi2Se3、Sb2Te3。
优选地，常用的作为铁磁层的材料为CoFeB、Co。
优选地，常用的作为绝缘层的材料为MgO或者AlOx。
优选地，常用的作为盖帽层的材料为钽(Ta)或者钛(Ti)。
进一步地，通过在第一电极对之间或者在第二电极对之间施加写电流改变所阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的写操作；通过在第一电极对或者第二电极对之间施加读电流，并读取另一电极对之间的电压，然后根据所施加的读电流及读取的电压计算得到忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的读操作；
更进一步地，写电流的电流密度大于或等于106A/cm2；读电流的电流密度小于106A/cm2。
结合本发明的第一方面，在本发明的第一实施例中，自旋流生成层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；铁磁层、绝缘层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；忆阻器件的第一电极对为自旋流生成层十字形状的一条直线的两端，忆阻器件的第二电极对为自旋流生成层十字形状的另一条直线的两端。
结合本发明的第一方面，在本发明的第二实施例中，忆阻器件的结构呈十字形状；忆阻器件各层薄膜均为Hall Bar结构，并且各层薄膜的膜面呈相同的十字形状；忆阻器件的第一电极对为忆阻器件十字形状的一条直线的两端，忆阻器件的第二电极对为忆阻器件十字形状的另一条直线的两端。
进一步地，忆阻器件的结构先由膜层制备技术在硅晶元上依次制备出备出自旋流生成层、铁磁层、绝缘层和盖帽层的薄膜，然后进行刻蚀和微纳加工得到。
更进一步地，常用的用于制备忆阻器件各层薄膜的膜层制备技术为磁控溅射技术、电子束蒸发技术或者脉冲激光沉积技术。
更进一步地，忆阻器件各层薄膜的厚度随根据使用材料的特性设定。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于铁磁材料的忆阻器件，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：由重金属材料或拓扑绝缘体制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的第一铁磁层、非磁性层、由铁磁材料制成的第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，自旋流生成层的膜面大于其他层膜面；自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于自旋流生成层中部，使得自旋流生成层至少有两个相对的凸出端；自旋流生成层的两个相对的凸出端分别为忆阻器件的第一电极和第二电极，盖帽层为忆阻器件的第三电极；自旋流生成层用于产生自旋流，并通过自旋流的自旋力矩改变第一铁磁层的磁畴状态；第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成经典“三明治”的MTJ(Magnetic Tunnel Junction，磁性隧道结)或自旋阀结构；MTJ或自旋阀结构的第一铁磁层在自旋流的自旋力矩的作用下，磁畴状态发生变化，从而使得MTJ或者自旋阀的电阻，即忆阻器件的电阻值发生改变；钉扎层用于保证第二铁磁层的磁化方向不发生变化，使得第二铁磁层成为固定层，同时第一铁磁层成为自由层，其磁畴状态可以随电流发生改变；盖帽层用于作为忆阻器件的第三电极并保护自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层以及钉扎层；当非磁性层由可用于电子隧穿的绝缘材料制成时，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成MTJ结构；当非磁性层由金属材料制成时，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成自旋阀结构。
基于SOT效应，在第一电极和第二电极之间施加写电流，并对忆阻器件施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于MTJ或自旋阀结构中的第一铁磁层，使得第一铁磁层的磁畴状态发生改变，从而忆阻器件的电阻阻值发生改变；其中，磁畴状态指磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例，两种磁畴之间的过渡区称为磁畴壁，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化；使磁畴壁(单磁畴壁或多磁畴壁)依据电流方向向前或者向后运动，磁畴壁运动距离由电流大小和施加时间确定，磁畴壁的运动距离可由器件的电阻即反常霍尔电阻读出，磁畴壁的连续运动对应器件阻值的连续变化，使器件阻值不再只具有“0”和“1”两个态，从而实现忆阻器的功能。
优选地，常用的作为自旋流生成层的材料为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi2Se3或者Sb2Te3。
优选地，常用的作为第一铁磁层的材料为CoFeB；常用的作为第二铁磁层的材料为CoFeB。
优选地，常用的作为非磁性层的材料为MgO、Al2O3或Cu。
优选地，常用的作为盖帽层的材料为钽(Ta)或者钛(Ti)。
进一步地，忆阻器件的结构先由膜层制备技术在硅晶元依次制备出自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层和盖帽层的薄膜，然后进行刻蚀和微纳加工得到。
更进一步地，常用的用于制备忆阻器件各层薄膜的膜层制备技术为磁控溅射技术、电子束蒸发技术或者脉冲激光沉积技术。
