CN112652701A - 一种反铁磁结构及基于反铁磁结构的磁随机存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反铁磁结构及基于反铁磁结构的磁随机存储器，以及使用自旋轨道矩进行数据擦写的自旋轨道矩‑反铁磁磁性随机存储器，其包含磁性固定层，缓冲层，绝缘层，重金属缓冲层，反铁磁自由层和非磁性重金属层，其中反铁磁自由层可以通过在非磁性重金属层和重金属缓冲层中施加两个独立的横向电流来调控其反铁磁序。所述装置的特点是在重金属缓冲层中施加的电流固定不变，仅需改变施加在非磁性重金属层上的电流就可以实现上述磁结构的磁性固定层的磁序和反铁磁自由层的反铁磁序在两个不同夹角之间的相互转变。在电流作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。
Description
技术领域
本发明属于具有磁性材料的器件技术领域，特别涉及一种反铁磁结构及基于反铁磁结构的磁随机存储器。
背景技术
磁随机存储器(MRAM)具有良好的非挥发性、良好的热稳定性、和良好的读写稳定性。其工作时可利用磁隧道结(Magnetic Tunneling Junction,MTJ)进行数据存储。磁性隧道结由两磁性金属(可以是铁磁性、亚铁磁性或反铁磁性金属)和夹在其间的超薄绝缘层组成。其中一磁性金属的磁序的取向固定，称为固定层；另一磁性金属的磁序的取向可以自由旋转，称为自由层。由于绝缘层很薄，电子可通过隧穿效应通过其势垒。隧道结的磁结构由自由层的磁矩取向相对于固定层的磁矩取向决定，不同的磁结构具有不同的电阻。一般来说固定层的磁矩与自由层的磁矩取向平行时为低阻态，反平行为高阻态；它们分别称为平行磁结构和反平行磁结构，分别对应二进制状态的“1”和“0”。有的隧道结可以具有更多的稳定磁结构，可以实现多进制。依据自由层的磁性可以把MTJ分成两类。自由层是铁磁性材料的磁隧道结称为铁磁隧道结(Ferromagnetic Tunneling Junction,F-MTJ)；自由层为反铁性材料的磁隧道结称为反铁磁隧道结(Antiferromagnetic Tunneling Junction,AF-MTJ)。
MRAM依据MTJ的分类方法可以分为基于铁磁的MRAM(F-MRAM)和基于反铁磁的MRAM(AF-MRAM)。它们的共有优点是非挥发性，即断电后数据不丢失；良好的热稳定性，存储信息可保存十年以上；以及良好的读写稳定性。相比F-MRAM易于受外磁场和杂散磁场的影响，AF-MRAM具有良好的磁场稳定性。AF-MRAM的工作频率高达THz，高出F-MRAM约三个数量级。超高的工作频率决定AF-MRAM单元实现从“1”到“0”或从“0”和“1”的状态切换时间更短，在条件近似的情况下相比F-MRAM单元和状态切换消耗的能量更少。
自旋转移矩(Spin Transfer Torque,STT)可以驱动MTJ磁结构的变化，适用于垂直磁结构，既电流流入的方向与MTJ的生长方向垂直的磁结构。自旋转移矩是目前MRAM采用的主流写入方式；但是该方式的困难是：小电流时自旋转移矩微弱，限制了写入速度；大电流时能耗大，同时增大了击穿MTJ单元势垒层的风险。2012年，Liu等人提出在三端结构中利用自旋霍尔效应(Spin Hall Effect,SHE)产生的自旋流(Spin current)驱动F-MTJ 单元自由层的磁化翻转(Science 2012；336:555-558)。其结构包含一个F-MTJ单元和在该 F-MTJ单元自由层下方水平布置的非磁性重金属层。当电流流经重金属层，由于自旋霍尔效应产生流向F-MTJ单元自由层的自旋流,该自旋流的极化方向与电流方向和自旋流的流向两两垂直。当自旋流被MTJ单元自由层吸收后产生转矩，该转矩称为自旋轨道矩(Spin OrbitTorque,SOT)，它可以翻转F-MTJ单元自由层的磁矩。
反铁磁材料净磁矩为零，具有无杂散磁场、对磁场和温度不敏感、高达THz的超快自旋进动等优点。相比来说，作为活自由层的铁磁材料存在杂散磁场和退磁场，这导致其对磁场(包括外部和内部电流产生的寄生磁场)和温度敏感。另外，典型铁磁材料(如铁，钴以及它们的合金等)的自旋进动频率在GHz量级，这相比典型的反铁磁材料的自旋进动频率小约三个数量级，这导致基于后者的器件在速度上将远超基于前者的器件。操控反铁磁材料的优选方法是电流，电流产生的自旋转移矩和自旋轨道矩可以迅速有效的操控反铁磁序的翻转。此外，奈尔自旋轨道矩(Néel spin-orbit torque，NSOT)也能操控反铁序的翻转。2016年Wadley等人报道小至4 106Acm-2的电流产生的奈尔自旋轨道矩就可以调控四方CuMnAs在两个稳定的反铁磁状态之间循环翻转。2018年Bodnar等人报道了约 107Acm-2的电流操控四方Mn2Au的反铁磁序的翻转。
