CN109192232B - 一种基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的磁性存储装置 - Google Patents

一种基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的磁性存储装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的磁性存储装置，磁性存储装置的磁读写头和存储介质相互分离；磁读写头为探针结构；分离磁性隧道结的固定层位于磁读写头的尖端处，分离磁性隧道结的自由层位于存储介质的表面，分离磁性隧道结的隧穿层位于固定层表面、自由层表面中至少一个。本发明把磁性隧道结中自由层和固定层分开，将固定层制作在纳米级别探针结构的磁读写头上，将自由层制作在存储介质上，分别用作读写和数据存储功能，降低了工艺难度和成本，简化了磁读写头的结构，实现了读写一体化，通过缩小磁读写头的尺寸实现了高密度存储。

Description

一种基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的磁性存储装置
技术领域
本发明属于信息存储技术领域，更具体地，涉及一种基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的磁性存储装置。
背景技术
传统存储器中，静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM)属于易失性存储器，在工作过程中需要不断刷新上电，从而面临非常严重的能耗问题；NAND FLASH由于速度缓慢，只能应用在计算机等设备的***存储，同时在使用寿命、耐擦写能力、稳定性、抗辐射能力等方面存在不足，难以胜任航天、军工方面的要求。在新型存储器中，有一种自旋转移力矩磁随机存储器(spin torque transfer-magnetic random access memory：STT)，核心存储结构是磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction：MTJ)，具有非常明显的性能优势：速度快，和DRAM相当，是NAND FLASH的近10万倍；属于非易失存储器，掉电后数据不丢失；不需要持续刷新，读写电流较小，功耗远比DRAM和SRAM低；具有非常好的耐擦写能力，达到1010以上，意味着它具有很长的使用寿命；靠磁性层存储数据，被认为具有抗辐射特性的；与半导体工艺兼容较好。STT-MRAM目前主要面临着两个方面的约束，其一是制造工艺非常苛刻，过程复杂，导致制造成本很高，这其中多层膜结构的溅射和制作微小存储单元所需的大量光刻是导致成本高昂的主要原因；其二是当尺寸更小，核心结构MTJ进入亚20nm尺寸时，存储数据的磁性层面临更严重的热扰动问题，会使得数据无法保持足够的稳定性，同时目前STT-MRAM的1T-1MTJ结构会由于晶体管的尺寸较大使得存储密度还不够高，要进一步提高存储密度，还得从缩小MTJ尺寸开始，带动读写电流的减小，才能使得晶体管和整个存储器的尺寸减小。因而，为了进一步推进该种存储器的发展，就要精简制造工艺和进一步缩小MTJ的尺寸。
在云存储云技术、大数据分析、监控***、企业数据存储等领域使用较多的往往不是固态硬盘或其他的高速存储器，而是容量、价格、性能、稳定性综合占优的机械硬盘。综合近十年的技术发展，机械硬盘容量呈上升发展，但是，容量的提升相对缓慢，无法跟上人们对于信息容量的日益增长的需求。另外，像热辅助磁记录技术需要在磁头上增加一个近场加热激光器，点阵图案化技术要大量使用到超高精度的光刻和刻蚀工艺，这些都会提高硬盘结构和制造的复杂性，并增加硬盘的制造成本。而且目前机械硬盘面临着磁记录头技术单一的问题，现在的技术都更多的是使磁记录媒介的单个记录单元做得更小，而磁记录头却一直难以改进。