更进一步地，忆阻器件各层薄膜的厚度随根据使用材料的特性设定。
进一步地，通过在第一电极和第二电极之间施加写电流，改变忆阻器件的电阻值，实现对所述忆阻器件的写操作；在第一电极和第三电极之间或者在第二电极和第三电极之间施加读电流，并读取第一电极和第三电极之间或者第二电极和第三电极之间的电压，然后根据所施加的读电流及读取的电压计算得到忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的读操作；
更进一步地，写电流的电流密度大于或等于106A/cm2；读电流的电流密度小于106A/cm2。
按照本发明的第三方面，本发明提供了一种基于铁磁材料的忆阻器件，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：由金属材料制成的金属层、由铁磁材料制成的第一铁磁层、非磁性层、由铁磁材料制成的第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，金属层的膜面大于其他层膜面；金属层之上的层依次重叠于金属层中部，使得金属层至少有一个凸出端；金属层的一个凸出端为忆阻器件的第一电极，盖帽层为忆阻器件的第二电极；金属层用于作为导体导通电流；第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成MTJ或自旋阀结构，MTJ或自旋阀结构用于实现忆阻器件的读写操作；钉扎层用于保证第二铁磁层的磁化方向不发生变化，使得第二铁磁层成为固定层，同时第一铁磁层成为自由层，其磁畴状态可以随电流发生改变；盖帽层用于作为忆阻器件的第二电极并保护金属层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层以及钉扎层；当非磁性层由可用于电子隧穿的绝缘材料制成时，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成MTJ结构；当非磁性层由金属材料制成时，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成自旋阀结构。
基于STT效应，在第一电极和第二电极之间施加电流，电子流过第二铁磁层时电子将会被极化，形成自旋极化电子；自旋极化电子将改变第一铁磁层的磁畴状态(具体指磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例，两种磁畴之间的过渡区称为磁畴壁，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化)，从而导致MTJ或自旋阀的电阻可以随电流发生连续变化，实现忆阻功能。
优选地，常用的作为第一铁磁层的材料为CoFeB；常用的作为第二铁磁层的材料为CoFeB。
优选地，常用的作为非磁性层的材料为MgO、Al2O3或者Cu。
优选地，常用的作为盖帽层的材料为钽(Ta)或者钛(Ti)。
进一步地，忆阻器件的结构先由膜层制备技术在硅晶元依次制备出金属层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层和盖帽层的薄膜，然后进行刻蚀和微纳加工得到。
更进一步地，忆阻器件各层薄膜的厚度随根据使用材料的特性设定。
进一步地，通过在第一电极和第二电极之间施加写电流改变忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的写操作；通过在第一电极和第二电极之间施加读电流并读取第一电极和第二电极之间的电压，然后根据所施加的读电流和所读取的电压计算得到忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的读操作；
更进一步地，写电流的电流密度大于或等于106A/cm2；读电流的电流密度小于106A/cm2。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提出的忆阻器件使用铁磁材料，并基于SOT效应或者STT效应使得铁磁材料的磁畴状态发生改变，使磁畴壁根据电流方向向前或者向后运动，磁畴壁运动距离可由电流大小和施加时间确定，磁畴壁的运动距离可由器件的电阻如反常霍尔电阻、TMR(Tunneling Magnetoresistance，隧穿磁电阻)或GMR(Giant Magnetoresistance，巨磁电阻)读出，磁畴壁的连续运动对应器件阻值的连续变化，使器件阻值不再只具有“0”和“1”两个态，从而实现信息的存储、运算，神经网络的搭建以及人工智能。由于铁磁材料的磁畴状态翻转速度快、时间短，因此本发明提出的忆阻器件具有较快的读写性能；此外，由于本发明提出的忆阻器件的存储原理是基于铁磁材料的磁畴状态的改变，不会对材料造成较大的损耗，因此本发明提出的器件具有很好的耐久性；
(2)本发明提出的忆阻器件的结构为多层薄膜结构，器件尺寸小，能够实现很高的集成度。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的基于铁磁材料的忆阻器件的示意图；
图2为本发明第二实施例提供的基于铁磁材料的忆阻器件的示意图；
图3为本发明第三实施例提供的基于铁磁材料的忆阻器件的示意图；
