CN109037434B - 基于人工反铁磁自由层的隧道结器件及磁性随机存储装置 - Google Patents

基于人工反铁磁自由层的隧道结器件及磁性随机存储装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于人工反铁磁自由层的隧道结器件及磁性随机存储装置，装置涉及到一种可以作为自由磁性层的多层膜结构，即人工反铁磁装置。人工反铁磁装置作为自由磁性层可以通过电场调控，实现反铁磁态到铁磁态的转变，该人工反铁磁装置可以作为磁性隧道结的自由磁性层，其靠近磁性隧道结势垒层的铁磁层在电场与电流的共同作用下进行翻转，从而实现数据的写入。所述基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结构成磁性随机存储装置，通过电场和电流的共同作用达到写入数据的目的，结构简单，具有功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。

Description

基于人工反铁磁自由层的隧道结器件及磁性随机存储装置
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，涉及一种电辅助控制的基于人工反铁磁自由层以及使用电场进行辅助擦写的磁性随机存储器。
背景技术
磁性隧道结(magnetic tunnel junction，称为MTJ)由两层磁性金属(例如铁，钴，镍)和夹在两磁性金属层之间的超薄绝缘层(例如氧化铝，或氧化镁)组成。如果在两个磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可以通过遂穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流/遂穿电阻的大小取决于两个铁磁层中磁化的相对取向，这种现象称为隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance，称为TMR)，这是自旋依赖的隧穿效应的体现。两个铁磁层中磁化的相对取向可以通过施加的磁场来改变。
自旋阀是由两个或更多个导电磁性材料组成的器件，其电阻可以根据不同层中磁化的相对取向在两个值(高阻值和低阻值)之间变化。电阻变化是巨磁阻(giantmagnetoresistive，称为GMR)效应的结果。在最简单的情况下，自旋阀由两个铁磁体和夹在两个铁磁体之间的非磁性材料组成，其中一个铁磁体(称为第一铁磁体)由反铁磁体固定，用于提高第一铁磁体的磁矫顽力，使其表现为“硬”磁层，而另一个铁磁体(称为第二铁磁体)的磁化取向是可以改变，表现为“软”磁层。非磁性层把两个铁磁层隔开，使得它们中有一个保持磁化取向自由(软磁性)。由于矫顽力的差异，软磁层可以在较低的外加磁场强度下改变极性，此时硬磁层磁化保持不变。因此，通过施加适当强度的外加磁场，可以使软磁层切换其极性，从而自旋阀具有两个不同的状态：两磁性层磁化平行的低电阻状态和两磁性层磁化反平行的高电阻状态。
现今，磁性结(magnetic junction，称为MJ，包括MTJ和自旋阀)通常用于磁性随机存取存储器中。磁性随机存取存储器由于具有非易失性，优异的耐久性，高读/写速度，低功耗等优点而引起工业领域极大关注。磁性随机存储器(magnetic random access memory，称为MRAM)中的磁阻元件可以是包括两个或更多个铁磁性薄膜的磁性结。MJ的电阻取决于固定磁性层和自由磁性层的磁化的相对取向，自由磁性层(free magnetic layer，称为FL)的磁矩可以在两个稳定取向之间切换，MJ的电阻在固定磁性层和自由磁性层的两个相对磁取向情况下呈现两个值，可用于表示数据存储的二进制状态“1”和“0”，并应用于二进制逻辑。可以通过外加磁场改变磁性结的自由层磁化取向，从而得到自由磁性层与固定磁性层磁化平行或反平行时对应的低阻态(“1”)或高阻态(“0”)，进而得到逻辑电路需要的1/0态。但利用电流提供外加磁场需要较大的电流密度，能耗较高，且会限制存储单元阵列即磁性结阵列的排列密度。
一种类型的MRAM是自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM)。利用自旋极化电流(自旋转矩)对磁矩的作用，达到改变自由磁性层磁化方向的目的，并通过改变电流方向来切换自由磁性层的磁化方向，从而完成STT-MRAM中MJ的数据写入。但是应用于自旋转移矩-随机存储器的自旋极化电流一般在107A/cm2左右，较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度，同时消耗更多的电量，同时产生的焦耳热也对期间稳定性有着巨大的破坏作用。