CN112701217B - 一种磁性结构和自旋转移矩-磁随机存储器及其写入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁电辅助电场调控人工反铁磁自由层的磁性结构及自旋转移矩‑磁随机存储器(STT‑MRAM)，涉及磁性/铁磁/铁电材料或结构的电路和器件及其应用领域。磁性结构包括：一个能产生稳定极化电场和电荷转移效应的铁电层和一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结。其中人工反铁磁自由层可在铁电极化电场辅助调控下实现反铁磁耦合与铁磁耦合的转变，降低了写入电流密度，节约能耗。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子学领域，更具体的说涉及一种铁电极化辅助电场调控人工反铁磁自由层层间耦合以及使用自旋转移矩进行数据擦写的自旋转移矩-磁随机存储器(Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory，STT-MRAM)
背景技术
磁随机存储器MRAM的核心存储单元是磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)或自旋阀(Spin Valve)。MTJ由参考层、非磁性间隔层、自由层组成，参考层和自由层一般是铁磁性材料，非磁性间隔层是绝缘体，又称为隧穿层，位于参考层和自由层中间，电子主要以隧穿形式通过MTJ。参考层的磁化方向不变，自由层的磁化方向可以改变。数据以磁化状态的形式写入MTJ：当自由层与参考层的磁化方向平行时MTJ呈现低阻态，用于表示数据存储的二进制状态“1”，当自由层与参考层的磁化方向反平行时MTJ呈现高阻态，用于表示二进制状态“0”。
自旋转移矩-磁随机存储器STT-MRAM利用自旋转移矩翻转自由层磁化实现数据写入，但是其临界写入电流与写入时间成反比变化，因此提高写入速度需要增大写入电流，较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度，增加功耗，同时产生的焦耳热也对器件的稳定性有着巨大的破坏作用。
为了解决该问题，本发明提供一种铁电辅助电场调控的磁随机存储器，可以减小写入电流密度，节约功耗，是本领域研究需要解决的重要技术问题。
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解决自旋转移矩-随机存储器消耗更大电量，同时产生的焦耳热对器件的稳定性潜在破坏作用的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁性结构，其特征在于，所述磁性结构包括一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结，和一个能产生极化电场的铁电层；
所述磁性隧道结包括：固定层、形成在所述固定层下的间隔层、形成在所述间隔层下的基于人工反铁磁结构的自由层，所述间隔层位于所述固定层和所述自由层之间。
所述人工反铁磁自由层包括：形成在所述间隔层下的第二磁性层，形成在所述第二磁性层下的非磁性耦合层，形成在所述非磁性耦合层下的第一磁性层。
所述铁电层形成在所述自由层人工反铁磁下，所述铁电层与人工反铁自由层之间可以添加绝缘层。
本发明还提供了一种自旋转移矩-磁随机存储器，其特征在于，
所述自旋转移矩-磁随机存储器包括所述的磁性结构，还包括：
位于所述固定层上方的第一电极；
位于所述第一磁性层与所述铁电层之间的第二电极；
位于所述铁电层下方的第三电极；
所述第一电极和第二电极用于施加通过磁性隧道结的垂直电流；
所述第三电极用于向所述铁电层施加电压脉冲，使铁电层产生极化电场。
所述铁电层在外加电场作用下可产生稳定的极化电场，辅助调控基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；
优选的，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，所述人工反铁磁自由层在电场作用下会由反铁磁耦合转变为铁磁耦合；施加去极化电场，所述自由层由铁磁耦合退回到反铁磁耦合，即可通过电场调控其反铁磁耦合与铁磁耦合的转变。
其中，所述第一磁性层及第二层磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内。
优选的，所述铁电层在外加电场作用下产生电极化，形成极化电场，极化电荷的自发电场与外电场方向一致。铁电极化后在上表面聚积正(负)电荷，在下表面聚积负(正)电荷，此时与其接触的电极层在下表面聚集负(正)电荷，上表面聚集正(负)电荷。由于界面电负性差异显著，在铁电层与电极层之间发生显著电荷转移，(与纯电场调控相比)有效放大穿透中间电极层内的电场强度，此时极化电场协同电荷转移效应可有效降低调控自由层由反铁磁耦合向铁磁耦合转变所需的外加电场，减小写入电流密度。
优选的，所述铁电层可以通过施加振荡衰减电压或反向极化电压脉冲产生退极化电场使其由饱和电极化状态回到退极化状态，此时完成人工反铁磁自由层由铁磁耦合回到反铁磁耦合的过程。