通过自旋轨道矩和奈尔自旋轨道矩方法都可以用来写AF-MTJ单元。在这种三端结构中，由于写电流不流经MTJ单元，避免了写电流对AF-MTJ势垒层的击穿风险。对于奈尔自旋轨道矩方法来说，其实施方法是在四方反铁磁材料的易磁化面内沿与反铁磁序垂直的方向施加直流或者交流电流，当电流超过临界电流时产生的奈尔自旋轨道矩使反铁磁序发生90度旋转，从而实现从状态1到状态2的转变。而从状态2到状态1的转变则需要施加另一个位于易磁化面内且垂直于状态2的反铁磁自由层的反铁磁序的电流，该电流与从状态1到状态2过程中所施加的电流近乎垂直。对于四方反铁磁材料，采用奈尔自旋轨道矩方法需要两个独立的电流才能实现完整的状态循环，这种复杂的实施方法会严重影响器件的集成性以及实施效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反铁磁结构及基于反铁磁结构的磁随机存储器，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种反铁磁结构，包括磁性固定层、缓冲层、绝缘层、重金属缓冲层、反铁磁自由层和非磁性重金属层；磁性固定层、缓冲层、绝缘层、重金属缓冲层、反铁磁自由层和非磁性重金属层叠层排布，其中缓冲层位于磁性固定层和绝缘层之间，重金属缓冲层位于绝缘层和反铁磁自由层之间，非磁性重金属层位于反铁磁自由层下方水平布置；横向流过非磁性重金属层和重金属缓冲层的电流产生的自旋轨道矩用来调控反铁磁自由层的反铁磁序。
进一步的，磁性固定层和反铁磁自由层的磁序平行于反铁磁自由层膜面内；磁性隧道结的横向线度为1nm～50nm，不同层具有不同的形状和线度；电流调控反铁磁自由层的磁序和磁性固定层的磁序处于平行、反平行或者之间不同夹角状态。
进一步的，反铁磁自由层材料为四方锰金Mn2Au或四方铜锰砷CuMnAs，且厚度在0.2nm～5nm。
进一步的，磁性固定层由铁磁性或亚铁磁性或反铁磁性金属及其合金制成，包括Fe、 Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种所形成的合金；
磁性固定层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，包括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；
磁性固定层由半金属铁磁材料制成，包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X为Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co 或Ni中的一种或多种，Z为Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；
磁性固定层由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层包括Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料包括Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、 Ag或Au中的一种或多种；
磁性固定层由反铁磁金属制成，包括Mn2Au、CuMnAs、FeMn、IrMn和PtMn。
进一步的，磁性固定层的厚度应显著大于反铁磁自由层的厚度，磁性固定层亦可通过外接反铁磁钉扎层对磁矩进行固定。
进一步的，绝缘层为氧化物、氮化物或氮氧化物，包括Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Pd、 Ag、Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；或选自SiC、C或陶瓷材料；厚度在0.2nm～5.0nm。
进一步的，缓冲层为金属，包括Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、 Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.0nm～5.0nm。
进一步的，非磁性重金属层和重金属缓冲层包括Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、 Tl、Pb、Bi、Au、Pt、Pd、Ta、W、TaN或WN中的一种或多种；其厚度0.2nm～2.0nm，不大于该非磁性重金属自旋扩散长度的5倍；其所采用的材料的电导率应大于所述的反铁磁自由层材料的电导率的5倍。
进一步的，一种基于反铁磁结构的磁随机存储器，包括一个反铁磁结构和六个电极，第一电极与第二电极分别置于磁性固定层外侧和非磁性重金属层外侧；第三电极和第四电极置于非磁性重金属层侧面成对放置，其方向与沿反铁磁自由层的一个易磁化方向成45 度；第五电极和第六电极置于位于绝缘层与反铁磁自由层之间的缓冲层的侧面，其方向与第三电极和第四电极连线近乎垂直。