为了解决该问题，本发明介绍了一种电场辅助控制的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，即利用电场调控一种人工合成反铁磁，由反铁磁态转变为铁磁态，使其作为磁性隧道结的自由层，结合电流直接调控其磁化方向，利用其靠近势垒层的铁磁层与固定层作用，实现数据写入，减小自旋极化电流，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种类型的自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM)。根据Nature Communication发表的一篇题名为“Low voltage switching of magnetismthrough ionic liquid gating control of RKKY interaction in FeCoB/Ru/FeCoB and(Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2multilayers”的文章，该文章报道通过电场调控一种人工合成反铁磁SAF(synthetic antiferromagnetic)多层结构，使该SAF多层结构从反铁磁态转变为铁磁态。根据Jianxin Zhu提出的一种应力辅助自由磁性层翻转的专利(专利号为US 8,406,042 B2)以及Jian-Gang Zhu提出的一种热辅助自由磁性层翻转的专利(专利号为US 8,211,557 B2)，本专利提供的一种自旋转移矩-磁性随机存储器通过将人工反铁磁与磁性隧道结结合，将人工反铁磁SAF作为磁性隧道结的自由磁性层，通过电场调控人工反铁磁SAF由反铁磁态转变为铁磁态，同时施加电流直接调控磁性隧道结自由磁性层翻转方向，此时的电流小于普通磁性隧道结自由层翻转的电流。因此，该自旋转移矩-磁性随机存储器称为电场辅助控制的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，该装置是在电场和电流共同作用下完成数据的写入。另外，电场辅助控制反铁磁态与铁磁态的转变，具有速度快，功耗低的优点。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明给出了一种人工反铁磁装置，包括：
第一层铁磁层、第二层铁磁层以及位于所述第一层铁磁层与第二层铁磁层之间的非磁性间隔层，所述第一层铁磁层、第二层铁磁层和非磁性间隔层构成第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构，所述堆叠结构即为人工反铁磁装置；
所述人工反铁磁装置处于反铁磁态，将人工反铁磁装置置于电场中，电场调控所需的电压在0.1V-15V范围内；所述人工反铁磁装置实现反铁磁态到铁磁态的转变；去掉电场，所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态，即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
优选的，所述人工反铁磁装置的第一层铁磁层和第二层铁磁层的材料包括但不限于FeCoB、Co/Pt，非磁性间隔层的材料包括但不限于Ru，且Ru的厚度在0.1nm-10nm。
优选的，第一层及第二层铁磁层磁化方向可以垂直于面。
优选的，第一层及第二层铁磁层磁化方向可以平行于面。
本发明进而给出了一种基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结器件，包括一个固定磁性层、一个基于人工反铁磁装置的自由磁性层和一个非磁性势垒层构成的磁性隧道结，非磁性势垒层位于固定磁性层和基于人工反铁磁的自由磁性层之间；所述固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面；
由第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构构成的人工反铁磁装置作为自由磁性层；
还包括第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极分别与固定磁性层和基于人工反铁磁装置的自由磁性层最上层的铁磁层接触，使电流可以在磁性隧道结器件中导通。
优选的，所述自由磁性层是基于人工反铁磁装置的自由磁性层；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的非磁性间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
优选的，所述固定磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述固定磁性层选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合。
优选的，所述固定磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co。