图4为本发明第四实施例提供的基于铁磁材料的忆阻器件的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的第一实施例中，如图1所示，基于铁磁材料的忆阻器件具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：由重金属材料或拓扑绝缘体制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的铁磁层、由绝缘材料制成的绝缘层、盖帽层；自旋流生成层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；铁磁层、绝缘层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；自旋流生成层十字形状的一条直线的两端为忆阻器件的第一电极对，自旋流生成层十字形状的另一条直线的两端为忆阻器件的第二电极对；自旋流生成层用于产生自旋流，并通过自旋流的自旋力矩改变铁磁层的磁畴状态；铁磁层的磁畴状态在自旋流的自旋力矩和施加于忆阻器件的平面磁场的共同作用下发生改变，即磁畴壁发生移动，从而使得忆阻器件的电阻值发生改变；绝缘层用于提供垂直磁各向异性，使得铁磁层的磁化方向垂直于膜面；盖帽层用于保护自旋流生成层、铁磁层以及绝缘层。
作为自旋流生成层的常用材料为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi2Se3或者Sb2Te3；作为铁磁层的常用材料为CoFeB；作为绝缘层的常用材料为MgO或者AlOx；作为盖帽层的常用材料为钽(Ta)或者钛(Ti)。
通过在第一电极对之间或者在第二电极对之间施加写电流改变所阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的写操作；通过在第一电极对或者第二电极对之间施加读电流，并读取另一电极对之间的电压，然后根据所施加的读电流及读取的电压计算得到忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的读操作。
在本发明的第二实施例中，如图2所示，基于铁磁材料的忆阻器件具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：由重金属材料或拓扑绝缘体制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的铁磁层、由绝缘材料制成的绝缘层、盖帽层；自旋流生成层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；忆阻器件的结构呈十字形状；忆阻器件各层薄膜均为Hall Bar结构，并且各层薄膜的膜面呈相同的十字形状；忆阻器件十字形状的一条直线的两端为忆阻器件的第一电极对，忆阻器件十字形状的另一条直线的两端为忆阻器件的第二电极对；自旋流生成层用于产生自旋流，并通过自旋流的自旋力矩改变铁磁层的磁畴状态；铁磁层的磁畴状态在自旋流的自旋力矩和施加于所述忆阻器件的平面磁场的共同作用下发生改变，从而使得忆阻器件的电阻值发生改变；绝缘层用于提供垂直磁各向异性，使得铁磁层的磁化方向垂直于其膜面；盖帽层用于保护自旋流生成层、铁磁层以及绝缘层。
作为自旋流生成层的常用材料为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi2Se3或者Sb2Te3；作为铁磁层的常用材料为CoFeB；作为绝缘层的常用材料为MgO或者AlOx；作为盖帽层的常用材料为钽(Ta)或者钛(Ti)。
通过在第一电极对之间或者在第二电极对之间施加写电流改变忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的写操作；通过在第一电极对或者第二电极对之间施加读电流，并读取另一电极对之间的电压，然后根据所施加的读电流及读取的电压计算得到忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的读操作。
在本发明实施例的第三实施例中，如图3所示，基于铁磁材料的忆阻器件具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：由重金属材料或拓扑绝缘体制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的第一铁磁层、非磁性层、由铁磁材料制成的第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，自旋流生成层的膜面大于其他层膜面；自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于自旋流生成层中部，使得自旋流生成层至少有两个相对的凸出端；自旋流生成层的两个相对的凸出端分别为忆阻器件的第一电极和第二电极，盖帽层为忆阻器件的第三电极；自旋流生成层用于产生自旋流，并通过自旋流的自旋力矩改变第一铁磁层的磁畴状态；第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成经典“三明治”的MTJ(Magnetic Tunnel Junction，磁性隧道结)或自旋阀结构；MTJ或自旋阀结构在自旋流的自旋力矩的作用下，第一铁磁层中的磁畴状态发生变化，从而使得忆阻器件的电阻值发生改变；钉扎层用于保证第二铁磁层的磁化方向不发生变化；盖帽层用于作为忆阻器件的第三电极并保护自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层以及钉扎层。
作为自旋流生成层的常用材料为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi2Se3或者Sb2Te3；作为第一铁磁层的常用材料为CoFeB；作为第二铁磁层的常用材料为CoFeB；作为非磁性层的常用材料为MgO、Al2O3或Cu；作为盖帽层的常用材料为钽(Ta)或者钛(Ti)。
通过在第一电极和第二电极之间施加写电流，改变忆阻器件的电阻值，实现对所述忆阻器件的写操作；在第一电极和第三电极之间或者在第二电极和第三电极之间施加读电流，并读取第一电极和第三电极之间或者第二电极和第三电极之间的电压，然后根据所施加的读电流及读取的电压计算得到忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的读操作。
