CN112701216B - 一种磁多层结构及sot-mram - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁多层结构，一种自旋轨道矩‑磁性随机存储器，一种自旋轨道矩‑磁性随机存储器的写入和存储方法，涉及具有磁性/铁磁/铁电材料或结构的电路和器件及其应用，磁多层结构包括：铁电层，自旋轨道矩材料层和电场调控的基于所述人工反铁磁自由层的磁性隧道结。通过极化电场和界面电荷转移效应辅助外加电场调控人工反铁磁结构的反铁磁耦合与铁磁耦合的转变，从而降低了写入过程所需的电流密度，提高了存储单元排列密度，节约能耗。
Description
技术领域
本发明涉及具有磁性/铁磁/铁电材料或结构的电路和器件及其应用，尤其涉及一种磁多层结构及自旋轨道矩-磁性随机存储器(Spin-Orbit Torque Magnetic RandomAccess Memory，SOT-MRAM)。
背景技术
以磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)为基本结构的新型磁性随机存储器的发展有望解决传统互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术功耗高、易失性等技术瓶颈；其具有非易失性、高速读写、工艺兼容良好、无限次擦写等优点成为新型存储器研究领域热点。
传统的MRAM是以自旋转移矩(Spin Transfer Torque，STT)作为MTJ最普遍的写入方式，最新发展的以电流产生的自旋轨道矩(Spin Orbit Torque，SOT)而不是电流产生的磁场来切换固定层与自由层的相对磁化取向，从而实现数据写入的SOT-MRAM。与当前普遍采用的STT写入方式相比，SOT技术能够实现更快的速度与更低的功耗。同时，器件结构也不易在高电流密度下受到破坏。但这种SOT-MRAM的写入电流密度还是很高，限制了存储单元阵列的排列密度。
因此，本领域技术人员致力于开发一种铁电层辅助电场调控人工反铁磁自由层的磁多层结构，利用铁电材料极化产生电场从而使得人工反铁磁结构翻转所需外加电场大大降低，从而降低能耗。
其次，本领域技术人员致力于开发一种电场调控的基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM，即利用铁电极化电场和电荷转移效应调控一种人工反铁磁结构由反铁磁态转变为铁磁态，使其作为磁性隧道结的自由层，结合电流直接切换自由层与固定层磁化的相对取向，实现数据写入，能够进一步减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种铁电层辅助电场调控人工反铁磁自由层的磁多层结构及自旋轨道矩磁随机存储器，利用铁电材料产生极化电场来调控人工反铁磁自由层，使其从反铁磁态转变为铁磁态，同时结合自旋轨道矩效应翻转自由层的磁化方向，从而使得人工反铁磁自由层翻转所需的外加电场大大降低，也减小了写入电流密度，降低能耗。
本发明提供了一种磁多层结构，其中包括：铁电层；形成在所述铁电层上的自旋轨道矩材料层；形成在所述自旋轨道矩材料层上的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；所述基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结包括：基于人工反铁磁结构的自由层即人工反铁磁自由层，包括：形成在所述自旋轨道矩材料层上的第二磁性层；形成在所述第二磁性层上的非磁耦合层；形成在所述非磁耦合层上的第一磁性层；形成在第一磁性层上的间隔层；形成在间隔层上的固定层。
所述铁电层在外加电场作用下会发生饱和极化，形成极化电场，在铁电层上表面聚积正(负)电荷，在下表面聚积负(正)电荷，此时与其接触的自旋轨道矩材料层在下表面聚集负(正)电荷，上表面聚集正(负)电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层与自旋轨道矩材料层之间发生显著电荷转移，(与纯电场调控相比)有效放大穿透自旋轨道矩材料层内的电场强度，提升人工反铁磁结构的铁磁耦合状态性能。同时，界面电荷转移导致自旋轨道矩材料层内不均匀电荷分布的出现，它不但可以调控其内部自旋轨道耦合强度，也可以显著增强其与铁磁自由层界面处的Rashba自旋轨道耦合效应，使得自由层更加容易翻转。此外，铁电层与自旋轨道矩材料层之间的界面亦可形成界面轨道杂化，该效应亦可显著提高自旋轨道矩材料层的自旋轨道耦合效应，协同极化电场和电荷转移效应来共同调控人工反铁磁结构的铁磁耦合状态。
所述铁电层由绝缘或半导体铁电材料形成，所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：
PMN-PT((1-x)[PbMg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3])、
PZN-PT((1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3])、PSN-PT(Pb(Sc1/2Nb1/2)-PbTiO3)、Pb(In1/2Nb1/2)-PbTiO3，Pb(Yb1/2Nb1/2)-PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf(1-x)ZrxO2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1-xTix)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、BaxSr1-xTiO3(BST)、(Pb，La)TiO3(PLT)、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O12(BLT)、SrRuO3、BaHfO3、La1-xSrxMnO3、BaMnF4、α-In2Se3、β′-In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β-GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF-TrFE)、C13H14ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g-C6N8H以及极性化学基团-CH2F，-CHO，-COOH或-CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。
优选的，所述基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结，通过所述极化电场调控，所述磁性隧道结中的人工反铁磁自由层在所述极化电场的作用下实现从反铁磁态耦合到铁磁态耦合的翻转；
优选的，所述自旋轨道矩材料层由具有自旋霍尔效应的导电材料形成，选自Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg中的一种或多种重金属合金材料制成的材料；或选自CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1-xSbx、(Bi，Sb)2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、Bi2-xSbxTe3-ySey、Sb2Te2Se、TIBiSe2、TIBiTe2、TIBi(S，Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7等材料中的一种或多种拓扑绝缘体材料制成的材料；所述自旋轨道矩材料层在通入电流时，会对邻近的人工反铁磁自由层磁矩有自旋轨道矩作用从而辅助人工反铁磁自由层翻转。
优选的，所述磁多层结构还包括偏置磁层，用于向所述第二磁性层施加偏置磁场。
优选的，可在所述铁电层和所述自旋轨道矩材料层之间添加绝缘层削弱极化电场。