优选的，所述固定磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种。
优选的，所述固定磁性层由合成反铁磁材料制成，所述合成反铁磁材料制成的固定磁性层由铁磁层与间隔层组成，构成所述固定磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
优选的，所述非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、Eu中的一种或多种。
优选的，所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V中的一种或多种。
优选的，所述非磁性间隔层选自但不限于SiC和陶瓷材料。
优选的，所述电极材料选自但不限于下述金属或合金材料，Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种。
优选的，所述电极材料为碳系导电材料，所述碳系导电材料选自但不限于石墨类、碳纳米管、或竹炭。
本发明进而给出了一种基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，包括一个电场辅助控制的磁性隧道结器件，所述磁性隧道结器件包括一个固定磁性层、一种基于人工反铁磁装置的自由磁性层和位于固定磁性层和自由磁性层之间的非磁性势垒层；所述固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面，所述人工反铁磁装置通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变；
还包括一对可以产生电场的平行电极板，所述平行电极板置于磁性隧道结两端，并且在平行电极板与电极之间存在一种绝缘层；所述平行电极板通过外接电源产生电场，所述人工反铁磁装置可以在电场作用下实现反铁磁态到铁磁态的转变。
本发明的有益效果在于：
利用人工反铁磁装置作为磁性隧道结的自由层构成磁性随机存储装置，形成“人工反铁磁装置-非磁性势垒层-固定磁性层”的堆叠结构，基于人工反铁磁装置的自由磁性层在电场调控下实现反铁磁态到铁磁态的转变，结合电流直接调控其磁化方向，其靠近磁性隧道结非磁性势垒层的铁磁层与磁性隧道结磁性固定层作用，实现数据写入，从而减小自由磁性层的翻转电流。
本发明的特点是：①通过减小自由磁性层的翻转电流来减少器件发热、降低器件能耗、减小器件体积以及提高存储单元阵列排列密度的性能；②本发明使用一种人工合成反铁磁装置作为磁性隧道结的自由层，抗干扰能力强，将进一步开拓自旋电子器件的应用空间，推动新型存储器行业的发展。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1(a)-(d)展示出根据本发明公开的一种可以通过电场调控的人工合成反铁磁装置。
图2展示出一种磁化方向大致垂直指向面外的磁性隧道结的结构示意图。
图3展示出一种基于人工合成多层膜自由层的垂直磁各向异性的磁性隧道结装置示意图。
图4(a)展示出一种在电场作用下基于人工反铁磁装置的自由磁性层从反铁磁态到铁磁态的一种情况的示意图；图4(b)展示出在第一种方向电流与电场的共同作用下，基于人工合成多层膜自由层翻转实现数据写入的示意图；图4(c)展示出去掉电场后，基于人工合成反铁磁装置的自由层由铁磁态变为反铁磁态的示意图；图4(d)展示出在无电场作用下一种方向电流读取该磁性隧道结数据的示意图。
图5(a)展示出一种在电场作用下基于人工反铁磁装置的自由磁性层从反铁磁态到铁磁态的一种情况的示意图；图5(b)展示出在第二种方向电流与电场的共同作用下，基于人工合成多层膜自由层翻转实现数据写入的示意图；图5(c)展示出去掉电场后，基于人工合成反铁磁装置的自由层由铁磁态变为反铁磁态的示意图；图5(d)展示出在无电场作用下一种方向电流读取该磁性隧道结数据的示意图。
图6展示出一种电场辅助控制的基于人工合成反铁磁自由层磁性随机存储装置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明技术方案做详细说明，以下实施例涉及一种通过电场调控人工反铁磁装置从反铁磁态到铁磁态转变的磁随机存储装置，但不构成对本发明做任何限制的依据。
图1(a)-(d)展示出根据本发明公开的一种可以通过电场调控的人工反铁磁装置10，图1(a)-(d)和本发明的任何其它图示未按比例画出。图1(a)-(b)为磁化方向大致垂直于面的人工反铁磁装置，图1(c)-(d)为磁化方向大致平行于面的人工反铁磁装置。如图1(a)-(d)所示，该人工反铁磁装置10由“第一层铁磁层11-非磁性间隔层12-第二层铁磁层13”构成，第一层铁磁层11材料可以是CoPt或FeCoB或其他铁磁材料，第二层铁磁层13材料可以是CoPt或FeCoB或其他铁磁材料，非磁性间隔层12可以是Ru且非磁性层置于第一层铁磁层与第二层铁磁层的中间。如图1(a)及图1(c)所示，加电场前，人工反铁磁装置10处于反铁磁状态，加电场后，如图1(b)及图1(d)所示，人工反铁磁装置10由反铁磁状态转变为铁磁状态，图中电场由其它装置产生，装置将在后文展示，这里暂时用符号E表示。上述非磁性层Ru的厚度为0.1nm-10nm，上述电场强度为0.1V-15.0V。