在本发明的第四实施例中，如图4所示，基于铁磁材料的忆阻器件具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：由金属材料制成的金属层、由铁磁材料制成的第一铁磁层、非磁性层、由铁磁材料制成的第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，金属层的膜面大于其他层膜面；金属层之上的层依次重叠于金属层中部，使得金属层至少有一个凸出端；金属层的一个凸出端为忆阻器件的一个电极，盖帽层为忆阻器件的另一个电极；金属层用于作为导体导通电流；第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成MTJ结构或自旋阀结构，MTJ结构或自旋阀结构用于实现忆阻器件的读写操作；钉扎层用于保证第二铁磁层的磁畴状态不发生变化；盖帽层用于作为忆阻器件的电极并保护金属层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层以及钉扎层。
常用的作为第一铁磁层的材料为CoFeB；常用的作为第二铁磁层的材料为CoFeB；常用的作为盖帽层的材料为钽(Ta)或者钛(Ti)。
通过在忆阻器件的两个电极之间施加写电流改变忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的写操作；通过在在忆阻器件的两个电极之间施加读电流并读取两个电极之间的电压，然后根据所施加的读电流和所读取的电压计算得到忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的读操作。
在本发明的第一实施例、第二实施例、第三实施例以及第四实施例中，写电流的电流密度大于或等于106A/cm2；读电流的电流密度小于106A/cm2。
在以上四个实施例中，忆阻器件的结构先由膜层制备技术在硅晶元依次制备出各层薄膜，然后进行刻蚀和微纳加工得到；忆阻器件各层薄膜的厚度随根据使用材料的特性设定；用于制备忆阻器件各层薄膜的膜层制备技术可以是磁控溅射技术、电子束蒸发技术或者脉冲激光沉积技术。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于铁磁材料的忆阻器件，具有多层薄膜结构，其特征在于，从下至上依次包括：由重金属材料或拓扑绝缘体制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的铁磁层、由绝缘材料制成的绝缘层、盖帽层；
所述自旋流生成层用于产生自旋流，并通过自旋流的自旋力矩改变所述铁磁层的磁畴状态；所述铁磁层的磁畴状态在所述自旋流的自旋力矩和施加于所述忆阻器件的平面磁场的共同作用下发生改变，从而使得所述忆阻器件的电阻值发生改变；所述绝缘层用于提供垂直磁各向异性，使得所述铁磁层的易磁化方向垂直于其膜面；所述盖帽层用于保护所述自旋流生成层、所述铁磁层以及所述绝缘层；其中，所述磁畴状态指磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例。
2.如权利要求1所述的基于铁磁材料的忆阻器件，其特征在于，所述忆阻器件具有第一电极对和第二电极对，通过在所述第一电极对之间或者在所述第二电极对之间施加写电流改变所述忆阻器件的电阻值，实现对所述忆阻器件的写操作；通过在所述第一电极对或者所述第二电极对之间施加读电流，并读取另一电极对之间的电压，然后根据所施加的读电流以及读取的电压计算得到所述忆阻器件的电阻值，实现对所述忆阻器件的读操作；
所述写电流的电流密度大于或等于106A/cm2；所述读电流的电流密度小于106A/cm2。
3.如权利要求2所述的基于铁磁材料的忆阻器件，其特征在于，所述自旋流生成层为Hall Bar结构，其膜面呈十字形状；所述铁磁层、所述绝缘层以及所述盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于所述自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；
所述第一电极对为所述自旋流生成层十字形状的一条直线的两端，所述第二电极对为所述自旋流生成层十字形状的另一条直线的两端。
4.如权利要求2所述的基于铁磁材料的忆阻器件，其特征在于，所述忆阻器件的结构呈十字形状；所述忆阻器件各层薄膜均为Hall Bar结构，并且各层薄膜的膜面呈相同的十字形状；
所述第一电极对为所述忆阻器件十字形状的一条直线的两端，所述第二电极对为所述忆阻器件十字形状的另一条直线的两端。
5.一种基于铁磁材料的忆阻器件，具有多层薄膜结构，其特征在于，从下至上依次包括：由重金属材料或者拓扑绝缘体材料制成的自旋流生成层、由铁磁材料制成的第一铁磁层、非磁性层、由铁磁材料制成的第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；
所述第一铁磁层、所述非磁性层、所述第二铁磁层、所述钉扎层以及所述盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，所述自旋流生成层的膜面大于其他层膜面；所述自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于所述自旋流生成层中部，使得所述自旋流生成层至少有两个相对的凸出端；所述自旋流生成层的两个相对的凸出端分别为所述忆阻器件的第一电极和第二电极，所述盖帽层为所述忆阻器件的第三电极；