进一步的，电极材料为金属或合金材料，包括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或Yb中的一种或多种；
电极材料为碳系导电材料，包括于石墨、碳纳米管或竹炭。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明中，写入电流同时分别横向流过两层重金属层，单独流过每个重金属层的电流密度更低，其磁化翻转临界电流密度大约在1x107Acm-2～1x108Acm-2。而单纯使用纵向电流产生的自旋转移矩操控基于AF-MTJ单元的F-MRAM的翻转临界电流密度大约为1x108Acm-2～1x109Acm-2。
本发明中，仅施加在所述非磁性重金属层的横向电流密度和方向变化，而施加在AF-MTJ单元中的重金属缓冲层的电流是固定不变的。这种电流施加方法产生的SOT效应用来操控AF-MTJ可以简化了基于AF-MTJ的AF-MRAM的设计，利于减小AF-MTJ 的厚度和器件体积，利于提高存储单元阵列排列密度。
本发明中，写电流横向流经两层重金属层，由自旋霍尔效应产生自旋流并流向AF-MTJ单元的反铁磁自由层，自旋轨道距作用于反铁磁自由层使其反铁磁序发生翻转，当AF-MTJ单元反铁磁自由层的反铁磁序与固定层的磁序)呈小夹角时，记为数据“1”，当AF-MTJ单元反铁磁自由层的反铁磁序与固定层的磁序呈大夹角时，记为数据“0”。读电流纵向流经AF-MTJ单元，读取存储的信息。读取数据过程不影响写入信息过程，不会对已存储的信息造成损害，因此无需在读取之后重新写入一次信息，有效提高读写效率。
本发明中，SOT-AF-MRAM器件工作频率在THz量级，远高于F-MRAM的GHz量级的工作频率。
附图说明
图1展示出一种基于自旋霍尔效应的反铁磁隧穿结构(AF-MTJ结构10)的示意图，它和本发明的任何其它图示均未按比例画出。
图2展示出一种基于自旋霍尔效应的反铁磁隧穿结构的SOT-AF-MRAM示意图。其中的位于侧面的各个电极均与也只与重金属层相连。
图3(a)展示出一种基于自旋霍尔效应的反铁磁隧穿结构的SOT-AF-MRAM写入数据“1”的过程；图3(b)展示出在基于反铁磁自由层的SOT-AF-MRAM上数据“1”读取示意图。
图4(a)展示出一种基于自旋霍尔效应的反铁磁隧穿结构的SOT-MRAM写入数据“0”的过程；图4(b)展示出在基于反铁磁自由层的SOT-AF-MRAM上数据“0”读取示意图。
图5展示出根据本发明公开的一个的实施例的写入过程中反铁磁序随时间变化的理论模拟示图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图5，一种反铁磁结构及基于反铁磁结构的磁随机存储器，图1展示出根据本发明公开的一种基于自旋霍尔效应的反铁磁隧穿结构的装置，图1和本发明的任何其它图示未按比例画出。如图1所示，该反铁磁结构的装置由“磁性固定层16-缓冲层15-绝缘层14-重金属缓冲层13-反铁磁自由层12-非磁性重金属层11”构成，该磁性装置横向线度为 1nm～100nm且各组成部分可以根据需要具有不同的形状，外加电场的电压调控所需范围为0.1V～15V，上述绝缘层的厚度为0.3nm～5.0nm，反铁磁自由层12的厚度在0.2nm～5.0nm，缓冲层15厚度在0.0nm～5.0nm，磁性固定层16的厚度应显著大于反铁磁自由层12的厚度或通过外接钉扎层(未示出)对磁序进行固定。图1所示的磁性固定层16的磁序方向在反铁磁自由层膜面内，所示的反铁磁自由层12的磁序方向在反铁磁自由层膜面内。在一些实施例中，磁性隧道结装置可以根据需要具有圆形、椭圆形、矩形、正方形或任何其它形状的横截面。
在本实施例中，磁性固定层16、反铁磁自由层12、缓冲层15以及重金属缓冲层13和非磁性重金属层11都是导电的。
在本实施例中，磁性固定层16由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、 CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种。
在其他实施例中，磁性固定层16或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，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 或Ni/Co。
或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或Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、 Ge、Sn或Sb中的一种或多种。
或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自但不限于Fe、 Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、 Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