本发明还提供了一种操作自旋转移矩磁随机存储器的方法，包括以下步骤：
S100、施加流经所述自由层、所述间隔层和所述固定层的垂直电流，并且向所述铁电层施加电压来控制所述铁电层向所述自由层施加极化电场，使得所述自由层的第一磁性层和第二磁性层转变为铁磁耦合，从而向存储单元写入数据；
S200、向所述铁电层施加振荡衰减电压或反向极化电压脉冲产生退极化电场使其由饱和电极化状态回到退极化状态，使得所述自由磁层的第一磁性层和第二磁性层之间变为反铁磁耦合，从而在所述存储单元完成数据的存储；
其中，向所述存储单元写入的数据取决于所述垂直电流的方向。
本发明与现有技术相比，其优势在于：
(1)本发明利用人工反铁磁结构作为磁性隧道结的自由层形成“固定层-间隔层-人工反铁磁自由层”的堆叠结构，基于人工反铁磁结构的自由层在电场调控下实现反铁磁耦合到铁磁耦合的转变，结合电流直接调控其靠近磁性隧道结间隔层的铁磁层，即第二磁性层与固定层之间磁矩的相对取向，实现数据写入，从而减小自由层的翻转电流；
(2)本发明将磁性隧道结应用于磁随机存储装置中，由于铁电层产生极化电场和界面电荷转移效应有效的辅助调控自由层的磁态耦合转变，减小自由层的翻转电流，从而降低器件的功耗，减少器件发热，减小器件体积以及提高存储单元阵列排列密度；
(3)本发明使用一种人工合成反铁磁结构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，推动新型存储器业的发展。
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不当限定，在附图中：
图1(a)展示了铁电层在外加电场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(b)展示了一种铁电层在写完数据后施加反向极化脉冲电场，使铁电层退铁电极化的示意图；
图1(c)展示了另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)展示了自旋转移矩磁随机存储器写入和存储数据过程中对铁电层施加振荡衰减脉冲电场Es的示意图；
图1(e)展示了自旋转移矩磁随机存储器写入和存储数据过程中对铁电层施加反向极化脉冲的示意图；
图2(a)展示出一种铁电辅助电场调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随存储装置示意图；
图2(b)展示出一种在图2(a)基础上通过添加绝缘层控制人工反铁磁自由层中电场大小的磁性隧道结装置示意图；
图3(a)展示了一种自旋转移矩-磁随机存储器写入数据“0”的过程示意图；
图3(b)展示了一种施加反向电场保存数据“0”的过程示意图；
图3(c)展示了一种施加振荡衰减脉冲电场保存数据“0”的过程示意图；
图4展示了该自旋转移矩-磁随机存储器完成数据“0”读取的示意图；
图5(a)展示了一种自旋转移矩-磁随机存储器写入数据“1”的过程示意图；
图5(b)展示了一种自旋转移矩-磁随机存储器在施加反向电场保存数据“1”的过程示意图；
图5(c)展示了一种施加振荡衰减脉冲电场保存数据“1”的过程示意图；
图6展示了该自旋转移矩-磁随机存储器完成数据“1”读取的过程示意图；
图7展示了自旋转移矩-磁随机存储器的结构示意图，基于该结构进行数据的写入、存储和读取，虽然未示出，但是自旋转移矩磁随机存储器可包括排列成阵列的多个图7所示的存储单元，每个存储单元可存储数据“0”或“1”，实际应用中依靠这样的阵列结构对大量的二进制信息进行写入、存储和读取；
其中，11-第一磁性层，12-非磁性耦合层，13-第二磁性层，20-磁性隧道结，21-自由层，22-间隔层，23-固定层，25-铁电层，26-绝缘层，31-第一电极，32-第二电极，33-第三电极。
具体实施方式
以下参考说明书附图1(a)至图7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。
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25在外加电场Ew作用下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(b)展示了铁电层25在写完数据后施加反向极化脉冲电场Es，使铁电层退铁电极化的示意图；图1(c)展示了另一种铁电层25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)展示了首先对铁电层25施加电场脉冲Ew，铁电极化场作用于自由层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1(e)展示了首先对铁电层25施加电场脉冲Ew，铁电极化场作用于自由层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)展示出一种铁电辅助电场调控人工反铁磁自由层的自旋转移矩磁随存储装置示意图，由磁性隧道结20、第一电极31、第二电极32、第三电极33、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通过电场调控其反铁磁耦合与铁磁耦合的转变。图2(b)在图2(a)基础上通过添加绝缘层26调控自由层21中的电场大小，该绝缘层26厚度为0nm～100nm，该绝缘层材料选自但不限于Al2O3、MgO、SiO2等氧化物、氮化物或氮氧化物。在一些实施例中，图2(a)和图2(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。