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术磁性存储装置工艺复杂、成本高、存储密度低的技术问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的磁性存储装置，所述磁性存储装置的磁读写头和存储介质相互分离；所述磁读写头为探针结构；所述分离磁性隧道结的固定层位于所述磁读写头的尖端处，所述分离磁性隧道结的自由层位于存储介质的表面，所述分离磁性隧道结的隧穿层位于所述固定层表面、所述自由层表面中至少一个。
具体地，所述磁读写头包括基体层和尖端，所述尖端包含钉扎层和固定层，所述磁读写头读写一体化。
具体地，磁性存储装置包括自组装隔离型存储器和硬盘。
具体地，所述磁性存储装置是自组装隔离型存储器，所述存储介质采用自组装隔离型薄膜技术。
具体地，所述存储介质为平面薄膜结构，包括基体层、隔离层和自由层；
所述基体层起导电和主体支撑作用，所述隔离层是非铁磁材料，起到隔离作用，所述自由层是铁磁性柱体，被隔离层隔离开；
每个铁磁性柱体代表一个存储单元，其磁化状态表示存储的数据。
具体地，所述磁性存储装置是硬盘，所述存储介质是硬盘盘面，包括基体层和自由层，基体层起导电和主体支撑作用，自由层是硬盘盘面生长的磁性层。
具体地，所述磁性存储装置通过磁读写头和存储介质的点接触形成完整的磁性隧道结并使电流导通，利用自旋转移力矩效应实现写操作，利用隧穿磁电阻效应实现读操作。
具体地，所述利用自旋转移力矩效应实现写操作写入数据操作，具体包括：
在磁读写头和存储介质间施加一个大电压，根据自旋转移力矩效应，电流会携带自旋力矩改写自由层的磁化方向，如果目标是使自由层和固定层磁化方向相同，电流施加的方向应是从自由层到固定层，即从存储介质到磁读写头；如果目标是使自由层和固定层磁化方向相反，电流施加的方向应是从固定层到自由层，即从磁读写头到存储介质，就可以通过控制电流的方向写入0或者1。
具体地，所述利用隧穿磁电阻效应实现读操作，具体包括：
在磁读写头和存储介质间施加一个小电压，根据隧穿磁电阻效应，如果自由层磁化方向与固定层的磁化方向相同，那么为低电阻态；如果自由层磁化方向与固定层的磁化方向相反，那么为高电阻态，自由层磁化方向表示存储的数据，根据电阻大小可以判断存储的数据是0还是1。
具体地，所述基体层材料是导电半导体材料或导电金属材料；所述钉扎层是铁磁层/反铁磁层结构或反铁磁层/非磁金属层结构，所述铁磁层材料是CoMnSi、CoFeSi、CoCr、FeNi、FeCo、Fe、Co、Ni，反铁磁材料是FeMn、IrMn、CoO、NiO，非磁金属材料是Cu、Au、Pt、Ta、Ru；固定层材料是CoFeB、CoMnSi、CoFeSi、CoFeAl、GaMnAs、CoFeAlSi、CoFe、FePt、CoPt、FeNi、Fe、Co、Ni；隧穿层材料是MgO、Al2O3、AlOx、TiO2、HfO2、MgAlO4、AlN、BN；自由层材料是CoFeB、CoMnSi、CoFeSi、CoFeAl、GaMnAs、CoFeAlSi、CoFe、FePt、CoPt、FeNi、Fe、Co、Ni；隔离层材料是ZrO2、MgO。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明把MTJ中磁性自由层和固定层分开，将固定层制作在存储器的磁读写头尖端非常细小的结构上，将自由层制作在存储介质上，分别用作读写和数据存储功能，降低了工艺难度和成本；
(2)本发明通过纳米级别探针结构的磁读写头，简化了磁读写头的结构，实现了读写一体化，通过缩小磁读写头的尺寸实现了高密度存储；
(3)本发明通过自组装隔离型薄膜作为存储介质，制作了非常密集的纳米级微磁柱存储阵列，实现了高密度；制造工艺简单，降低了成本；利用隔离开的柱状磁性材料的形状各向异性，实现更好的磁各向异性，所以在缩小存储单元的尺寸时能保持更好的稳定性；