本发明提供了一种电场调控的基于人工反铁磁自由层的自旋轨道局磁随机存储器，包括：如前所述的磁多层结构；置于所述自旋轨道矩材料层两侧的第一电极和第二电极，用于施加流经所述自旋轨道矩材料层的面内电流；置于所述铁电层外侧的第三电极；置于所述磁性隧道结固定层外侧的第四电极；所述第一电极或第二电极之一与所述第四电极用于施加流经所述人工反铁磁自由层、所述间隔层和所述固定层的垂直电流；所述第三电极通过外接电源施加电场于所述铁电层，所述铁电层产生极化电场和电荷转移效应，使得所述自由层由反铁磁态转变为铁磁耦合；
优选的，所述第一、第二、第三、第四电极材料可由具有良好导电性的金属或合金材料形成，包括但不限于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、T1、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb等；或者，所述电极材料选自如下碳系导电材料中的一种或多种：石墨、碳纳米管或竹炭。
优选的，所述人工反铁磁自由层是包括第一磁性层/非磁耦合层/第二磁性层的三明治堆叠结构；其中，所述第一磁性层、第二磁性层可由常见的铁磁材料形成，包括但不限于：Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB、CoCrPt结构材料，或(Co/Ni)m、(Co/Pd)n、(Co/Pt)q多层重复堆叠磁性结构材料，其中m、n、q是指多层堆叠的重复次数；或者可由垂直磁晶各向异性较强的铁磁材料形成，包括但不限于Fe、Fe-4％Si、Co、CoFe、CoFe2O4、BaFe12O19等；所述第一磁性层、第二磁性层磁化方向垂直指向面外或平行于面内；所述非磁耦合层可由非磁导电材料形成，包括但不限于Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os中的一种金属或多种元素组成的合金。
优选的，所述磁性固定层的材料选自：铁磁性或亚铁磁性金属材料及其合金，包括但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，或者所述铁磁性或亚铁磁性金属与Hf、Pd、Pt、B、Al、Zr、Ta、Cr、Mo、Nb中的一种或多种金属结合制成的多组元合金材料；或者由合成铁磁或亚铁磁材料形成，包括但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构材料，如Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co等；或者由半金属铁磁材料形成，如形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金等，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；或者由合成反铁磁结构形成，其中磁性层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)m、(Co/Pd)n或(Co/Pt)q，m、n、q指多层堆叠的重复次数，非磁耦合层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种金属或多种元素组成的合金。
优选的，所述间隔层位于磁性固定层和人工反铁磁自由层之间，可包括非磁导电材料或者非磁绝缘材料；所述间隔层的材料选自氧化物、氮化物或氮氧化物，且所述氧化物、氮化物或氮氧化物的组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种掺杂形成的化合物；或者所述间隔层的材料选自非磁金属或合金，且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或V中的一种或多种；或者所述间隔层的材料选自SiC、C或其他陶瓷材料。
本发明还提供了一种铁电辅助人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，包括如下步骤：
S100、向所述自旋轨道层施加面内电流，向所述基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结施加垂直辅助电流，以及向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层产生极化电场和电荷转移效应调控所述自由层，所述第一磁性层与第二磁性层转变为铁磁耦合，翻转所述自由层的第二磁性层的磁化方向，写入数据；
S200、向所述铁电层施加振荡衰减电压或反向极化电压来控制所述铁电层向所述自由层施加去铁电极化电场，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为反铁磁耦合，完成写入并保存数据。
本发明还提供了第二种铁电辅助人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，包括如下步骤：
S101、向所述自旋轨道层施加面内电流，并向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层产生极化电场和电荷转移效应调控所述自由层，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为铁磁耦合，翻转所述自由层的第二磁性层的磁化方向，写入数据；
S201、向所述铁电层施加振荡衰减电压或反向极化电压来控制所述铁电层向所述自由层施加去铁电极化电场，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为反铁磁耦合，完成写入并保存数据。
其中，当所述自由层具有面内磁化时，所述面内电流的方向与所述自由层中的第二磁性层的易磁化轴成一夹角θ，当所述自由磁层具有离面磁化时，所述自由层中的第二磁性层的易磁化轴与所述第二磁性层的法线方向成一夹角θ，所述夹角θ在0°＜θ＜90°的范围，其中，向所述存储单元写入的数据取决于所述面内电流的方向。
在一些实施例中，所述夹角θ在30°＜θ＜60°的范围。
本发明还提供了第三种铁电辅助人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，包括如下步骤：
S102、向所述自旋轨道层施加面内电流，并向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层产生极化电场和电荷转移效应调控所述自由层，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为铁磁耦合，同时在所述偏置磁层向所述自由层的第二磁性层施加的偏置磁场的共同作用下，翻转所述自由层的第二磁性层的磁化方向，从而写入数据；
S202、向所述铁电层施加振荡衰减电压或反向极化电压来控制所述铁电层向所述自由层施加去铁电极化电场，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为反铁磁耦合，完成写入并保存数据。
相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：
铁电层形成极化电场，在铁电层与自旋轨道矩材料层之间发生显著电荷转移，有效放大穿透自旋轨道矩材料层内的电场强度，提升人工反铁磁结构的铁磁耦合状态性能。同时，界面电荷转移导致自旋轨道矩材料层内不均匀电荷分布的出现，它不但可以调控其内部自旋轨道耦合强度，也可以显著增强其与铁磁自由层界面处的Rashba自旋轨道耦合效应，使得自由层更加容易翻转。减小了写入电流密度，提高了存储单元排列密度，减小能耗。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
此处所说明的附图是用来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限定，本发明的任何其它图示未按比例画出，在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
图1(a)展示了铁电层在铁电极化前上表面与下表面无电荷分布示意图；