在本实施例中，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-非磁性耦合层12-第二磁性层13”构成，其中，第一磁性层11、第二磁性层13的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；在一些实施例中，靠近固定层23的第二磁层13具有比远离固定层23的第一磁层11更大的磁矩。例如，第二磁层13可以具有比第一磁层11更大的厚度，或者第二磁层13可以由比第一磁层11具有更大磁矩的材料形成。
所述非磁性耦合层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。
加电场前，自由层21处于反铁磁状态，其直径为1nm～100nm，将其置于铁电层辅助的电场中，电场的电压调控所需范围为0.1V～15V，自由层21由反铁磁耦合转变为铁磁耦合，撤销施加于自由层21的电场，自由层21由铁磁耦合退回到反铁磁耦合，即可以通过电场调控其反铁磁耦合与铁磁耦合的转变。
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，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。当间隔层22由非磁导电材料形成时，其厚度优选地不大于该材料的自旋电子平均自由程。当间隔层22由非磁绝缘材料形成时，其亦常称为势垒层，电子可通过隧穿效应穿过该势垒层，从而在固定层23和自由层21之间流动。
间隔层22的材料选自但不限于氧化物、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但不限于自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的材料选自但不限于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。
在本实施例中，固定层23和自由层21都是导电的。
第一电极31位于所述固定层23上方；第二电极32位于所述第一磁性层11与铁电层25之间；第三电极33位于所述铁电层25下方；所述第一电极31和第二电极32用于施加通过磁性隧道结的垂直电流。所述第三电极33用于向所述铁电层施加电压脉冲，使铁电层产生极化电场和电荷转移效应。
在一些实施例中，所述第二电极32的厚度小于所述第一电极31和所述第三电极33的厚度。
在一些实施例中，第一电极31、第二电极32和第三电极33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、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb等，也可由碳系导电材料形成，包括但不限于石墨、碳纳米管或竹炭等。第一电极31和第三电极33的厚度可以在1nm-1μm的范围，优选地在5nm-500nm的范围，更优选地在10nm-200nm的范围。第二电极32的厚度可以小于其他电极的厚度，例如可以在0.1nm-200nm的范围，优选地在0.5nm-100nm的范围，更优选地在1nm-20nm的范围，从而便于铁电层25向自由层21施加垂直电场。
图3(a)展示了一种自旋转移矩-磁随机存储器写入数据“0”的过程示意图，在铁电辅助电场调控和自旋转移矩共同作用下，基于人工反铁磁自由层的自旋转移矩-磁随机存储器写入数据“0”的过程：对第一电极31施加正向高电压Vwp，第二电极32接地，在磁性隧道结20中产生垂直向下的自旋电流，同时，对第三电极33施加正向电压Vw，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，此时第二电极32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与第二电极32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，协同电荷转移效应来共同调控自由层21的铁磁耦合状态。。自旋电流通过自旋转移矩将第二磁性层13的磁矩翻转到与固定层23磁矩相反的方向上，同时，铁电层25产生的极化电场与电荷转移效应使自由层21由反铁磁耦合转变为铁磁耦合，从而使第一磁性层11的磁化方向与第二磁性层13的平行，开始写入数据“0”。