(4)本发明通过磁读写头和存储介质的点接触形成完整的MTJ结构并使电流导通，借助STT效应和TMR效应实现和STT-MRAM一样的数据读写功能，它既保持了STT-MRAM的各项优点，同时又解决了STT-MRAM面临的主要的两个问题，实现降低成本、缩小尺寸目的，同时尺寸减小也会带来功耗的减小。
附图说明
图1为现有技术中MTJ结构示意图。
图2为本发明实施例提供的基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的高密度自组装隔离型存储器结构示意图。
图3(a)为自组装隔离型存储器的第一种磁读写头和存储介质结构示意图。
图3(b)为自组装隔离型存储器的第二种磁读写头和存储介质结构示意图。
图3(c)为自组装隔离型存储器的第三种磁读写头和存储介质结构示意图。
图4为本发明实施例通过的基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的高密度机械硬盘结构示意图。
图5(a)为机械硬盘的第一种磁读写头和存储介质结构示意图。
图5(b)为机械硬盘的第二种磁读写头和存储介质结构示意图。
图5(c)为机械硬盘的第三种磁读写头和存储介质结构示意图。
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。
图1为现有技术中MTJ结构示意图。如图1所示，磁化方向固定的磁性层，称为固定层；磁化方向可变的磁性层，称为自由层；以及夹在这两层之间的绝缘材料层，称为隧穿层。
自旋力矩转移(SpinTransfer Torque，STT)效应指在固定层/隧穿层/自由层组成的经典MTJ结构中，如果电子从固定层通过隧穿层流向自由层，电子会先在固定层被极化成自旋方向和固定层磁化方向一致，然后将这种极化的状态传递给自由层使它的磁化方向也一致，从而固定层自由层磁化方向变得平行；如果电子流向为自由层到固定层，具有和固定层磁化方向相反的自旋方向的电子会被固定层反射回自由层，它们将相反方向的极化状态传递给自由层，使固定层自由层磁化方向相反。
隧穿磁电阻(Tunnel Magneto-resistance，TMR)效应指电子在自由层和固定层之间传递时，如果两者磁化方向平行，电子从其中一层到另一层传递时，受到相同磁化方向层的散射小，所以电流较大，为低电阻状态，反之如果两者磁化方向反平行，电子从其中一层到另一层传递时，受到相反磁化方向层的散射大，所以电流较小，为高电阻状态。
通过STT效应，改变流过MTJ的电流方向，就可以人为地控制和改变自由层的磁化方向，使它的磁化方向与固定层平行或反平行；根据TMR效应，通过读取MTJ的电阻值就能知道自由层和固定层的相对磁化状态。这样，就可以只用电的方式来读取或改变自由层的磁化方向，在不通电时自由层也会非易失的保持该磁化方向，如果这个磁化方向代表存储的数据，那么就可以用MTJ实现非易失存储器的功能。
图2为本发明实施例提供的基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的高密度自组装隔离型存储器结构示意图。如图2所示，该存储器包括相互分离的磁读写头和存储介质，其中，磁读写头为探针结构，MTJ的固定层位于尖端处；存储介质为平面薄膜结构，MTJ的自由层为平面薄膜结构表面；MTJ的隧穿层位于磁读写头固定层表面、存储介质自由层表面中至少一个。
磁读写头和存储介质两者相互分离，在需要进行读写时两者通过点接触实现结合，组合成一个完整的MTJ结构，然后像STT-MRAM那样，用纯电的方式进行读写，实现存储功能。
图3(a)为自组装隔离型存储器的第一种磁读写头和存储介质结构示意图。如图3(a)所示，MTJ的隧穿层位于磁读写头。磁读写头包括基体层和尖端，尖端具有纳米级别的磁性多层膜结构。磁读写头的尖端的结构沿着针尖方向自上而下为钉扎层、固定层、隧穿层。存储介质包括基体层、隔离介质和自由层。