图2展示出一种磁化方向大致垂直于面的磁性隧道结的结构示意图(磁化方向也可大致平行于面，在此不再赘述)，该磁性隧道结30包括一种自由磁性层31、一种固定磁性层33以及位于自由磁性层31和固定磁性层33之间的一种非磁性势垒层32。自由磁性层的磁化方向比固定磁性层的磁化方向更易发生翻转，即在自旋力矩的作用下，自由磁性层的磁化方向可以发生翻转，而固定磁性层的磁化方向保持不变。磁性隧道结的电阻由自由磁性层和固定磁性层相对磁化方向决定，当自由磁性层磁化方向与固定磁性层的磁化方向处于平行状态时，磁性隧道结处于低阻态，当自由磁性层磁化方向与固定磁性层的磁化方向处于反平行状态时，磁性隧道结处于高阻态。非磁性势垒层可以由绝缘材料组成，比如一种金属氧化物Al2O3、TiOx或者MgO等。自由磁性层31和固定磁性层33是由铁磁材料组成，比如Fe、Co、Ni或者它们的合金NiFe、CoFe，以及三元的合金，CoFeB等。自由磁性层31和固定磁性层33不仅可以单层铁磁性材料，也可以是一种合成的反铁磁(SAF)耦合结构，比如两个铁磁亚层被一种金属间隔层分开，形成合成的反铁磁结构，两个铁磁亚层的磁化方向相反，提供一种净磁化。金属间隔层的材料可以是Ru或者Cu。
如图2所示，第一电极35与固定磁性层33接触，第二电极34与自由磁性层31接触，两个电极34、35与控制电路连接，为磁性隧道结结构提供读取或者写入电流。当电流穿过磁性隧道结的固定磁性层时，形成自旋极化电流，自旋极化电流产生的自旋力矩作用于自由磁性层，当自旋力矩足够大的时候，自由磁性层的磁化方向将会发生翻转，使自由磁性层与固定磁性层磁化方向处于平行态(低阻态)。当电流反向，由磁性隧道结自由磁性层进入时，会使自由磁性层与固定磁性层处于反平行态(高阻态)。
如图3所示，由一种垂直各向异性的磁性隧道结与一种合成多层膜装置共同组成一种基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结器件30。该磁性隧道结器件30包括一种基于人工合成多层膜装置组成的自由磁性层31、一种固定磁性层33以及位于自由磁性层31和固定磁性层33之间的一种非磁性势垒层32，自由磁性层31和固定磁性层33的磁化方向大致垂直于面。与磁性隧道结20不同的是，磁性隧道结器件30的自由磁性层是一种人工反铁磁装置10。
在本实施例中，自由磁性层31由合成反铁磁(synthetic antiferromagnetic，称为SAF)材料制成，所述合成反铁磁材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
在本实施例中，固定磁性层33由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述固定磁性层选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合。
在另一些实施例中，固定磁性层33由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种。
在另一些实施例中，固定磁性层33由合成反铁磁(syntheticantiferromagnetic，称为SAF)材料制成，所述合成反铁磁材料制成的固定磁性层由铁磁层与间隔层组成；构成所述固定磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述固定磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
在本实施例中，所述自由磁性层31和固定磁性层33是导电的。
在一些实施例中，非磁性层32是绝缘隧道势垒层，所述非磁性层为氧化物，氮化物，或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、Eu中的一种或多种。
在另一些实施例中，非磁性层32是导电层，所述非磁性层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V中的一种或多种。
在另一些实施例中，非磁性层32选自但不限于SiC、C和陶瓷材料。
在另一些实施例中，非磁性层32可以为其它结构，例如在“Method and systemfor providing a magnetic tunneling junction using spin-orbit interactionbased switching and memories utilizing the magnetic tunneling junction”(美国专利，专利号为9,076,537)中提出的在绝缘体系中加入导电通道的粒状层(a granularlayer including conductive channels in an insulating matrix)。