图1(b)展示了铁电层在外加电场Ew饱和极化后在上表面聚积正电荷，下表面聚积负电荷的示意图；
图1(c)展示了一种铁电层在写完数据后加振荡衰减脉冲电场Es使铁电层退铁电极化的示意图；
图1(d)展示了另一种铁电层在写完数据后施加反向极化脉冲电场Es使铁电层下表面聚积少量正电荷，上表面聚积少量负电荷的示意图；
图2(a)至图2(b)展示出自旋轨道矩磁随机存储器写入和存储数据过程中对铁电层施加电场脉冲的两种方法示意图，记为方法1和方法2，其中，图2(a)为方法1示意图：对铁电层施加电场脉冲Ew，铁电极化场和电荷转移效应调控人工反铁磁自由层写入数据；写入完成后，对铁电层施加振荡衰减脉冲Es退铁电极化，即完成数据的保存；图2(b)为方法2示意图：对铁电层施加电场脉冲Ew，铁电极化场和电荷转移效应调控人工反铁磁自由层写入数据；写入完成后，对铁电层施加反向极化电场脉冲Es不饱和铁电极化，即完成数据的保存；
图3展示出自旋轨道矩磁随机存储器写入和存储数据过程中铁电层的铁电极化与外加电场脉冲的电滞回线关系图；
图4(a)展示出了一种铁电辅助电场调控基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器示意图；
图4(b)展示出了另一种铁电辅助电场调控基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器示意图；
图5(a)至图5(c)展示了第一种自旋轨道矩磁随机存储器写入并保存数据“1”的过程示意图；
图6(a)至图6(c)展示了第一种自旋轨道矩磁随机存储器写入并保存数据“0”的过程示意图；
图7(a)至图7(c)展示了第二种自旋轨道矩磁随机存储器写入并保存数据“1”的过程示意图；
图8(a)至图8(c)展示了第二种自旋轨道矩磁随机存储器写入并保存数据“0”的过程示意图；
图9(a)至图9(c)展示了第三种自旋轨道矩磁随机存储器写入并保存数据“1”的过程示意图；
图10(a)至图10(c)展示了第三种自旋轨道矩磁随机存储器写入并保存数据“0”的过程示意图；
图11(a)至图11(d)展示了自旋轨道矩磁随机存储器数据读取示意图；
图12和表1展示了一种如图4(a)所示铁电辅助电场调控基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器阵列同时写“1”和“0”，读取“1”和“0”的过程以及读写操作数据线电平值；
其中，11-第一磁性层，12-非磁耦合层，13-第二磁性层，20-磁性隧道结，21-自由层，22-间隔层，23-固定层，24-自旋轨道距材料层，25-铁电层，26-绝缘层，31-第一电极，32-第二电极，33-第三电极，34-第四电极。
具体实施方式
以下参考说明书附图1(a)至图12介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
图1(a)至图1(d)展示了一种铁电层25产生极化场示意图，通过外加电场Ew，铁电层25饱和极化后在铁电层上表面聚积正电荷，在下表面聚积负电荷。通过外加振荡衰减电场脉冲或反向电场脉冲Es，铁电层退极化或铁电不饱和极化上表面聚积负电荷，在下表面聚积正电荷。图中外加电场Ew和反向电场脉冲Es由其它装置产生；Ew为匀强电场脉冲，Es为振荡衰减脉冲或反向极化脉冲电场。
在本实施例中铁电层25可由绝缘或半导体铁电材料形成，可用于铁电层25的材料的示例包括但不限于：
PMN-PT((1-x)[PbMg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3])、
PZN-PT((1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3])、PSN-PT(Pb(Sc1/2Nb1/2)-PbTiO3)、Pb(In1/2Nb1/2)-PbTiO3，Pb(Yb1/2Nb1/2)-PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf(1-x)ZrxO2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1-xTix)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、BaxSr1-xTiO3(BST)、(Pb，La)TiO3(PLT)、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O12(BLT)、SrRuO3、BaHfO3、La1-xSrxMnO3、BaMnF4、α-In2Se3、β′-In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β-GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF-TrFE)、C13H14ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g-C6N8H以及极性化学基团-CH2F，-CHO，-COOH或-CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物。
其中，铁电层厚度为0.1nm～500nm，优选地在1nm～200nm的范围，更优选地在10nm～100nm的范围。
图2(a)展示出自旋轨道矩磁随机存储器写入和存储数据过程中对铁电层施加电场脉冲的方法1：首先对铁电层25施加电场脉冲Ew，铁电极化场和电荷转移效应调控自由层21写入数据；写入完成后，对铁电层25施加振荡衰减电场脉冲Es退铁电极化，即完成数据的保存。
图2(b)展示出自旋轨道矩磁随机存储器写入和存储数据过程中对铁电层施加电场脉冲的方法2：首先对铁电层25施加电场脉冲Ew，铁电极化场和电荷转移效应调控自由层21写入数据；写入完成后，对铁电层25施加反向极化电场脉冲Es不饱和铁电极化，即完成数据的保存。
图3展示出自旋轨道矩-磁随机存储器写入和存储数据过程中铁电层25的铁电极化与外加电场脉冲的电滞回线关系图。对于图2(a)的方法1：其中写入过程中为OA段，保存数据过程中为ABCDEFGHIO段；对于图2(b)的方法2：其中写入过程中为OA段，保存数据过程中为ABCDE段；
图4(a)展示出了一种铁电辅助电场调控的基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩-磁随机存储器，由磁性隧道结20、第一电极31、第二电极32、第三电极33、第四电极34，自旋轨道矩材料层24、铁电层25所组成，其中，磁性隧道结20包括一个固定层23、一个基于人工反铁磁结构的自由层21和一个位于固定层23和自由层21之间的间隔层22；固定层23和自由层21的磁化方向垂直指向面外或平行于面内，自由层21通过外加电场调控其反铁磁耦合与铁磁耦合的转变。
图4(b)展示出了另一种铁电辅助电场调控的基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩-磁随机存储器，由磁性隧道结20、第一电极31、第二电极32、第三电极33、第四电极34，自旋轨道矩材料层24、铁电层25和绝缘层26所组成，其中磁性隧道结20包括一个固定层23、一个基于人工反铁磁结构的自由层21和一个位于它们之间的间隔层22；固定层23和自由层21的磁化方向垂直指向面外或平行于面内，自由层21通过外加电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