图3(b)为自组装隔离型存储器的第二种磁读写头和存储介质结构示意图。如图3(b)所示，MTJ的隧穿层位于存储介质。磁读写头包括基体层和尖端，尖端具有纳米级别的磁性多层膜结构。磁读写头的尖端的结构沿着针尖方向自上而下为钉扎层和固定层。存储介质包括基体层、隔离介质、自由层和隧穿层。
图3(c)为自组装隔离型存储器的第三种磁读写头和存储介质结构示意图。如图3(c)所示，MTJ的隧穿层位于磁读写头和存储介质。磁读写头包括基体层和尖端，尖端具有纳米级别的磁性多层膜结构。磁读写头的尖端的结构沿着针尖方向自上而下为钉扎层、固定层和隧穿层。存储介质包括基体层、隔离介质、自由层和隧穿层。
图3中，基体层起导电和主体支撑作用，可以是硅、锗等导电半导体材料，也可以是其它金属材料。钉扎层的作用是使固定层磁化方向保持不变，一般钉扎层是铁磁层/反铁磁层结构或反铁磁层/非磁金属层结构或交替的Co/Ni和Co/Fe多层膜结构，这里的铁磁层可以是CoMnSi、CoFeSi、CoCr、FeNi、FeCo、Fe、Co、Ni等铁磁金属或铁磁合金，反铁磁材料可以是FeMn、IrMn、CoO、NiO等材料，非磁金属可以是Cu、Au、Pt、Ta、Ru等材料。固定层具有固定的磁化方向，一般起生成、检测自旋流作用，可以是CoFeB、CoMnSi、CoFeSi、CoFeAl、GaMnAs、CoFeAlSi、CoFe、FePt、CoPt、FeNi、Fe、Co、Ni等铁磁金属或铁磁合金。隧穿层可以是MgO、Al2O3、AlOx、TiO2、HfO2、MgAlO4、AlN、BN等绝缘材料，隔离开固定层和自由层，构成电子隧穿势垒。自由层是铁磁性柱体，可以是CoFeB、CoMnSi、CoFeSi、CoFeAl、GaMnAs、CoFeAlSi、CoFe、FePt、CoPt、FeNi、Fe、Co、Ni等铁磁金属或铁磁合金,被隔离介质隔离开，隔离介质是ZrO2、MgO之类的非磁性材料，起到隔离作用。自由层是铁磁性柱体，被隔离层隔离开。每个铁磁性柱体代表一个存储单元，其磁化状态表示存储的数据。固定层、隧穿层、自由层三者共同构成了MTJ的核心结构，其中在自由层上存储数据，结合固定层、隧穿层，就能够产生TMR效应和STT效应，实现用纯粹电的方式来读取数据可写入数据的功能。
磁读写头是通过溅射、沉积等薄膜生长工艺，先在导电的柱状基体层上生长复合多层膜结构，然后将柱体一端通过聚焦离子束(FocusedIonBeam：FIB)或其他方法刻蚀成非常细的针尖结构，可达到直径亚10nm数量级。
存储介质采用的是自组装隔离型薄膜的技术，数据存储在由铁磁材料和非铁磁材料构成的薄膜上，其中铁磁材料在薄膜中形成一个个柱状结构，被非铁磁材料隔离开来，这些被隔离的小柱状磁性体具有各自的磁化方向，作为自由层，与磁读写头接触后进行读写，成为一个个独立的存储单元，这些小柱状磁性体可以达到很小的尺寸，达到亚5nm尺寸，借助较高的形状各向异性可以保持良好的磁稳定性。
在磁读写头与存储介质进行接触时，磁读写头上的固定层，存储介质上磁性单元构成的自由层，以及中间的绝缘层共同构成了一个MTJ结构，电流通过隧道效应可以穿过绝缘层在磁读写头和存储介质间流通。
基于磁性隧道结存储数据的原理，当磁读写头与存储单元的介质材料接触时，形成一个完整的MTJ单元。其中磁读写头部分作为固定层，存储单元作为自由层。某一个存储单元中磁性材料的磁化方向可以根据电流的方向发生改变。完成一次写入操作后，信息会非易失地存储于该单元中。移动磁读写头至其他的存储单元所在的位置，进行下一次写操作。如果是进行写入数据操作，则在磁读写头和存储介质间施加一个大电压，根据STT效应，电流会携带自旋力矩改写自由层的磁化方向，如果目标是使自由层和固定层磁化方向相同，电流施加的方向是从自由层到固定层，即从存储介质到磁读写头；如果目标是使自由层和固定层磁化方向相反，电流施加的方向应是从固定层到自由层，即从磁读写头到存储介质，就可以通过控制电流的方向写入0或者1。