图3(b)展示了一种施加反向电场保存数据“0”的过程示意图，去掉第一电极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(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，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与第二磁性层13的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成数据“0”的保存。图3(c)展示了一种施加振荡衰减脉冲电场保存数据“0”的过程示意图，去掉第一电极31的电压或者将其接地，并去掉施加在铁电层25的电场Ew后，施加如图1(c)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，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与第二磁性层13的磁化方向彼此反平行(高阻态)，完成数据“0”的保存。
图4展示了一种自旋转移矩-磁随机存储器读取数据“0”的过程，其中第一电极31施加正向小电压Vrp，第二电极32接地(GND)，此时通过磁性隧道结20中形成的垂直电流可以读取磁性隧道结20的电阻状态为高阻态，从而读取数据“0”。
图5(a)至图5(c)展示了一种自旋转移矩-磁随机存储器写入并保存数据“1”的过程示意图。图5(a)展示了一种在铁电辅助电场调控和自旋转移矩共同作用下，基于人工反铁磁自由层的自旋转移矩-磁随机存储器写入数据“1”的过程示意图：对第一电极31施加负向高电压Vwn，第二电极32接地，在磁性隧道结20中产生垂直向上的自旋电流，同时，对第三电极33施加正向电压Vw，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，此时第二电极32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与第二电极32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，协同电荷转移效应来共同调控自由层21的铁磁耦合状态。自旋电流通过自旋转移矩将第二磁性层13的磁矩翻转到与固定层23磁矩相同的方向上，同时，铁电层25产生的极化电场与电荷转移效应使自由层21由反铁磁耦合转变为铁磁耦合，从而使第一磁性层11的磁化方向与第二磁性层13的平行，开始写入数据“1”。图5(b)展示了一种施加反向电场保存数据“1”的过程示意图，去掉第一电极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(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与第二磁性层13的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成数据“1”的保存。图5(c)展示了一种施加振荡衰减脉冲电场保存数据“1”的过程示意图，去掉第一电极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)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，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与第二磁性层13的磁化方向彼此平行(低阻态)，完成数据“1”的保存。
图6展示了读取数据“1”的过程示意图，其中第一电极31施加正向小电压Vrp，第二电极32接地(GND)，此时通过磁性隧道结20中形成的垂直电流可以读取磁性隧道结20的电阻状态为低阻态，从而读取数据“1”。
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。本发明的原理也可以应用到各个磁层具有面内磁化的实施例中，STT电流同样可以用于翻转自由磁层的面内磁化方向，并且铁电层25的垂直电场同样可以使具有面内磁化的自由层21的人工反铁磁结构从反铁磁耦合状态切换到铁磁耦合状态。
在上面描述的过程中，应注意施加铁电极化电场和写入电流的时序问题，确保二者的施加时具有重叠时间T0，其范围可以为0.05ns-10ns，并且优选地铁电极化电场的施加应不早于电流的施加，以保证在数据写入之前自由层21的人工反铁磁结构处于反铁磁耦合状态，进一步降低了数据写入时的临界电流密度。
图7展示了自旋转移矩-磁随机存储器的结构示意图，基于该结构进行数据的写入、存储和读取，虽然未示出，但是自旋转移矩磁随机存储器可包括排列成阵列的多个图7所示的存储单元，每个存储单元可存储数据“0”或“1”，实际应用中依靠这样的阵列结构对大量的二进制信息进行写入、存储和读取。