在本实施例中，人工反铁磁自由层21可以通过电场调控，其磁化方向垂直指向面外或平行于面内，自由层21由“第一磁性层11-非磁耦合层12-第二磁性层13”构成，其中，第一磁性层11、第二磁性层13材料可由常见的铁磁材料形成，包括但不限于：Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB、CoCrPt结构材料，或(Co/Ni)m、(Co/Pd)n、(Co/Pt)q多层重复堆叠磁性结构材料，其中m、n、q是指多层堆叠的重复次数；或者可由垂直磁晶各向异性较强的铁磁材料形成，包括但不限于Fe、Fe-4％Si、Co、CoFe、CoFe2O4、BaFe12O19等；所述第一磁性层11、第二磁性层13的磁化方向垂直指向面外或平行于面内，厚度可以在0.1nm～8nm的范围内，优选地在0.2nm～5nm的范围内，更优选地在0.2nm～3nm的范围内；所述第二磁性层13的磁矩大于所述第一磁性层11的磁矩；所述非磁耦合层12可由非磁导电材料形成，包括但不限于Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os中的一种或多种元素组成的合金，非磁耦合层12的厚度可以在0.1nm～10nm的范围内，更优选地在0.2nm～5nm的范围内。
外加电场前，自由层21处于反铁磁耦合状态，其直径为1nm～100nm，将其置于铁电层辅助的外加电场中，外加电场的电压调控所需范围为0.1V～15V，自由层21由反铁磁耦合状态转变为铁磁耦合状态，撤销施加于自由层21的电场，自由层21由铁磁耦合态退回到反铁磁耦合态，即可以通过外加电场调控其反铁磁耦合态与铁磁耦合态的转变。
固定层23可由铁磁性或亚铁磁性金属材料及其合金形成，包括但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，或者所述铁磁性或亚铁磁性金属与Hf、Pd、Pt、B、Al、Zr、Ta、Cr、Mo、Nb中的一种或多种结合制成的多组元合金材料；或者由合成铁磁或亚铁磁材料形成，包括但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构材料，如Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co等；或者由半金属铁磁材料形成，如形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金等，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；或者由人工反铁磁结构形成，其中磁性层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)m、(Co/Pd)n或(Co/Pt)q，m、n、q指多层堆叠的重复次数，非磁耦合层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种元素组成的合金；在一些实施例中，固定层23的厚度可以在2nm～40nm的范围，优选地在2nm～20nm的范围，更优选地在2nm～10nm的范围。
间隔层22位于固定层23和自由层21之间，可包括非磁导电材料或者非磁绝缘材料；间隔层22的材料选自氧化物、氮化物或氮氧化物，且所述氧化物、氮化物或氮氧化物的组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种掺杂形成的化合物；或者间隔层22的材料选自非磁金属或合金，且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或V中的一种或多种；或者间隔层22的材料选自SiC、C或其他陶瓷材料；在一些实施例中，间隔层22的厚度可以在0.1nm～10nm的范围内，优选地在0.1nm～5nm的范围内，更优选地在0.1nm～2nm的范围内。
在另一些实施例中，间隔层22还可以为其它结构，例如在绝缘体系中加入导电通道的粒状层。
上述实施例采用不同材料制成的固定层23和自由层21是铁磁性的，而间隔层22是非磁性的。
在本实施例中，自旋轨道矩材料层24由具有自旋霍尔效应的导电材料形成，选自Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg中的一种或多种重金属合金材料制成的材料；
在其他实施例中，自旋轨道矩材料层24选自CaTe、HgTe、CdTe、AISb、InAs、GaSb、AISB、Bi1-xSbx、(Bi，Sb)2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、Bi2-xSbxTe3-ySey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S，Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7等材料中的一种或多种拓扑绝缘体材料制成的材料。
第一电极31与第二电极32分别与自旋轨道矩材料层24左右两端接触，第三电极33与第四电极34分别与铁电层25下侧、磁性隧道结固定层23上侧接触，其中铁电层25与自旋轨道矩材料层24(图4(a))或绝缘层26(图4(b))下侧。
第三电极33通过外接电源产生电场，作用于铁电层25，若铁电层25极化太强，会导致自由层21保持在铁磁态不变，可采用在铁电层25上侧加一层薄的绝缘层26来削弱铁电极化电场。绝缘层26选自但不限于Al2O3、MgO、SiO2等氧化物、氮化物或氮氧化物，绝缘层的厚度为0nm～100nm。
本实施例中，电极材料由具有良好导电性的金属或合金材料形成，包括但不限于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等；
在一些实施例中，电极材料选自如下碳系导电材料中的一种或多种：石墨、碳纳米管或竹炭。
在一些实施例中，图4(a)和图4(b)所示的多层结构可以具有各种形状，例如圆形、椭圆形、正方向、长方形、环形等。
在一些实施例中，虽然未示出，但是还可以包括用于向第二磁性层13施加面内偏置磁场的偏置磁层，其可以由磁矩较大的永磁材料或铁磁材料形成，包括但不限于常规永磁合金AlCoNi系、FeCrCo系、CuNiFe系、FeCoMo系、FeCoV系等，铁氧体类永磁材料，稀土类永磁材料NdFeB、SmCo等，以及常见的铁磁材料Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePt、FePd、CoFe、CoPt、CoPd、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb以及它们与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt组成的多组元合金等。偏置磁层的位置没有特殊限制，只要能向第二磁性层13施加面内偏置磁场即可。例如，在一些实施例中，偏置磁层可以是形成在第二磁性层13两侧的硬偏置层，或者可以形成在顶电极34上方，形成在顶电极34与固定磁层23之间，形成在自旋轨道矩材料层24与铁电层25之间，或者形成在底电极33下方。在一些实施例中，还可以用上述材料形成顶电极34和/或底电极33以用作偏置层。
图5(a)至图5(c)展示了在自旋轨道矩(SOT)、自旋转移矩(STT)及铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下，基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩-磁随机存储器写入方法的示意图。其中图5(a)示意性示出了写入数据“1”的过程，其中Vwp2＞Vwp1＞GND，第四电极34接Vwp2的高电平，第二电极32接GND的低电平，第一电极31接Vwp1的中电平。自旋轨道矩材料层24将产生横向电流1，其通过自旋霍尔效应将自旋流注入到与其接触的第二磁性层13中，使第二磁性层13的垂直磁矩翻转到面内方向。同时，磁性隧道结31中将产生垂直向下的辅助电流2，其通过自旋转移矩(STT)效应使得自由层21的第一磁性层11和第二磁性层13的磁矩翻转到与固定层23相反的方向上。同时，对铁电层25施加电场脉冲Ew，所述铁电层25发生饱和极化，形成极化电场，在铁电层25上表面聚积正电荷，在下表面聚积负电荷，此时自旋轨道矩材料层24在下表面聚集负电荷，上表面聚集正电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层25与自旋轨道矩材料层24之间发生显著电荷转移，放大了穿透自旋轨道矩材料层内的电场强度。同时，界面电荷转移导致自旋轨道矩材料层24内不均匀电荷分布的出现，它不但可以调控其内部自旋轨道耦合强度，也可以显著增强其与自由层21界面处的Rashba自旋轨道耦合效应，使得自由层21更加容易翻转。此外，铁电层25与自旋轨道矩材料层之间的界面亦可形成界面轨道杂化，该效应亦可显著提高自旋轨道矩材料层24的自旋轨道耦合效应，协同电荷转移效应来共同调控自由层21的铁磁耦合状态。在垂直方向上产生较大的电荷转移和极化电场使人工反铁磁自由层21由反铁磁耦合变为铁磁耦合，自由层21的第一磁性层11和第二磁性层13的磁矩都与固定层23的磁矩反平行。同样应理解的是，虽然在图5的(a)中示出了自旋轨道材料层24中的横向电流方向为从左向右，但是对于垂直磁矩的自旋阀或磁隧道结31而言，自旋轨道材料层24中的横向电流方向也可以为从右向左，其也可以将第二磁性层13中的垂直磁矩翻转到面内方向。