同样地，基于TMR效应来读取某一个单元中所存储的信息，当磁读写头与存储单元形成点接触时，测该状态下MTJ的阻态，从而得到该单元中存储的信息。实际工作时，首先，使磁读写头与存储介质上某一存储单元(小磁柱)所在区域实现点接触，如果是进行读取数据操作，则在磁读写头和存储介质间施加一个小电压，根据TMR效应，如果该区域自由层磁化方向与固定层的磁化方向相同，那么为低电阻态；如果该区域自由层磁化方向与固定层的磁化方向相反，那么为高电阻态。自由层磁化方向表示存储的数据，根据电阻大小可以判断存储的数据是0还是1。
图4为本发明实施例通过的基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的高密度机械硬盘结构示意图。如图4所示，该机械硬盘包括相互分离的磁读写头和存储介质，其中，磁读写头为探针结构，MTJ的固定层位于尖端处；存储介质为多层薄膜结构，MTJ的自由层为盘面表面的磁性层；MTJ的隧穿层位于磁读写头固定层表面、存储介质自由层表面中至少一个。
图5(a)为机械硬盘的第一种磁读写头和存储介质结构示意图。如图5(a)所示，MTJ的隧穿层位于磁读写头。磁读写头包括基体层和尖端，尖端具有纳米级别的磁性多层膜结构。磁读写头的尖端的结构沿着针尖方向自上而下为钉扎层、固定层、隧穿层。存储介质也是多种材料构成的多层薄膜结构，自下而上包括基体层和自由层。
图5(b)为机械硬盘的第二种磁读写头和存储介质结构示意图。如图5(b)所示，MTJ的隧穿层位于存储介质。磁读写头包括基体层和尖端，尖端具有纳米级别的磁性多层膜结构。磁读写头的尖端的结构沿着针尖方向自上而下为钉扎层、固定层。存储介质也是多种材料构成的多层薄膜结构，自下而上包括基体层、自由层和隧穿层。
图5(c)为机械硬盘的第三种磁读写头和存储介质结构示意图。如图5(c)所示，MTJ的隧穿层位于磁读写头和存储介质。磁读写头包括基体层和尖端，尖端具有纳米级别的磁性多层膜结构。磁读写头的尖端的结构沿着针尖方向自上而下为钉扎层、固定层、隧穿层。存储介质也是多种材料构成的多层薄膜结构，自下而上包括基体层、自由层和隧穿层。
图5中，基体层起导电和主体支撑作用，可以是硅、锗等导电半导体材料，也可以是其它金属材料。钉扎层的作用是使固定层磁化方向保持不变，一般钉扎层是铁磁层/反铁磁层结构或反铁磁层/非磁金属层结构或交替的Co/Ni和Co/Fe多层膜结构，这里的铁磁层可以是CoMnSi、CoFeSi、CoCr、FeNi、FeCo、Fe、Co、Ni等铁磁金属或铁磁合金，反铁磁材料可以是FeMn、IrMn、CoO、NiO等材料，非磁金属可以是Cu、Au、Pt、Ta、Ru等材料。固定层具有固定的磁化方向，一般起生成、检测自旋流作用，可以是CoFeB、CoMnSi、CoFeSi、CoFeAl、GaMnAs、CoFeAlSi、CoFe、FePt、CoPt、FeNi、Fe、Co、Ni等铁磁金属或铁磁合金。隧穿层可以是MgO、Al2O3、AlOx、TiO2、HfO2、MgAlO4、AlN、BN等绝缘材料，隔离开固定层和自由层，构成电子隧穿势垒。自由层是铁磁性柱体，可以是CoFeB、CoMnSi、CoFeSi、CoFeAl、GaMnAs、CoFeAlSi、CoFe、FePt、CoPt、FeNi、Fe、Co、Ni等铁磁金属或铁磁合金,被隔离介质隔离开，隔离介质是ZrO2、MgO之类的非磁性材料。每个铁磁性柱体代表一个存储单元，其磁化状态表示存储的数据。固定层、隧穿层、自由层三者共同构成了MTJ的核心结构，其中在自由层上存储数据，结合固定层、隧穿层，就能够产生TMR效应和STT效应，实现用纯粹电的方式来读取数据可写入数据的功能。