如图7所示，SL为源线，WBL为写位线，RBL为读位线，WWL为写字线，RWL为读字线，VCD为电压控制器，VCL为电压控制线。如图7所示，WBL和RBL可以共用同一布线，WWL和RWL可以共用同一布线。所示单元结构的第二电极32与源线SL连接，并且可以始终接地(GND)。连接控制晶体管T1栅极的字线WWL/RWL在进行数据写入和读取时，施加高电平(Vg)，电路导通，在磁性隧道结20中形成电流；在进行数据存储时，不施加电压，此时电路不导通，磁性隧道结20中无电流。第三电极33外接电压控制器VCD后接入电压控制线VCL，进而实现对铁电层25的极化电场和电荷转移效应的控制。表1为实施例中自旋转移矩-磁随机存储器写入读取“0”“1”时的对各个电极施加的电压。
表1自旋转移矩-磁随机存储器写入读取“0”“1”时的对各个电极施加的电压
| 操作 | 写“1” | 存“1” | 写“0” | 存“0” | 读 |
| WWL | Vg | 0 | Vg | 0 | 0 |
| WBL | Vwn | 0 | Vwp | 0 | 0 |
| RWL | 0 | 0 | 0 | 0 | Vg |
| RBL | 0 | 0 | 0 | 0 | Vrp |
| VCL | Vw | Vs | Vw | Vs | 0 |
| SL | GND | GND | GND | GND | GND |
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 (7)
1.一种自旋转移矩-磁随机存储器，其特征在于，
所述自旋转移矩-磁随机存储器包括磁性结构，所述磁性结构包括一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结，和一个能产生极化电场的铁电层；所述磁性隧道结包括：固定层、形成在所述固定层下的间隔层、形成在所述间隔层下的基于人工反铁磁结构的自由层，所述间隔层位于所述固定层和所述自由层之间，其中，所述自由层包括：形成在所述间隔层下的第二磁性层，形成在所述第二磁性层下的非磁性耦合层，形成在所述非磁性耦合层下的第一磁性层；所述铁电层形成在所述自由层下；
所述自旋转移矩-磁随机存储器还包括：
位于所述固定层上方的第一电极；
位于所述第一磁性层与所述铁电层之间的第二电极；
位于所述铁电层下方的第三电极；
所述第一电极和第二电极用于施加通过磁性隧道结的垂直电流；
所述第三电极用于向所述铁电层施加电压，使铁电层产生极化电场和电荷转移效应。
2.如权利要求1所述的自旋转移矩-磁随机存储器，其中，
所述铁电层与所述自由层之间添加绝缘层。
3.如权利要求1所述的自旋转移矩-磁随机存储器，其中，
所述第二电极的厚度小于所述第一电极和所述第三电极的厚度。
4.如权利要求1所述的自旋转移矩-磁随机存储器，其特征在于：
所述铁电层在外加电场作用下产生稳定的极化电场，辅助调控基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结；
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。
5.如权利要求1所述的自旋转移矩-磁随机存储器，其中，
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；施加去极化电场，所述自由层由铁磁耦合退回到反铁磁耦合，以此通过电场调控其反铁磁耦合与铁磁耦合的转变；
其中，所述第一磁性层及第二层磁性层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
所述第一磁性层、第二磁性层由铁磁材料形成，包括以下任一：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，包括以下任一：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；
所述非磁性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。
6.如权利要求1所述的自旋转移矩-磁随机存储器，其特征在于：
所述铁电层在外加电场作用下产生电极化和电荷转移效应，极化电荷的自发电场与外电场方向一致，靠近所述自由层的铁电层在产生电极化后，极化电场作用于所述自由层，降低调控所述自由层由反铁磁耦合向铁磁耦合转变所需的外加电场；
所述铁电层通过施加振荡衰减电压或反向极化电压脉冲产生退极化电场使其由饱和电极化状态回到退极化状态，此时完成所述自由层由铁磁耦合回到反铁磁耦合的过程。
7.一种操作权利要求1-6任一项权利要求所述的自旋转移矩磁随机存储器的方法，包括以下步骤：
S100、施加流经所述自由层、所述间隔层和所述固定层的垂直电流，并且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，使得所述自由层的第一磁性层和第二磁性层转变为铁磁耦合，从而向存储单元写入数据；
S200、向所述铁电层施加振荡衰减电压或反向极化电压脉冲产生退极化电场使其由饱和电极化状态回到退极化状态，使得所述自由层的第一磁性层和第二磁性层之间变为反铁磁耦合，从而在所述存储单元完成数据的存储；
其中，向所述存储单元写入的数据取决于所述垂直电流的方向。
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