图5(b)展示了一种施加振荡衰减脉冲电场保存数据的方法，去掉第四电极34，第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，并去掉施加在铁电层的电场Ew后，施加如图1(c)和图2(a)展示的振荡衰减脉冲电场Es，发生退铁电极化，垂直方向的极化电场减小，使人工反铁磁自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，此时第二磁性层13的磁矩大于第一磁性层11的磁矩，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成数据“1”的保存；
图5(c)展示了另一种施加反向电场保存数据的方法，去掉第四电极34，第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，并去掉施加在铁电层的电场Ew后，施加如图1(d)和图2(b)展示的反向电场Es，发生铁电不饱和极化，垂直方向的极化电场减小，使人工反铁磁自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，第二磁性层13的磁矩大于第一磁性层11的磁矩，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成数据“1”的保存；
图6(a)展示在自旋轨道矩(SOT)、自旋转移矩(STT)及铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下，基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩-磁随机存储器写入数据“0”的过程，其中Vwn2＜Vwn1＜GND，第一电极31接Vwn1的中电平，第二电极32接GND的高电平，第四电极34接Vwn2的低电平。自旋轨道矩材料层24将产生横向电流1，其通过自旋霍尔效应而在自旋轨道材料层24与第二磁性层13之间的界面处产生自旋积累，使第二磁性层13的垂直磁矩由于自旋轨道力矩而翻转到面内方向。同时，磁性隧道结31中将产生垂直向上的辅助电流2，其通过自旋转移矩(STT)效应使得第二磁性层13的磁矩翻转到与固定层23相同的方向上。同时，对铁电层25施加电场脉冲Ew，所述铁电层25发生饱和极化，在铁电层25上表面聚积正电荷，在下表面聚积负电荷，此时自旋轨道矩材料层24在下表面聚集负电荷，上表面聚集正电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层25与自旋轨道矩材料层24之间发生显著电荷转移，放大了穿透自旋轨道矩材料层内的电场强度。同时，界面电荷转移导致自旋轨道矩材料层24内不均匀电荷分布的出现，它不但可以调控其内部自旋轨道耦合强度，也可以显著增强其与自由层21界面处的Rashba自旋轨道耦合效应，使得自由层21更加容易翻转。此外，铁电层25与自旋轨道矩材料层之间的界面亦可形成界面轨道杂化，该效应亦可显著提高自旋轨道矩材料层24的自旋轨道耦合效应，协同电荷转移效应来共同调控自由层21的铁磁耦合状态。在垂直方向上产生较大的电荷转移和极化电场，使人工反铁磁自由层21由反铁磁耦合变为铁磁耦合，自由层21的第一磁性层11和第二磁性层13的磁矩都与固定层23的磁矩平行。同样应理解的是，虽然在图6(a)中示出了自旋轨道材料层24中的横向电流方向为从右向左，但是对于垂直磁矩的自旋阀或磁隧道结31而言，自旋轨道材料层24中的横向电流方向也可以为从左向右，其也可以将第二磁性层13中的垂直磁矩翻转到面内方向。
图6(b)展示了一种施加振荡衰减脉冲电场保存数据的方法，去掉第四电极34，第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，并去掉施加在铁电层的电场Ew后，施加如图1(c)和图2(a)展示的振荡衰减脉冲电场Es，发生退铁电极化，垂直方向的极化电场减小，使基于人工反铁磁结构的自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，第二磁性层13的磁矩大于第一磁性层11的磁矩，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成数据“0”的保存；
图6(c)展示了另中一种施加反向电场保存数据的方法，去掉第四电极34，第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，并去掉施加在铁电层的电场Ew后，施加如图1(d)和图2(b)展示的反向电场Es，发生铁电不饱和极化，垂直方向的极化电场减小，使基于人工反铁磁结构的自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，第二磁性层13的磁矩大于第一磁性层11的磁矩，使得第一磁层11的磁矩翻转到与第二磁层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成数据“0”的保存。
应注意的是，这里描述的电流方向是正电流方向，即电子流动方向实际上与电流方向相反。上面虽然描述了正电压和负电压，但是应理解，电压是相对概念，上面描述的电压的符号和大小均可以适当地改变，只要能产生所需电流即可。虽然图5(a)至图5(c)和图6(a)至图6(c)中示出了各个磁层具有垂直磁化，但是应理解，图5(a)至图5(c)和图6(a)至图6(c)的过程也可以应用到各个磁层具有面内磁化的实施例中。此时，自由层21的面内磁化的方向优选在与自旋轨道材料层24中的横向电流方向平行与反平行的方向之间翻转，同样通过改变垂直STT电流的方向来改变自由层21的翻转方向，其他方面与图5(a)至图5(c)和图6(a)至图6(c)所示的实施例相同，这里不再赘述。
图7(a)至图7(c)展示了根据另一实施例的自旋轨道矩磁性随机存储器(SOT-MRAM)的写入方法，即在自旋轨道矩，形状各向异性诱导的磁晶各向异性、以及铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下的写入和存储数据“1”的过程。图7(a)至图7(c)所示的过程利用形状各向异性产生的磁晶各向异性来诱导磁矩的翻转，并且图7(a)至图7(c)示出了具有面内磁化的SOT-MRAM器件。在图7(a)至图7(c)下方的图片为该SOT-MRAM的自旋轨道矩材料层24(矩形层)与自由层21中邻近的第二磁性层13(椭圆形层)的示意图。在本实施例中，将磁性隧道结20刻蚀为椭圆形，其长轴c与短轴a之间的比值c/a在1.1至10的范围内，且其长轴c方向与自旋轨道矩材料层24中的面内横向电流方向成一夹角θ，其在0°＜θ＜90°的范围，优选地在30°＜θ＜60°的范围。参考图7(a)：第一电极31接Vwp，第二电极32接GND，其中Vwp＞GND，自旋轨道材料层24中产生向右的面内横向电流，使自由层21的第二磁性层13的磁矩翻转到垂直纸面向内。同时，对铁电层25施加电场脉冲Ew，所述铁电层25发生饱和极化，在铁电层25上表面聚积正电荷，在下表面聚积负电荷，此时自旋轨道矩材料层24在下表面聚集负电荷，上表面聚集正电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层25与自旋轨道矩材料层24之间发生显著电荷转移，放大了穿透自旋轨道矩材料层内的电场强度。同时，界面电荷转移导致自旋轨道矩材料层24内不均匀电荷分布的出现，它不但可以调控其内部自旋轨道耦合强度，也可以显著增强其与自由层21界面处的Rashba自旋轨道耦合效应，使得自由层21更加容易翻转。此外，铁电层25与自旋轨道矩材料层之间的界面亦可形成界面轨道杂化，该效应亦可显著提高自旋轨道矩材料层24的自旋轨道耦合效应，协同电荷转移效应来共同调控自由层21的铁磁耦合状态。在垂直方向上产生较大的电荷转移和极化电场，使人工反铁磁自由层21由反铁磁耦合变为铁磁耦合，从而第一磁性层11的磁化方向翻转到与第二磁性层13平行的方向上。