所述自旋流生成层用于产生自旋流，并通过自旋流的自旋力矩改变所述第一铁磁层的磁畴状态；所述第一铁磁层、所述非磁性层以及所述第二铁磁层构成MTJ或自旋阀结构；所述MTJ或自旋阀结构在所述自旋流的自旋力矩的作用下，第一铁磁层中的磁畴状态发生变化，从而使得所述忆阻器件的电阻值发生改变；所述钉扎层用于保证所述第二铁磁层的磁化方向不发生变化；所述盖帽层用于作为所述忆阻器件的第三电极并保护所述自旋流生成层、所述第一铁磁层、所述非磁性层、所述第二铁磁层以及所述钉扎层；其中，所述磁畴状态指磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例。
6.如权利要求5所述的基于铁磁材料的忆阻器件，其特征在于，通过在所述第一电极和所述第二电极之间施加写电流，改变所述忆阻器件的电阻值，实现对所述忆阻器件的写操作；在所述第一电极和所述第三电极之间或者在所述第二电极和所述第三电极之间施加读电流，并读取所述第一电极和所述第三电极之间或者所述第二电极和所述第三电极之间的电压，然后根据所施加的读电流及读取的电压计算得到所述忆阻器件的电阻值，实现对所述忆阻器件的读操作；
所述写电流的电流密度大于或等于106A/cm2；所述读电流的电流密度小于106A/cm2。
7.一种基于铁磁材料的忆阻器件，具有多层薄膜结构，其特征在于，从下至上依次包括：由金属材料制成的金属层、由铁磁材料制成的第一铁磁层、非磁性层、由铁磁材料制成的第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；
所述第一铁磁层、所述非磁性层、所述第二铁磁层、所述钉扎层以及所述盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，所述金属层的膜面大于其他层膜面；所述金属层之上的层依次重叠于所述金属层中部，使得所述金属层至少有一个凸出端；金属层的一个凸出端为所述忆阻器件的第一电极，所述盖帽层为所述忆阻器件的第二电极；
所述金属层用于作为导体导通电流；所述第一铁磁层、所述非磁性层以及所述第二铁磁层构成MTJ或自旋阀结构，所述MTJ或自旋阀结构用于实现忆阻器件的读写操作；所述钉扎层用于保证所述第二铁磁层的磁化方向不发生变化；所述盖帽层用于作为所述忆阻器件的第二电极并保护所述金属层、所述第一铁磁层、所述非磁性层、所述第二铁磁层以及所述钉扎层。
8.如权利要求7所述的基于铁磁材料的忆阻器件，其特征在于，通过在所述第一电极和所述第二电极之间施加写电流改变忆阻器件的电阻值，实现对忆阻器件的写操作；通过在所述第一电极和所述第二电极之间施加读电流并读取所述第一电极和所述第二电极之间的电压，然后根据所施加的读电流和所读取的电压计算得到所述忆阻器件的电阻值，实现对所述忆阻器件的读操作；
所述写电流的电流密度大于或等于106A/cm2；所述读电流的电流密度小于106A/cm2。
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Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109507617A (zh) * 2018-10-29 2019-03-22 华中科技大学 基于自旋轨道耦合的矢量探测器及未知磁场的探测方法
CN109521996A (zh) * 2018-11-16 2019-03-26 武汉华芯纳磁科技有限公司 基于电子自旋的多态真随机数发生器
CN110212087A (zh) * 2019-05-29 2019-09-06 中国科学院金属研究所 一种无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件
CN110535460A (zh) * 2019-09-23 2019-12-03 四川师范大学 一种基于反铁磁斯格明子的新型逻辑门电路
CN110610022A (zh) * 2019-08-06 2019-12-24 华中科技大学 一种基于铁磁材料的电子模拟积分器
CN110752287A (zh) * 2019-09-29 2020-02-04 华中科技大学 一种基于随机性磁畴壁移动的可重构puf构造方法
CN110752288A (zh) * 2019-09-29 2020-02-04 华中科技大学 一种基于具有sot效应的器件构造可重构puf的方法
CN110851882A (zh) * 2019-10-21 2020-02-28 华中科技大学 基于sot效应的物理不可克隆函数生成方法及***
CN110895953A (zh) * 2018-09-12 2020-03-20 Tdk株式会社 储备池元件和神经形态元件
CN110957420A (zh) * 2018-09-27 2020-04-03 台湾积体电路制造股份有限公司 磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性装置和其制造方法
CN111725386A (zh) * 2019-09-23 2020-09-29 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种磁性存储器件及其制作方法、存储器和神经网络***
CN111933789A (zh) * 2020-08-11 2020-11-13 兰州大学 一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器
CN113193110A (zh) * 2021-03-19 2021-07-30 中国科学院微电子研究所 基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器及制备方法
CN113451355A (zh) * 2020-12-10 2021-09-28 北京航空航天大学 基于自旋轨道矩的磁性存储器件
JP2022082452A (ja) * 2020-11-20 2022-06-01 高麗大学校産学協力団 スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合及びその製造方法