工作时磁读写头和存储介质受控制结构控制，使两者在不同位置结合实现点接触。当磁读写头接触到盘面时，并对很小的某一特定区域传递隧穿电流，电流较大时，根据STT效应，隧穿电流对这一区域的自由层传递磁矩，可以改变它的磁化方向，这种变化受电流方向控制，从而实现数据写入操作；在撤去电流后它们的磁化方向得以保持以存储数据；如果电流很小，那么不足以改变该自由层的磁化方向，但是可以测量它的阻态，根据TMR效应，通过阻态可以反应自由层的磁化方向，从而读取存储的数据。这些微小的区域形成一个个存储单元，能够非易失的存储数据，从而形成接触式的非易失硬盘存储器。
存储介质上有连续磁性膜进行数据存储，磁读写头负责数据读写，要通过磁读写头与存储介质的接触来进行。本发明的结构中磁读写头形状类似于探针，读写时要求与盘面保持直接的点接触，从磁读写头到盘面有电流的传递，并依靠电流的传递实现读写功能。
磁读写头是通过溅射、沉积等薄膜生长工艺，先在导电的柱状基体上生长复合多层膜结构，然后将柱体一端通过聚焦离子束(FocusedIonBeam：FIB)或其他方法刻蚀成非常细的针尖结构，可达到直径亚10nm数量级。
硬盘存储介质是通过溅射、沉积等薄膜生长工艺生长的多层连续薄膜。
需要注意的是，以上给出的磁读写头和存储介质某些材料只具有参考作用，这里的MTJ也不涉及并且应当涵盖各个种类，包括各种材料、各种结构的不同种类MTJ。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于分离磁性隧道结与探针磁读写头的磁性存储装置，其特征在于，
所述磁性存储装置的磁读写头和存储介质相互分离；
所述磁读写头为探针结构；
所述分离磁性隧道结的固定层位于所述磁读写头的尖端处，所述分离磁性隧道结的自由层位于存储介质的表面，所述分离磁性隧道结的隧穿层位于所述固定层表面、所述自由层表面中至少一个。
2.如权利要求1所述的磁性存储装置，其特征在于，所述磁读写头包括基体层和尖端，所述尖端包含钉扎层和固定层，所述磁读写头读写一体化。
3.如权利要求1或2所述的磁性存储装置，其特征在于，磁性存储装置包括自组装隔离型存储器和硬盘。
4.如权利要求3所述的磁性存储装置，其特征在于，所述磁性存储装置是自组装隔离型存储器，所述存储介质采用自组装隔离型薄膜技术。
5.如权利要求4所述的磁性存储装置，其特征在于，所述存储介质为平面薄膜结构，包括基体层、隔离层和自由层；
所述基体层起导电和主体支撑作用，所述隔离层是非铁磁材料，起到隔离作用，所述自由层是铁磁性柱体，被隔离层隔离开；
每个铁磁性柱体代表一个存储单元，其磁化状态表示存储的数据。
6.如权利要求3所述的磁性存储装置，其特征在于，所述磁性存储装置是硬盘，所述存储介质是硬盘盘面，包括基体层和自由层，基体层起导电和主体支撑作用，自由层是硬盘盘面生长的磁性层。
7.如权利要求1或2所述的磁性存储装置，其特征在于，所述磁性存储装置通过磁读写头和存储介质的点接触形成完整的磁性隧道结并使电流导通，利用自旋转移力矩效应实现写操作，利用隧穿磁电阻效应实现读操作。
8.如权利要求7所述的磁性存储装置，其特征在于，所述利用自旋转移力矩效应实现写操作写入数据操作，具体包括：
在磁读写头和存储介质间施加一个大电压，根据自旋转移力矩效应，电流会携带自旋力矩改写自由层的磁化方向，如果目标是使自由层和固定层磁化方向相同，电流施加的方向应是从自由层到固定层，即从存储介质到磁读写头；如果目标是使自由层和固定层磁化方向相反，电流施加的方向应是从固定层到自由层，即从磁读写头到存储介质，就可以通过控制电流的方向写入0或者1。
9.如权利要求7所述的磁性存储装置，其特征在于，所述利用隧穿磁电阻效应实现读操作，具体包括：
在磁读写头和存储介质间施加一个小电压，根据隧穿磁电阻效应，如果自由层磁化方向与固定层的磁化方向相同，那么为低电阻态；如果自由层磁化方向与固定层的磁化方向相反，那么为高电阻态，自由层磁化方向表示存储的数据，根据电阻大小可以判断存储的数据是0还是1。