参考图7(b)，去掉第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，施加给第二磁性层13的自旋轨道力矩消失，此时第二磁性层13的磁矩在磁晶各向异性的作用下，偏转到最近的易轴方向。同时去掉施加在铁电层的电场Ew后，施加如图1(c)和图2(a)展示的振荡衰减脉冲电场Es，发生退铁电极化，垂直方向的极化电场减小，使自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成数据“1”的保存。
参考图7(c)，去掉第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，施加给第二磁性层13的自旋轨道力矩消失，此时第二磁性层13的磁矩在磁晶各向异性的作用下，偏转到最近的易轴方向。同时去掉施加在铁电层的电场Ew后，如图1(d)和图2(b)展示的反向电场Es，发生铁电不饱和极化，垂直方向的极化电场减小，使自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成数据“1”的保存。
图8(a)至图8(c)展示了在自旋轨道矩，形状各向异性诱导的磁晶各向异性、以及铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下的写入和存储数据“0”的过程。图8(a)至图8(c)所示的过程利用形状各向异性产生的磁晶各向异性来诱导磁矩的翻转，并且图8(a)至图8(c)示出了具有面内磁化的SOT-MRAM器件。在图8(a)至图8(c)下方的图片为该SOT-MRAM的自旋轨道矩材料层24(矩形层)与自由层21中邻近的第二磁性层13(椭圆形层)的示意图。在本实施例中，将磁性隧道结20刻蚀为椭圆形，其长轴c与短轴a之间的比值c/a在1.1至10的范围内，且其长轴c方向与自旋轨道矩材料层24中的面内横向电流方向成一夹角θ，其在0°＜θ＜90°的范围，优选地在30°＜θ＜60°的范围。参考图8(a)：第一电极31接Vwn，第二电极32接GND，其中Vwn＜GND，自旋轨道材料层24中产生向左的面内横向电流，在自旋轨道材料层24和自由层21的第二磁性层13之间的界面处产生自旋积累，使自由层21的第二磁性层13的磁矩翻转到垂直纸面向外。同时，对铁电层25施加电场脉冲Ew，所述铁电层25发生饱和极化，在铁电层25上表面聚积正电荷，在下表面聚积负电荷，此时自旋轨道矩材料层24在下表面聚集负电荷，上表面聚集正电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层25与自旋轨道矩材料层24之间发生显著电荷转移，放大了穿透自旋轨道矩材料层内的电场强度。同时，界面电荷转移导致自旋轨道矩材料层24内不均匀电荷分布的出现，它不但可以调控其内部自旋轨道耦合强度，也可以显著增强其与自由层21界面处的Rashba自旋轨道耦合效应，使得自由层21更加容易翻转。此外，铁电层25与自旋轨道矩材料层之间的界面亦可形成界面轨道杂化，该效应亦可显著提高自旋轨道矩材料层24的自旋轨道耦合效应，协同电荷转移效应来共同调控自由层21的铁磁耦合状态。在垂直方向上产生较大的电荷转移和极化电场，使自由层21由反铁磁耦合变为铁磁耦合，从而第一磁性层11的磁化方向翻转到与第二磁性层13平行的方向上。
参考图8(b)，去掉第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，施加给第二磁性层13的自旋轨道力矩消失，此时第二磁性层13的磁矩在磁晶各向异性的作用下，偏转到最近的易轴方向。同时去掉施加在铁电层的电场Ew，施加如图1(c)和图2(a)展示的振荡衰减脉冲电场Es，发生退铁电极化，垂直方向的极化电场减小，使自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成数据“0”的保存。
参考图8(c)，去掉第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，施加给第二磁层13的自旋轨道力矩消失，此时第二磁性层13的磁矩在磁晶各向异性的作用下，偏转到最近的易轴方向。同时去掉施加在铁电层的电场Ew后，如图1(d)和图2(b)展示的反向电场Es，发生铁电不饱和极化，垂直方向的极化电场减小，使自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成数据“0”的保存。
应理解，图7(a)至图7(c)和图8(a)至图8(c)所示的过程可以有一些变化，而不偏离上面描述的写入原理。例如，施加到自旋轨道材料层24的面内电流可以在垂直纸面的方向上，而不是图7(a)和图8(a)所示的左右方向。此时，第二磁性层13的磁矩可以被偏转到水平轴的方向上，然后当停止对自旋轨道材料层24施加面内电流时，第二磁性层13的磁矩可以在磁晶各向异性力矩的作用下偏转到最近的易轴方向上。此外还应理解的是，图7(a)至图7(c)和图8(a)至图8(c)所示的方法也可以应用到各个磁层具有离面磁化的情形。例如，第二磁性层13的易磁化轴可以在与其法线方向(即与第二磁性层13垂直的方向)成一夹角θ的方向上，此时自旋轨道材料层24中的横向电流产生的自旋轨道力矩可以将第二磁性层13的磁化方向偏转到其面内方向上，然后当停止向自旋轨道材料层24施加横向电流时，在磁晶各向异性力矩的作用下，第二磁性层13的磁矩可以偏转到最近的易轴方向。
图9(a)至图9(c)示出根据本发明另一实施例的自旋轨道矩磁随机存储器写入方法示意图，均示出了在顶电极上方的偏置磁层，但是应理解，偏置磁层也可以如前所述形成在其他位置。在自旋轨道矩(SOT)、偏置磁层所产生的杂散偏置磁场以及和铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下，实现对自旋轨道矩磁随机存储器的写入数据“1”的过程。参考图9(a)：第一电极31接Vwp，第二电极32接GND，其中Vwp＞GND，自旋轨道材料层24中产生面内横向电流，通过自旋霍尔效应而在自旋轨道材料层24与第二磁性层13之间的界面处产生自旋积累，使得第二磁性层13的磁矩由于自旋轨道力矩而翻转到面内方向。偏置磁层将产生沿面内方向的杂散磁场，其破坏第二磁性层13的时间反演对称性，同时产生额外的转矩，使自由层21的第二磁性层13的磁矩翻转到与固定层相反的方向上。由于第二磁性层13为薄层结构，且偏置磁场产生的面外方向上的杂散磁场分量较小，所以可以忽略杂散磁场面外分量的影响。同时，对铁电层25施加电场脉冲Ew，铁电层发生饱和铁电极化，调控铁电层25的极化方向至垂直向上，在垂直方向上产生与电流同极性的极化电场，该电场和电荷转移效应使自由层21由反铁磁耦合变为铁磁耦合，从而第一磁性层11的磁化方向翻转到与第二磁性层13平行的方向上。自由层21的第一磁性层11和第二磁性层13的磁矩都与固定磁层23的磁矩反平行。
参考图9(b)，去掉第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，同时去掉施加在铁电层的电场Ew后，施加如图1(c)和图2(a)展示的振荡衰减脉冲电场Es，发生退铁电极化，垂直方向的极化电场减小，使人工反铁磁自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成数据“1”的保存。