WO2022193290A1 (zh) * 2021-03-19 2022-09-22 中国科学院微电子研究所 基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器及制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111640865B (zh) * 2020-06-10 2023-06-20 中国科学技术大学 一种适用于神经形态计算的人工突触器件

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103890855A (zh) * 2011-08-18 2014-06-25 康奈尔大学 自旋霍尔效应磁性设备、方法及应用
CN105280214A (zh) * 2015-09-10 2016-01-27 中国科学院物理研究所 电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件
WO2016069547A2 (en) * 2014-10-27 2016-05-06 Brown University Beta tungsten thin films with giant spin hall effect for use in compositions and structures with perpendicular magnetic anisotropy
CN107004440A (zh) * 2014-07-17 2017-08-01 康奈尔大学 基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置
US20170249550A1 (en) * 2016-02-28 2017-08-31 Purdue Research Foundation Electronic synapse having spin-orbit torque induced spiketiming dependent plasticity

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4934582B2 (ja) * 2007-12-25 2012-05-16 株式会社日立製作所 スピンホール効果素子を用いた磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気メモリ
CN105355784B (zh) * 2015-06-08 2018-08-03 清华大学 相变自旋非易失存储单元
CN106784299B (zh) * 2017-02-10 2020-04-24 中国科学院物理研究所 多层膜异质结构、其制备方法及应用
CN106876582B (zh) * 2017-02-21 2019-11-29 中国科学院物理研究所 磁性隧道结及包括其的磁器件和电子设备

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103890855A (zh) * 2011-08-18 2014-06-25 康奈尔大学 自旋霍尔效应磁性设备、方法及应用
CN107004440A (zh) * 2014-07-17 2017-08-01 康奈尔大学 基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置
WO2016069547A2 (en) * 2014-10-27 2016-05-06 Brown University Beta tungsten thin films with giant spin hall effect for use in compositions and structures with perpendicular magnetic anisotropy
CN105280214A (zh) * 2015-09-10 2016-01-27 中国科学院物理研究所 电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件
US20170249550A1 (en) * 2016-02-28 2017-08-31 Purdue Research Foundation Electronic synapse having spin-orbit torque induced spiketiming dependent plasticity

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ABHRONIL SENGUPTA ET AL.: ""Proposal for an All-Spin Artificial Neural Network: Emulating Neural and Synaptic Functionalities Through Domain Wall Motion in Ferromagnets"", 《IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL CIRCUITS AND SYSTEMS》 *
STEVEN LEQUEUX ET AL.: ""A magnetic synapse: multilevel spin-torque memristor with perpendicular anisotropy"", 《SCIENTIFIC REPORT》 *

Cited By (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110895953A (zh) * 2018-09-12 2020-03-20 Tdk株式会社 储备池元件和神经形态元件