上述实施例采用不同材料制成的自由磁性层31和固定磁性层33是铁磁性的，而绝缘隧道势垒层32是非磁性的。
如图3所示，第一电极35与固定磁性层33接触，第二电极34与自由磁性层31接触，两个电极34、35与控制电路连接，为磁性隧道结结构提供读取或者写入电流，同时，第二、第一电极34、35也将该磁性隧道结装置30与控制电路连接。第二、第一电极34、35可以由一种导电材料组成，该导电材料选自但不限于Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种。在另一些实施例中，导电层材料可以为碳系导电材料，所述碳系导电材料选自但不限于石墨类、碳纳米管、竹炭等。
图4(a)展示出一种在电场作用下人工反铁磁装置10作为自由磁性层31的磁性隧道结装置示意图。对人工反铁磁装置10施加电场作用后，人工反铁磁装置由反铁磁态转变为铁磁态，即自由磁性层31的磁化方向发生翻转。图4(b)展示出在第一种方向电流与电场的共同作用下，基于人工合成多层膜自由层翻转实现数据写入的示意图；当电流I通过电极由自由磁性层31到固定磁性层33方向穿过磁性隧道结，导致自由磁性层31中的第二层铁磁层13的磁化方向与固定磁性层33的磁化方向相反，写入数据状态“0”。图4(c)展示出去掉电场后，基于人工合成反铁磁装置的自由层31由铁磁态变为反铁磁态的示意图，由于第二层铁磁层13存在钉扎效应，其磁化方向不变，而第一层铁磁层11磁化方向改变。图4(d)展示出在无电场作用下一种方向的小电流读取基于人工反铁磁自由层31的磁性隧道结数据的示意图，此时磁性隧道结中第二层铁磁层13与固定层33之间的TMR起主导作用，第二层铁磁层13与固定磁性层33磁化方向相反，读出数据状态“0”。
图5(a)展示出一种在电场作用下人工反铁磁装置10作为自由磁性层31的磁性隧道结装置示意图。对人工反铁磁装置10施加电场作用后，人工反铁磁装置由反铁磁态转变为铁磁态，即自由磁性层31的磁化方向发生翻转。图5(b)展示出在第二种方向电流与电场的共同作用下，基于人工合成多层膜自由层翻转实现数据写入的示意图；当电流I通过电极由固定磁性层33到自由磁性层31方向穿过磁性隧道结，导致自由磁性层31中的第二层铁磁层13的磁化方向与固定磁性层33的磁化方向相同，写入数据状态“1”。图5(c)展示出去掉电场后，基于人工合成反铁磁装置的自由层31由铁磁态变为反铁磁态的示意图，由于第二层铁磁层13存在钉扎效应，其磁化方向不变，而第一层铁磁层11磁化方向改变。图5(d)展示出在无电场作用下一种方向的小电流读取基于人工反铁磁自由层31的磁性隧道结数据的示意图，此时磁性隧道结中第二层铁磁层13与固定磁性层33之间的TMR起主导作用，第二层铁磁层13与固定磁性层33磁化方向相同，读出数据状态“1”。
图6展示由磁性隧道结30、第二、第一电极34、35以及平行电极板组成的磁性随机存储装置，该装置包括一个电场辅助控制的磁性隧道结器件，磁性隧道结器件包括一个固定磁性层33、一种基于人工反铁磁装置的自由磁性层31和位于固定磁性层33和自由磁性层31之间的非磁性势垒层32；固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面，人工反铁磁装置通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
还包括一对可以产生电场的平行电极板，平行电极板置于磁性隧道结两端，并且在平行电极板与电极之间存在一种绝缘层；平行电极板通过外接电源产生电场，人工反铁磁装置可以在电场作用下实现反铁磁态到铁磁态的转变。
装置可以由电场控制基于人工合成反铁磁自由磁性层31的翻转。平行电极板与外电路电压控制器36连接。磁性隧道结30包括固定磁性层33，非磁性势垒层32，和基于人工反铁磁的自由磁性层31，磁性隧道结30通过第二电极34与位线(Bit Line)连接，通过第一电极35与字线(Word Line)以及晶体管37连接。在电流穿过磁性隧道结的同时，电压控制器36可以快速为平行电极板提供电压，产生电场，使得电场和电流同时控制基于人工反铁磁的自由磁性层31的翻转，达到减小写入电流的目的，从而减小功耗。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于：
包括一个电场辅助控制的磁性隧道结器件，所述磁性隧道结器件包括一个固定磁性层、一个基于人工反铁磁装置的自由磁性层和位于固定磁性层和自由磁性层之间的非磁性势垒层；所述固定磁性层和自由磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面；
由第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构构成的人工反铁磁装置作为自由磁性层；