参考图9(c)，去掉第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，同时去掉施加在铁电层的电场Ew后，如图1(d)和图2(b)展示的反向电场Es，发生铁电不饱和极化，垂直方向的极化电场减小，使自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成数据“1”的保存。
图10(a)至图10(c)示出在自旋轨道矩(SOT)、偏置磁层所产生的杂散偏置磁场以及和铁电调控人工反铁磁结构耦合状态的共同作用下，实现对自旋轨道矩磁随机存储器的写入和保存数据“0”的过程。参考图10(a)：第一电极31接Vwn，第二电极32接GND，其中Vwn＜GND，自旋轨道材料层24中产生面内横向电流，通过自旋霍尔效应而在自旋轨道材料层24与第二磁性层13之间的界面处产生自旋积累，使得第二磁性层13的磁矩由于自旋轨道力矩而翻转到面内方向。偏置磁层将产生沿面内方向的杂散磁场，其破坏第二磁性层13的时间反演对称性，同时产生额外的转矩，使自由层21的第二磁性层13的磁矩翻转到与固定层相同的方向上。由于第二磁性层13为薄层结构，且偏置磁场产生的面外方向上的杂散磁场分量较小，所以可以忽略杂散磁场面外分量的影响。同时，对铁电层25施加电场脉冲Ew，铁电层发生饱和铁电极化，调控铁电层25的极化方向至垂直向上，在垂直方向上产生与电流同极性的极化电场，该电场协同电荷转移效应使人工反铁磁自由层21由反铁磁耦合变为铁磁耦合，从而第一磁性层11的磁化方向翻转到与第二磁性层13平行的方向上。自由层21的第一磁性层11和第二磁性层13的磁矩都与固定磁层23的磁矩平行。
参考图10(b)，去掉第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，同时去掉施加在铁电层的电场Ew后，施加如图1(c)和图2(a)展示的振荡衰减脉冲电场Es，发生退铁电极化，垂直方向的极化电场减小，使自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成数据“0”的保存。
参考图10(c)，去掉第二电极32，第一电极31的电压或者将其接地，同时去掉施加在铁电层的电场Ew后，如图1(d)和图2(b)展示的反向电场Es，发生铁电不饱和极化，垂直方向的极化电场减小，使自由层21由铁磁耦合变为反铁磁耦合，使得第一磁性层11的磁矩翻转到与第二磁性层13的磁矩反平行的状态，此时，固定层23与第一磁性层11的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成数据“0”的保存。
应注意的是，这里描述的偏置磁层用于提供一种额外磁场以打破时间反演对称性，其位置并不做限制，可以置于第四电极34一侧，或第三电极33一侧，或其他合适位置，甚至可以替代第四电极34或第三电极33来作为铁磁电极。
图11(a)至图11(d)展示了铁电辅助电场调控的基于人工反铁磁自由层的自选轨道矩磁随机存储器的读取方法。图11(a)至图11(b)展示出读取数据“1”的过程，图11(c)至图11(d)展示出读取数据“0”的过程，读取的原理是相同的，即施加流过磁性隧道结20的垂直电流，来测量其电阻状态是高阻态还是低阻态，由此可以确定磁性隧道结20中存储的数据是“0”还是“1”。读取时第四电极34接VDD，电极32接GND，其中VDD＞GND。
图12和表1展示了一种如图4(a)铁电层25在自旋轨道矩材料层24下侧的基于自由层21的SOT-MRAM存储器阵列同时写“1”和“0”，读取“1”和“0”的过程。WWL为写字线，RWL为读字线，SL为源线，WBL为写位线，RBL为读位线，VDL为电场驱动线。写“1”和存“1”过程：写“1”时写字线WWL1和WWL2拉高Vg，则NMOS管N1，N2，N3打开；电压驱动线VDL拉高Vw电位，写位线WBL2拉高Vwp2，写位线WBL1拉高Vwp1，源线SL接地即开始写数据；写“1”完成后，写字线WWL1拉低，则NMOS管N1关闭，通过电压驱动线VDL输入振荡衰减脉冲或电压驱动线VDL拉低Vs电位，即保存数据“1”。写“0”和存“0”过程：写“0”时NMOS管N1，N2，N3打开；电压驱动线VDL拉高Vw电位，写位线WBL2拉低Vwn2，写位线WBL1拉低Vwn1，源线SL接地即开始写数据；写“0”完成后，写字线WWL1拉低，则NMOS管N1关闭，通过电压驱动线VDL输入振荡衰减脉冲或电压驱动线VDL拉低Vs电位，即保存数据“0”。读取“1”或“0”过程：写字线RWL拉高打开N4，写位线RBL拉高为VDD，源线SL接地即开始读取数据。其中N2和N4及其连接线路可以复用，可只保留其中一个。
表1 SOT-MRAM存储器阵列同时写“1”和“0”，读取“1”和“0”的过程
图12虽然未示出其他实施例中的自旋轨道矩磁随机存储器的阵列连接，但是自旋轨道矩磁性随机存储可包括布置成阵列的多个其他实施例所示的单元结构，每个单元结构可以如图12所示的那样连接，从而能对各个单元结构读写操作。
在上面描述的实施例中，优选地，应注意适当地设置施加电场和自旋轨道材料层24内横向脉冲电流的时序，确保二者施加时具有重叠时间Tn，其范围可以为0.01ns-50ns，优选为0.05ns-10ns。此外，优选地，电场的施加可以不早于横向电流的施加，以保证在数据写入前人工反铁磁结构处于反铁磁耦合状态，这有助于进一步降低数据写入时的临界电流密度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，其特征在于，
所述自旋轨道矩磁随机存储器为一种电场调控的基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器，其包括：
磁多层结构，所述结构包括：铁电层；形成在所述铁电层上的自旋轨道矩材料层；形成在所述自旋轨道矩材料层上的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；其中，所述磁性隧道结包括基于人工反铁磁结构的自由层，所述自由层包括：形成在所述自旋轨道矩材料层上的第二磁性层；形成在所述第二磁性层上的非磁耦合层；形成在所述非磁耦合层上的第一磁性层；形成在所述第一磁性层上的间隔层；形成在所述间隔层上的固定层；
置于所述自旋轨道矩材料层两侧的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极用于施加流经所述自旋轨道矩材料层的面内电流；
置于所述铁电层外侧的第三电极；
置于所述磁性隧道结固定层外侧的第四电极；
所述第一电极或第二电极之一与所述第四电极用于施加流经所述人工反铁磁自由层、所述间隔层和所述固定层的垂直电流；
所述第三电极通过外接电源施加电场于所述铁电层，所述铁电层产生极化电场，所述自由层在电场作用下会由反铁磁耦合转变为铁磁耦合；当去掉电场时，所述自由层由铁磁耦合退回到反铁磁耦合；
其中，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极的材料由具有良好导电性的金属或合金材料形成，或者由碳系导电材料形成，其中，金属或合金材料包括以下任意一种或多种：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，碳系导电材料包括石墨、碳纳米管或竹炭中的一种或多种；
所述写入方法包括如下步骤：
S101、向所述自旋轨道矩材料层施加面内电流，并向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层产生极化电场和电荷转移效应调控所述自由层，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为铁磁耦合，翻转所述自由层的第二磁性层的磁化方向，写入数据；
S201、向所述铁电层施加振荡衰减电压或反向极化电压来控制所述铁电层向所述自由层施加去铁电极化电场，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为反铁磁耦合，完成写入并保存数据；
其中，当所述自由层具有面内磁化时，所述面内电流的方向与所述自由层中的第二磁性层的易磁化轴成一夹角θ，当所述自由层具有离面磁化时，所述自由层中的第二磁性层的易磁化轴与所述第二磁性层的法线方向成一夹角θ，所述夹角θ在0°<θ<90°的范围。