CN110895953B (zh) * 2018-09-12 2023-08-04 Tdk株式会社 储备池元件和神经形态元件
CN110957420B (zh) * 2018-09-27 2023-04-18 台湾积体电路制造股份有限公司 磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性装置和其制造方法
US11195991B2 (en) 2018-09-27 2021-12-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Magnetic random access memory assisted devices and methods of making
TWI717038B (zh) * 2018-09-27 2021-01-21 台灣積體電路製造股份有限公司 磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性裝置和其製造方法
CN110957420A (zh) * 2018-09-27 2020-04-03 台湾积体电路制造股份有限公司 磁性随机存取记忆体辅助的非挥发性装置和其制造方法
CN109507617B (zh) * 2018-10-29 2020-02-14 华中科技大学 一种未知磁场的探测方法
CN109507617A (zh) * 2018-10-29 2019-03-22 华中科技大学 基于自旋轨道耦合的矢量探测器及未知磁场的探测方法
CN109521996B (zh) * 2018-11-16 2021-08-24 武汉华芯纳磁科技有限公司 基于电子自旋的多态真随机数发生器
CN109521996A (zh) * 2018-11-16 2019-03-26 武汉华芯纳磁科技有限公司 基于电子自旋的多态真随机数发生器
CN110212087B (zh) * 2019-05-29 2021-01-08 中国科学院金属研究所 一种无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件
CN110212087A (zh) * 2019-05-29 2019-09-06 中国科学院金属研究所 一种无需外场辅助的自旋轨道扭矩器件
CN110610022A (zh) * 2019-08-06 2019-12-24 华中科技大学 一种基于铁磁材料的电子模拟积分器
CN110610022B (zh) * 2019-08-06 2021-11-19 华中科技大学 一种基于铁磁材料的电子模拟积分器
CN111725386A (zh) * 2019-09-23 2020-09-29 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种磁性存储器件及其制作方法、存储器和神经网络***
CN110535460A (zh) * 2019-09-23 2019-12-03 四川师范大学 一种基于反铁磁斯格明子的新型逻辑门电路
CN110752287A (zh) * 2019-09-29 2020-02-04 华中科技大学 一种基于随机性磁畴壁移动的可重构puf构造方法
CN110752288B (zh) * 2019-09-29 2022-05-20 华中科技大学 一种基于非易失器件阵列构造可重构强puf的方法
CN110752287B (zh) * 2019-09-29 2021-04-20 华中科技大学 一种基于随机性磁畴壁移动的可重构puf构造方法
CN110752288A (zh) * 2019-09-29 2020-02-04 华中科技大学 一种基于具有sot效应的器件构造可重构puf的方法
CN110851882A (zh) * 2019-10-21 2020-02-28 华中科技大学 基于sot效应的物理不可克隆函数生成方法及***
CN111933789A (zh) * 2020-08-11 2020-11-13 兰州大学 一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器
CN111933789B (zh) * 2020-08-11 2022-07-08 兰州大学 一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器
JP2022082452A (ja) * 2020-11-20 2022-06-01 高麗大学校産学協力団 スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合及びその製造方法
JP7350363B2 (ja) 2020-11-20 2023-09-26 高麗大学校産学協力団 スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合及びその製造方法
CN113451355A (zh) * 2020-12-10 2021-09-28 北京航空航天大学 基于自旋轨道矩的磁性存储器件
WO2022193290A1 (zh) * 2021-03-19 2022-09-22 中国科学院微电子研究所 基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器及制备方法
CN113193110A (zh) * 2021-03-19 2021-07-30 中国科学院微电子研究所 基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器及制备方法

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