电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件制造技术

本发明专利技术提出一种电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件。其中，存储单元包括：铁电层，可在其上施加正向或负向的第一电压，以控制磁化的定向翻转；位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，可在该层上施加第二电压，产生垂直于该层方向的自旋流，位于自旋轨道耦合层之上的第一磁性层，所述自旋流可诱导该第一磁性层的磁性随机上下翻转。联合铁电层施加的第一电压，所述自旋流可以诱导第一磁层反生定向翻转。本发明专利技术通过对铁电层两端施加电压产生铁电极化，产生非均匀自旋轨道耦合效应，可调制电流诱导磁性薄膜磁性翻转的方向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息技术及微电子领域，进一步涉及一种电压控制磁随机存储单元，以及包含上述存储单元的存储器及其构成的逻辑器件。
技术介绍
信息存储和处理技术是当代信息技术发展的重要基础，对人类社会的进步起到至关重要的作用。磁存储一直以非易失、存储稳定等优点被广泛应用于信息存储领域中。但是通常磁性存储要外加磁场的辅助，不利于存储器件的微型化，会制约着信息技术的进一步发展。利用电场控制磁化的翻转，实现信息存储和处理是信息领域迫切的要求。在磁隧道结中，利用电流和磁性材料产生的自旋轨道转移矩效应可以实现自由层磁矩的翻转。在这种结构中信息的写和读都在一个通道上，读写信息之间会受到影响。除了自旋转移矩效应，利用自旋轨道耦合效应也可以实现磁性信息的电学写入，这时写入电流沿水平方向，读信息在垂直方向，信息的写和读在不同的通道上，可以不互相影响。但是写入的过程中不能控制磁化方向。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于，提供一种电压控制磁随机存储单元、存储器及其构成的逻辑器件，以解决以上所述的至少一项技术问题。根据本专利技术的一方面，提供一种电压控制磁随机存储单元，包括：铁电层，可在其上施加正向或负向的第一电压，以控制磁化的定向翻转；位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，可在该层上施加第二电压，产生垂直于该层方向的自旋流；位于自旋轨道耦合层之上的第一磁性层，所述自旋流可诱导该第一磁性层的磁性的随机翻转，联合铁电层施加的第一电压，该自旋流可使第一磁层发生定向翻转。进一步的，所述铁电层施加的第一电压与所述第二电压的方向相同或者相反或在一个平面内。进一步的，所述自旋轨道耦合层在所述铁电层上投影呈十字型，在该十字其中一相对的两端可施加进行电流扫描的第二电压，且该第二电压与铁电层施加的第一电压方向相同或者相反或在一个平面内。进一步的，该十字中在所述相对的两端垂直方向另两端为输出端，通过从该输出端检测反常霍尔电压以输出信号。进一步的，所述磁性层上具有非磁性的中间层、第二磁性层和反铁磁层，所述反铁磁层连接输出端，通过磁电阻效应从该输出端检测出的电阻变化作为输出信息。根据本专利技术的另一方面，提供一种逻辑器件，包括上述的磁随机存储单元，通过控制第一电压和第二电压方向，检测第一磁性磁矩的翻转，相应实现异或门逻辑。根据本专利技术的再一方面，提供一种逻辑器件，包括一个上述的磁存储单元，每一磁存储单元包括一检测第一磁性层磁性翻转输出端，两个存储单元的输出端电性连接，通过控制两个磁存储单元中各自第一电压和第二电压方向，实现非、与、或非以及与非逻辑。根据本专利技术的又一方面，提供一种磁电阻器件，利用上述的磁随机存储单元形成的外延结构，所述磁电阻器件包括：磁隧道结、巨磁电阻器件或各向异性隧道磁电阻器件。根据本专利技术的还一方面，提供一种磁随机存储器，包括多个上述的磁随机存储单元组成的阵列，其中，对每一磁随机存储单元独立输入第一电压和第二电压，以及独立输出所检测的每一磁随机存储单元中第一磁性层的磁性翻转。进一步的，读取信息时，所述磁随机存储单元的第一电压的方向也产生转向。通过上述技术方案，可知本专利技术的有益效果在于：(1)通过对铁电层两端施加电压产生铁电极化，在铁电层和自旋轨道耦合薄膜层界面层处，沿施加电压的方向形成垂直梯度电场，导致非均匀自旋轨道耦合效应，它可以调制电流诱导磁性薄膜磁性翻转的方向；(2)利用室温零磁场下电压可控的磁化定向翻转实现了磁随进存储单元；(3)利用磁随机存储单元构建可编译逻辑功能以及磁随机存储器；(4)本专利技术的存储单元、逻辑器件和存储器具有工作在室温下，无外加磁场依赖、可编译、低功耗、响应时间短、集成度高等优点；可应用于非易失高密度存储、高速非易失逻辑计算等领域。附图说明图1为本专利技术实施例的一种电压控制磁随机存储单元结构示意图；图2为本专利技术实施例的另一种电压控制磁随机存储单元结构示意图；图3为本专利技术实施例的两个磁随机存储单元组成的可编译逻辑器件示意图；图4为本专利技术实施例的电压控制磁随机存储单元构成的加密磁随机存储器示意图；图5为本专利技术实施例的磁随机存储器构架图示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。