10.如权利要求4所述的磁性存储装置，其特征在于，基体层材料是导电半导体材料或导电金属材料；钉扎层是铁磁层/反铁磁层结构或反铁磁层/非磁金属层结构，所述铁磁层材料是CoMnSi、CoFeSi、CoCr、FeNi、FeCo、Fe、Co、Ni，反铁磁材料是FeMn、IrMn、CoO、NiO，非磁金属材料是Cu、Au、Pt、Ta、Ru；固定层材料是CoFeB、CoMnSi、CoFeSi、CoFeAl、GaMnAs、CoFeAlSi、CoFe、FePt、CoPt、FeNi、Fe、Co、Ni；隧穿层材料是MgO、Al2O3、AlOx、TiO2、HfO2、MgAlO4、AlN、BN；自由层材料是CoFeB、CoMnSi、CoFeSi、CoFeAl、GaMnAs、CoFeAlSi、CoFe、FePt、CoPt、FeNi、Fe、Co、Ni；隔离层材料是ZrO2、MgO。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101064358A (zh) * 2006-04-28 2007-10-31 株式会社东芝 磁阻元件及其制造方法
US7466523B1 (en) * 2003-07-10 2008-12-16 Yingjian Chen Nanotube spin valve and method of producing the same
CN104662686A (zh) * 2012-09-28 2015-05-27 索尼公司 存储元件、存储装置和磁头
CN105469821A (zh) * 2014-06-10 2016-04-06 华为技术有限公司 隧道磁电阻效应存储装置及其制备方法、存储器
CN105633111A (zh) * 2016-03-08 2016-06-01 华中科技大学 一种电场辅助写入型磁隧道结单元及其写入方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7821808B2 (en) * 2009-01-30 2010-10-26 Seagate Technology Llc Multilayer ferroelectric data storage system with regenerative read

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7466523B1 (en) * 2003-07-10 2008-12-16 Yingjian Chen Nanotube spin valve and method of producing the same
CN101064358A (zh) * 2006-04-28 2007-10-31 株式会社东芝 磁阻元件及其制造方法
CN104662686A (zh) * 2012-09-28 2015-05-27 索尼公司 存储元件、存储装置和磁头
CN105469821A (zh) * 2014-06-10 2016-04-06 华为技术有限公司 隧道磁电阻效应存储装置及其制备方法、存储器
CN105633111A (zh) * 2016-03-08 2016-06-01 华中科技大学 一种电场辅助写入型磁隧道结单元及其写入方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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The Physics of Spin-Transfer Torque Switching in Magnetic;Jeongmin Hong等;《IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS》;20160730;全文 *

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