2.一种自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，其特征在于，
所述自旋轨道矩磁随机存储器为一种电场调控的基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩磁随机存储器，其包括：
磁多层结构，所述结构包括：铁电层；形成在所述铁电层上的自旋轨道矩材料层；形成在所述自旋轨道矩材料层上的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；其中，所述磁性隧道结包括基于人工反铁磁结构的自由层，所述自由层包括：形成在所述自旋轨道矩材料层上的第二磁性层；形成在所述第二磁性层上的非磁耦合层；形成在所述非磁耦合层上的第一磁性层；形成在所述第一磁性层上的间隔层；形成在所述间隔层上的固定层；
置于所述自旋轨道矩材料层两侧的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极用于施加流经所述自旋轨道矩材料层的面内电流；
置于所述铁电层外侧的第三电极；
置于所述磁性隧道结固定层外侧的第四电极；
所述第一电极或第二电极之一与所述第四电极用于施加流经所述人工反铁磁自由层、所述间隔层和所述固定层的垂直电流；
所述第三电极通过外接电源施加电场于所述铁电层，所述铁电层产生极化电场，所述自由层在电场作用下会由反铁磁耦合转变为铁磁耦合；当去掉电场时，所述自由层由铁磁耦合退回到反铁磁耦合；
其中，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极的材料由具有良好导电性的金属或合金材料形成，或者由碳系导电材料形成，其中，金属或合金材料包括以下任意一种或多种：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，碳系导电材料包括石墨、碳纳米管或竹炭中的一种或多种；
所述写入方法包括如下步骤：
S102、向所述自旋轨道矩材料层施加面内电流，并向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层产生极化电场和电荷转移效应调控所述自由层，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为铁磁耦合，同时在偏置磁层向所述自由层的第二磁性层施加的偏置磁场的共同作用下，翻转所述自由层的第二磁性层的磁化方向，从而写入数据；
S202、向所述铁电层施加振荡衰减电压或反向极化电压来控制所述铁电层向所述自由层施加去铁电极化电场，使得所述第一磁性层与第二磁性层转变为反铁磁耦合，完成写入并保存数据。
3.如权利要求1或2所述的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，其中，所述铁电层由绝缘材料或半导体铁电材料形成，所述铁电层由下列材料中的一种或多种形成：
PMN-PT（(1-x)[PbMg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3]）、
PZN-PT ((1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3])、PSN-PT (Pb(Sc1/2Nb1/2)-PbTiO3)、Pb(In1/2Nb1/2)-PbTiO3 , Pb(Yb1/2Nb1/2)-PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3、PbTiO3、SrTiO3、LiNbO3、LiTaO3、HfO2、ZrO2、Hf(1-x)ZrxO2、SiC、GaN、KNbO3、KH2PO4、Pb(Zr1-xTix)O3、LiOsO3、CaTiO3、KTiO3、BaxSr1-xTiO3（BST）、(Pb,La)TiO3（PLT）、LaTiO3、(BiLa)4Ti3O12（BLT）、SrRuO3、BaHfO3、La1-xSrxMnO3、BaMnF4、α-In2Se3、β'-In2Se3、BaNiF4、BaMgF4、BaCuF4、BaZnF4、BaCoF4、BaFeF4、BaMnF4、CuInP2S6、AgBiP2Se6、CuInP2Se6、MoS2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、BiN、ZnO、SnTe、SnSe、SnS、GeSe、GeS、GeTe、GaAs、P2O3、SiGe、SiTe、SiSn、GeSn、β-GeSe、PbTe、MoSSe、GaTeCl、MAPbI3、MAPbBr3、Ba2PbCl4、PVDF、P(VDF-TrFE)、C13H14ClN5O2Cd、TiO2、Cu2O、SeO3、Sc2CO2、CrN、CrB2、g-C6N8H以及极性化学基团-CH2F, -CHO, -COOH或-CONH2修饰的石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物；
所述铁电层用于在外加电场下铁电极化产生极化电场和界面电荷转移效应来辅助调控基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；所述磁性隧道结通过极化电场和界面电荷转移效应调控所述自由层实现反铁磁耦合到铁磁耦合的转变。
4.如权利要求1或2所述的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，其中，所述自旋轨道矩材料层由具有自旋霍尔效应的导电材料形成，与所述自由层的第二磁性层直接接触，选自Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg中的一种或多种重金属合金材料制成的材料；或选自CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1-xSbx、(Bi,Sb)2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、Bi2-xSbxTe3-ySey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S,Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7材料中的一种或多种拓扑绝缘体材料制成的材料；
所述自旋轨道矩材料层在通入电流时，会对邻近的人工反铁磁自由层磁矩有自旋轨道矩作用从而辅助人工反铁磁自由层翻转。
5.如权利要求1或2所述的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，其中，所述磁多层结构还包括偏置磁层，用于向所述第二磁性层施加偏置磁场。
6.如权利要求1或2所述的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，其中，所述磁多层结构还在所述铁电层和所述自旋轨道矩材料层之间添加绝缘层以削弱极化电场。
7.如权利要求1或2所述的自旋轨道矩磁随机存储器的写入方法，其中，
所述自由层是包括第一磁性层/非磁耦合层/第二磁性层的三明治堆叠结构；
其中，所述第一磁性层、第二磁性层由铁磁材料形成，包括Fe、Co、Ni、CoFe、CoFeB、CoCrPt结构材料，或(Co/Ni)m、(Co/Pd)n、(Co/Pt)q多层重复堆叠磁性结构材料, 其中m、n、q是指多层堆叠的重复次数；或者由垂直磁晶各向异性较强的铁磁材料形成，包括Fe、Fe-4%Si、Co、CoFe、CoFe2O4、BaFe12O19；所述第一磁性层、第二磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
所述非磁耦合层由非磁导电材料形成，包括Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os中的一种或多种元素组成的合金。
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