为了清楚起见，附图中的元器件可能并未依照比例绘示。此外，可能从附图中省略一些元器件。可以预期的是，一实施例中的元器件和特征，可以有利地纳入于另一实施例中，而未再加以阐述。“之上”一词意指在垂直及/或侧面方向上不完全以及完全覆盖。例如，位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，该自旋轨道耦合层可以部分或者完全覆盖该铁电层。本专利技术基本构思在于提供一种磁随机存储单元，磁随机存储单元具有基本的多层膜结构：铁电层/强自旋轨道耦合材料层/铁磁层。通过对铁电层两端施加电压产生铁电极化，导致在铁电层和自旋轨道耦合薄膜层界面层处，沿施加电压的方向形成垂直梯度电场，导致非均匀自旋轨道耦合效应，它可以调制电流诱导磁性薄膜磁性翻转的方向。本专利技术的膜层结构在上述基本的多层膜结构基础上，根据读取方式的不同可以延伸出至少两种结构的膜层堆叠方式。一种是采用反常霍尔效应读出信息的结构，参见图1所示：依次往上生长有铁电层、自旋轨道耦合层、第一磁性层和保护层。另一种是采用磁电阻效应读出信息，参见图2所示，依次往上生长有铁电层、自旋轨道耦合层、第一磁性层、中间层非磁层、第二磁性层、反铁磁层以及保护层。上述两种方式只是读出方式存在差别，以下将对第一种方式进行详细说明，本领域技术人员可根据第一种方式的具体技术特征和细节相应的应用至第二种方式中。图1为本专利技术实施例的一种电压控制磁随机存储单元结构示意图。该单元基本结构的一种典型制备方法是：步骤一：在一衬底上外延生长或者旋涂一定厚度的铁电材料薄膜。铁电材料可以是现有技术已知的铁电晶体材料，优选的为BTO(钛酸钡，BaTiO3)、PZT(锆钛酸铅，Pb(Zr1-xTix)，0＜x＜1)，或者PMN-PT(化学式为(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]·x[PbTiO3])，进一步优选的为PMN-PT晶体。对于PMN-PT晶体，优选的铁电材料的厚度为0.01-0.5mm，优选的PMT-PT的生长方向为(001)晶面进行后续层的生长。衬底的选择上应该是与铁电材料晶格相匹配的材料，以减少内部应力和提高结合力。选用的生长方式可以是物理气相沉积方式。步骤二：然后依次生长自旋轨道耦合层、第一磁性层和保护层。对于自旋轨道耦合层，可以由自旋轨道耦合效应强的非磁性材料制备，例如Pt或Ta，优选采用磁控溅射方式制备。自旋轨道耦合层为自旋轨道耦合强的金属、拓扑绝缘体、或半导体材料，在该层中通入电流，由于强自旋轨道耦合效应产生自旋流。利用此自旋流可以实现磁性层的翻转。然后继续生长垂直方向各向异性的第一磁性层，第一磁性层的材料可以选取为CoNiCo，也可以通过溅射方式进行生长。所述第一磁性层具有垂直磁各向异性的磁性金属、合金和磁性金属多层膜、磁性半导体等所有具有铁磁性的材料。最后，可以进一步的在第一磁性层上生长一层保护层，以保护该第一铁磁层。应当说明的是，采用磁电阻效应读出信息的结构中其它生长工艺参照步骤一和步骤二，不同之处在于在第一磁性层和保护层中间还进一步生长有中间层非磁层、第二磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电压控制磁随机存储单元，其特征在于包括：铁电层，可在其上施加正向或负向的第一电压，以控制磁化的定向翻转；位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，可在该层上施加第二电压，产生垂直于该层方向的自旋流；位于自旋轨道耦合层之上的第一磁性层，所述自旋流可诱导该第一磁性层的磁性的随机翻转，联合铁电层施加的第一电压，该自旋流可使第一磁层发生定向翻转。

【技术特征摘要】
1.一种电压控制磁随机存储单元，其特征在于包括：铁电层，可在其上施加正向或负向的第一电压，以控制磁化的定向翻转；位于铁电层之上的自旋轨道耦合层，可在该层上施加第二电压，产生垂直于该层方向的自旋流；位于自旋轨道耦合层之上的第一磁性层，所述自旋流可诱导该第一磁性层的磁性的随机翻转，联合铁电层施加的第一电压，该自旋流可使第一磁层发生定向翻转。2.根据权利要求1所述的电压控制磁随机存储单元，其特征在于，所述铁电层施加的第一电压与所述第二电压的方向相同或者相反或在一个平面内，或施加第一电压引起的电场有水平面的分量。3.根据权利要求1所述的电压控制磁随机存储单元，其特征在于，所述自旋轨道耦合层在所述铁电层上投影呈十字型，在该十字其中一相对的两端可施加进行电流扫描的第二电压。4.根据权利要求3所述的电压控制磁随机存储单元，其特征在于，该十字中在所述相对的两端垂直方向另两端为输出端，通过从该输出端检测反常霍尔电压以输出信号。5.根据权利要求1所述的电压控制磁随机存储单元，其特征在于，所述磁性层上具有非磁性的中间层、第二磁性层和反铁磁层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王开友，杨美音，蔡凯明，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11