或由反铁磁材料制成，选自Mn2Au、CuMnAs、FeMn、IrMn和PtMn。
在本实施例中，绝缘层14是绝缘隧道势垒层，可以为氧化物，氮化物，或氮氧化物，组成元素选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Pd、Ag、Mg、B、Al、Ca、Sr、La、 Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种。
在另一些实施例中，绝缘层14选自但不限于SiC、C或陶瓷材料。
在本实施例中，缓冲层15的组成元素选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、 Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
在本实施例中，反铁磁自由层12材料选自四方Mn2Au和CuMnAs。
在本实施例中，非磁性重金属层11和重金属缓冲层13的材料选自但不限于Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb、Bi、Au、Pt、Pd、Ta、W、TaN或WN中的一种或多种。
图2展示出一种基于反铁磁自由层的SOT-AF-MRAM装置。由磁性结构10、第一电极21、第二电极22、和电极23、24、25和26组成的MRAM装置。该装置包括一个基于反铁磁自由层12的磁性隧道结10，其包括一个磁性固定层16、一个反铁磁自由层12和一个位于磁性固定层16和反铁磁自由层12之间的绝缘层14，还包括位于反铁磁自由层12 和绝缘层14之间的重金属缓冲层13以及位于磁性固定层16和绝缘层14之间的缓冲层 15。磁性固定层16和反铁磁自由层12的磁序方向平行于反铁磁自由层膜面内。
第一电极21与磁性隧道结的磁性固定层16外侧接触，第二电极22与非磁性重金属层11外侧接触，第三电极23和第五电极25成对，分别与非磁性重金属层11的侧面接触，第四电极24与第六电极26相对，分别与重金属缓冲层13的侧面接触，由第三电极23 指向第五电极25的方向与由第四电极24指向第六电极26的方向近乎垂直。第三电极23 指向第五电极25的方向和第四电极24指向第六电极26的方向与反铁磁自由层12的磁序方向，既反铁磁自由层12中所示粗箭头的方向，近乎平行或者垂直。
本实施例中，电极材料为金属或合金材料，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或Yb中的一种或多种；
在一些实施例中，电极材料为碳系导电材料，选自但不限于石墨、碳纳米管或竹炭。
通过向非磁性重金属11单独施加横向电流来实现写入时，所述横向电流密度大于临界值jc；通过同时向非磁性重金属11和重金属缓冲层13施加横向电流来实现写入时，所述横向电流密度之和大于临界值jc但这两个电流可以分别小于临界值jc，其中jc在 1×107Acm-2～1×108Acm-2；所述横向电流为直流或交流。为了保证横向电流主要流过非磁性重金属11和重金属缓冲层13，需要反铁磁自由层12的电阻率不小于非磁性重金属11 和重金属缓冲层13的电阻率的5倍。
图3(a)展示了一种在横向电流作用下，基于反铁磁自由层12的SOT-AF-MRAM装置写入数据“1”的过程：同时非磁性重金属11和重金属缓冲层13施加横向电流，由于自旋霍尔效应产生的自旋流经过AF-MTJ的反铁磁自由层11并翻转其磁序，完成写入数据“1”。其中VDD1、VDD2为高电平，GND1和GND2为低电平，反铁磁自由层12的磁序发生翻转后，AF-MTJ的电阻态与未翻转前不同，磁结构在电流作用与完成数据“1”的写入；图3(b)展示出一种小电流下读取该磁性隧道结数据的示意图，其中VDD为高电平， GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构从GND流出，读出当前数据“1”。
图4(a)展示了一种在横向电流作用下，基于反铁磁自由层12的SOT-AF-MRAM装置写入数据“0”的过程：同时非磁性重金属11和重金属缓冲层13施加横向电流，反铁磁自由层11的磁序发生翻转，完成写入数据“0”。其中VDD1、VDD2为高电平，GND1和 GND2为低电平，反铁磁自由层12的磁序发生翻转后，AF-MTJ的电阻态与未翻转前不同，磁结构在电流作用与完成数据“0”的写入；图4(b)展示出一种小电流下读取该磁性隧道结数据的示意图，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构从GND流出，读出当前数据“0”。
由于自旋霍尔效应产生的自旋流Is垂直于写电流Ic流入AF-MTJ单元。注入电流、自旋流与自旋取向三者满足关系：