所述人工反铁磁装置通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变；
还包括一对可以产生电场的平行电极板，一对平行电极板置于固定磁性层和第一层铁磁层外端，并且在固定磁性层和第一层铁磁层之外设有第一电极和第二电极，电极与电极板之间存在一种绝缘层；所述第二电极与位线连接，第一电极与字线以及晶体管连接，为磁性隧道结提供电流，一对平行电极板电压由控制器提供；
所述平行电极板通过外接电源产生电场，人工反铁磁装置可以在电场作用下实现反铁磁态到铁磁态的转变；
所述人工反铁磁装置，包括：
第一层铁磁层、第二层铁磁层以及位于所述第一层铁磁层与第二层铁磁层之间的非磁性间隔层，所述第一层铁磁层、第二层铁磁层和非磁性间隔层构成第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构，所述堆叠结构即为人工反铁磁装置；
所述人工反铁磁装置处于反铁磁态，将人工反铁磁装置置于电场中，电场调控所需的电压在0.1V-15V范围内；所述人工反铁磁装置实现反铁磁态到铁磁态的转变；去掉电场，所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态，即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
2.根据权利要求1所述的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于，所述人工反铁磁装置的第一层铁磁层和第二层铁磁层的材料选自FeCoB或Co/Pt，非磁性间隔层的材料选自Ru，且Ru的厚度在0.1nm-10nm。
3.根据权利要求1所述的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于，第一层及第二层铁磁层磁化方向可以垂直于面。
4.根据权利要求1所述的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于，第一层及第二层铁磁层磁化方向可以平行于面。
5.根据权利要求1所述的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于，基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结器件，
所述第一电极和第二电极分别与固定磁性层和基于人工反铁磁装置的自由磁性层最上层的铁磁层接触，使电流可以在磁性隧道结器件中导通。
6.根据权利要求1所述的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于，
所述自由磁性层是基于人工反铁磁装置的自由磁性层；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自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；构成所述自由磁性层的非磁性间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于，
所述固定磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述固定磁性层选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合；
或所述固定磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co；
或所述固定磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种；
或所述固定磁性层由合成反铁磁材料制成，所述合成反铁磁材料制成的固定磁性层由铁磁层与间隔层组成，构成所述固定磁性层的铁磁层材料选自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；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于，
所述非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、Eu中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层选自SiC。
9.根据权利要求1所述的基于人工反铁磁自由层的磁性随机存储装置，其特征在于，
电极材料选自下述金属或合金材料，Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种；
或电极材料为碳系导电材料，碳系导电材料选自石墨类、碳纳米管或竹炭。
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