其中，Jc表示写入电流密度，Js表示自旋霍尔效应产生的纯自旋流密度，表示σ电子自旋方向，θsh代表自旋霍尔角，用以描述具体材料中自旋霍尔效应的强度，即重金属中通入电流与产生的自旋流的转换比。如图3(a)所示的AF-TMJ沿z方向生长，反铁磁自由层位于重金属缓冲层下侧且位于非磁性重金属层上侧，如果流过非磁性重金属层的写电流1沿y方向，则流入反铁磁自由层的自旋流Js1沿z方向，其极化方向沿x方向；如果流过重金属缓冲层的写电流2沿-x方向，则流入反铁磁自由层的自旋流Js2沿-z方向，其极化方向沿-y方向；在写电流1和写电流2的总和大于临界电流的情况下，自旋流Js1和自旋流Js2一起共同实现反铁磁自由层的磁序从方位角φ＝45°向φ＝135°翻转。
反铁磁的磁序在自旋流的作用下的进动过程在理论上可以用一组耦合的Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程来描述。
其中
为动力学净磁矩，
为反铁磁矢量(奈尔矢量)，γ为旋磁比，
为各向异性场，αm和αn分别是动力学净磁矩和反铁磁矢量的磁阻尼系数，
和
分别是作用到动力学净磁矩和反铁磁矢量上的转矩，HE为交换场。其进动频率
考虑交换场HE在1000T量级和各向异性场Hn在1T量级，典型反铁磁材料的进动频率在THz量级。
作为对比，铁磁材料在自旋流的作用下的自旋进动由一个LLGS方程描述。
其中
为铁磁各向异性场，αm是铁磁阻尼系数，其它参数和公式(1)一致。考虑典型的铁磁各向异性场Hm在0.01T量级，典型的铁磁材料的进动频率在GHz量级。
可见，自旋流作用下的铁磁材料和反铁磁材料的运动规律根本不同。
反铁磁材料的各向异性场可以从材料的磁晶各向异性能(magnetocrystallineanisotropy energy,MCA)得到。
图5所示的Pt/Mn2Au/Pt膜结构中的反铁磁材料的磁晶各向异性能由公式 U(θ,φ)＝K2⊥sin2θ+K2⊥sin4θ+K4||sin4θcos4φ给出(Physical Review B2010；81(21)：212409)，其中K2⊥＝-2.44meV、K4⊥＝0.02meV和K4||＝0.01meV分别为每化学式单元的单轴各向异性常数、四阶面外各向异性常数和四阶面内各向异性常数。
图5所示的Pt/Mn2Au/Pt膜结构中的反铁磁矢量随时间变化的理论模拟采用的参数随上述的各向异性场外，其它的有：HE＝1000T、αm＝0.5、αn＝0.05和Mn2Au层厚度为1.7nm。
图5所示Pt/Mn2Au/Pt膜结构的理论模拟过程中有两个输入电流。在反铁磁矢量从小角度向大角度翻转过程中(实线)，右侧Pt膜(既非磁性重金属层膜11)电流Jc沿y 方向，左侧Pt膜(既重金属缓冲层膜)电流沿-x方向。左侧Pt膜中的输入电流为右侧 Pt膜中的输入电流的一半。在反铁磁矢量从大角度向小角度翻转过程中(虚线)，右侧Pt 膜(既非磁性重金属层膜)电流Jc沿-y方向，左侧Pt膜(既重金属缓冲层膜13)电流沿 -x方向。左侧Pt膜中的输入电流为右侧Pt膜中的输入电流的一半。
在输入电流θshJc为2×1012A/m2下，可以实现反铁磁矢量从大角度向小角度翻转，在输入电流θshJc为-2×1012A/m2下可以实现反铁磁矢量从小角度向大角度翻转。
在输入电流θshJc在4×1011A/m2到4×1013A/m2之间都可以实现上述翻转过程，在大电流情况下实现翻转所需时间更少。
采用上述方法实现SOT-AF-MRAM，只需要改变非磁性重金属层膜11中的电流的方向就可以实现反铁磁矢量的循环翻转。
相比下，通过NSOT方法实现循环翻转的反铁磁隧道结磁随机存贮器 (NSOT-AF-MRAM)需要两个独立控制的电流才能实现(Nature Communication2018；9：348)。
自旋轨道矩-反铁磁磁性随机存储装置的写入方法：
通过同时向非磁性重金属层和隧道结单元中的重金属缓冲层单独施加横向电流来实现写入，向隧道结单元中的重金属缓冲层单独施加的电流方向固定不变，其电流密度为向非磁性重金属层单独施加的电流密度的0.01-0.99倍，所述横向电流密度大于临界值jc，其中jc在1 107Acm-2～1 108Acm-2；所述横向电流为直流或交流。
本发明公开了一种基于重金属和反铁磁材料的磁性结构，以及使用自旋轨道矩进行数据擦写的自旋轨道矩-反铁磁磁性随机存储器(Spin-orbit torqueantiferromagnetic random access memory，SOT-AF-MRAM)，其包含一个磁性固定层，一个普通缓冲层，一个绝缘层，一个重金属缓冲层，一个反铁磁自由层和一个非磁性重金属层，其中反铁磁自由层可以通过在非磁性重金属层和重金属缓冲层中施加两个独立的横向电流来调控其反铁磁序 (Antiferromagnetic order parameter)。所述装置的特点是在重金属缓冲层中施加的电流固定不变，仅需改变施加在非磁性重金属层上的电流就可以实现上述磁结构的磁性固定层的磁序和反铁磁自由层的反铁磁序在两个不同夹角之间的相互转变。在电流作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。
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 (10)
1.一种反铁磁结构，其特征在于，包括磁性固定层、缓冲层、绝缘层、重金属缓冲层、反铁磁自由层和非磁性重金属层；磁性固定层、缓冲层、绝缘层、重金属缓冲层、反铁磁自由层和非磁性重金属层叠层排布，其中缓冲层位于磁性固定层和绝缘层之间，重金属缓冲层位于绝缘层和反铁磁自由层之间，非磁性重金属层位于反铁磁自由层下方水平布置；横向流过非磁性重金属层和重金属缓冲层的电流产生的自旋轨道矩用来调控反铁磁自由层的反铁磁序。
2.根据权利要求1所述的一种反铁磁结构，其特征在于，磁性固定层和反铁磁自由层的磁序平行于反铁磁自由层膜面内；磁性隧道结的横向线度为1nm～50nm，不同层具有不同的形状和线度；电流调控反铁磁自由层的磁序和磁性固定层的磁序处于平行、反平行或者之间不同夹角状态。
3.根据权利要求1所述的一种反铁磁结构，其特征在于，反铁磁自由层材料为四方锰金Mn2Au或四方铜锰砷CuMnAs，且厚度在0.2nm～5nm。
4.根据权利要求1所述的一种反铁磁结构，其特征在于，磁性固定层由铁磁性或亚铁磁性或反铁磁性金属及其合金制成，包括Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种所形成的合金；
磁性固定层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，包括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；
磁性固定层由半金属铁磁材料制成，包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X为Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z为Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；
磁性固定层由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层包括Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料包括Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种；
磁性固定层由反铁磁金属制成，包括Mn2Au、CuMnAs、FeMn、IrMn和PtMn。
5.根据权利要求4所述的一种反铁磁结构，其特征在于，磁性固定层的厚度应显著大于反铁磁自由层的厚度，磁性固定层亦可通过外接反铁磁钉扎层对磁矩进行固定。
6.根据权利要求1所述的一种反铁磁结构，其特征在于，绝缘层为氧化物、氮化物或氮氧化物，包括Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Pd、Ag、Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；或选自SiC、C或陶瓷材料；厚度在0.2nm～5.0nm。
7.根据权利要求1所述的一种反铁磁结构，其特征在于，缓冲层为金属，包括Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.0nm～5.0nm。
8.根据权利要求1所述的一种反铁磁结构，其特征在于，非磁性重金属层和重金属缓冲层包括Nb、Mo、Ru、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pb、Bi、Au、Pt、Pd、Ta、W、TaN或WN中的一种或多种；其厚度0.2nm～2.0nm，不大于该非磁性重金属自旋扩散长度的5倍；其所采用的材料的电导率应大于所述的反铁磁自由层材料的电导率的5倍。
9.一种基于反铁磁结构的磁随机存储器，其特征在于，基于权利要求1至8任意一项所述的一种反铁磁结构，包括一个反铁磁结构和六个电极，第一电极与第二电极分别置于磁性固定层外侧和非磁性重金属层外侧；第三电极和第四电极置于非磁性重金属层侧面成对放置，其方向与沿反铁磁自由层的一个易磁化方向成45度；第五电极和第六电极置于位于绝缘层与反铁磁自由层之间的缓冲层的侧面，其方向与第三电极和第四电极连线近乎垂直。
10.根据权利要求9所述的一种基于反铁磁结构的磁随机存储器，其特征在于，电极材料为金属或合金材料，包括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或Yb中的一种或多种；
电极材料为碳系导电材料，包括于石墨、碳纳米管或竹炭。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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