一种基于铁磁材料的多态存储器及多态存储方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铁磁材料的多态存储器及多态存储方法，包括：在基于铁磁材料的多态存储器的第一电极和第二电极之间施加定值的写电流，并对多态存储器施加平行或反平行于写电流的平面磁场；保持写电流的大小及方向均不变，改变平面磁场的大小，并获得每一个平面磁场值所对应的多态存储器的电阻值；选择m个电阻值，并通过编码得到m个数据值与m个电阻值一一映射的第一映射关系；获得与m个电阻值一一对应的m个平面磁场值，进而得到m个数据值与m个平面磁场值一一映射的第二映射关系，并由此实现利用多态存储器的m个电阻态分别存储m个数据值的多态存储。本发明专利技术能够有效提高多态存储的存储密度，降低存储功耗，并提高抗辐射能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于铁磁材料的多态存储器及多态存储方法
本专利技术属于信息存储领域，更具体地，涉及一种基于铁磁材料的多态存储器及多态存储方法。
技术介绍
21世纪以来，社会高速发展，随之而来的是呈爆炸趋势上升的海量信息如何储存的问题。传统的以NAND闪存为代表的非易失性存储器和以DRAM(动态随机存储器)为代表的易失性存储器，在摩尔定律和海量数据存储需求的推动下，不断向大容量、高密度、快速、低功耗、长寿命方向发展，但随着特征尺寸不断减小至接近原子级，传统平面型结构遇到无法跨越的性能障碍，存储器的性能和可靠性达到极限，而且新工艺节点开发成本迅速增加，进一步降低预期收益。为此，存储器向两大方向转型发展：一是继续沿用硅基材料，用垂直堆叠替代特征尺寸微缩，从平面转向立体结构；二是使用新材料和新结构研制新兴存储技术。FeRAM(铁电存储器)、RRAM(阻变存储器)、PRAM(相变存储器)以及MRAM(磁性随机存储器)等正在发展的新型存储器均具有某些方面的优势，在一定程度上能够解决数据量增长与存储容量、存储性能及存储可靠性增长不匹配的问题，但同时也存在一些非常明显的缺陷，而且这些存储器多用于实现两态的二进制存储。多态存储利用单个存储单元的多个(多于2个)稳定状态存储数据，其中一个状态对应一个数据值。相对于两态的二进制存储，多态有有很大的优势，能够在相同的物理体积内，使得存储信息的量大大提升。目前，关于多态存储的研究和进展较为有限，相变多态存储器和阻变多态存储器是其中比较有代表性的两类可实现多态存储的器件。相变存储器在由最低电阻态回复到最高电阻态的过程中，器件电阻随着电脉冲施加强度的提高是逐渐上升而非突变的，而且这种介于最高电阻态和最低电阻态之间的中间电阻态也是稳定可测的；相变多态存储器正是利用相变存储器这一特性实现多态存储的，这样的多态存储，其存储密度仍然较小，而且功耗较高，读写速度较慢，抗辐射能力不足。阻变多态存储器大多是利用有机物作为阻变材料，并且利用了相应的化学反应，这种多态存储实现的电阻状态有限，擦写次数不是无限次，并且稳定性不够好，功耗较高，也没有很好地抗辐射性和宽领域应用性。总的来说，相对于两态的二进制存储，多态存储能够有效提高存储器件的存储密度，因而能够更好的用于海量信息的存储，但是现有的多态存储器和多态存储方法，存储密度仍然有限，而且存在功耗高、抗辐射能力不足的问题。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于铁磁材料的多态存储器及多态存储方法，其目的在于，基于自旋轨道力矩(Spin-OrbitTorque,SOT)效应，在基于铁磁材料的多态存储器中实现多态存储，有效提升存储器件的存储密度，并降低存储功耗、提高存储器件的抗辐射能力。为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种基于铁磁材料的多态存储器，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流生成层、铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层；自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘材料制成，用于产生具有自旋力矩的自旋流；铁磁材料层由铁磁材料制成，其磁畴状态在自旋流和外加平面磁场的共同作用下发生改变，从而使得多态存储器的电阻值发生改变；绝缘材料层用于提供垂直磁特向异性，使得铁磁材料层的易磁化方向垂直于其膜面；盖帽层用于保护其下各层薄膜；多态存储器具有第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得自旋流生成层在电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由自旋流生成层产生的自旋流作用于铁磁材料层使得铁磁材料层的磁畴状态发生变化，进而多态存储器的电阻值发生改变；其中，磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例。进一步地，本专利技术第一方面所提供的多态存储器还包括第三电极和第四电极，用于在读操作中，在第一电极和第二电极之间施加读电流时读取第三电极和第四电极之间的电压，从而根据所施加的读电流以及所读取的电压计算得到多态存储器的电阻值。基于SOT(Spin-OrbitTorque，自旋轨道力矩)效应，在第一电极和第二电极二电极之间施加电流，并对多态存储器施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于铁磁层，使得铁磁层的磁畴状态发生变化；其中，磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴之间的过渡区称为磁畴壁。改变外加磁场的大小，自旋力矩会推动畴壁移动，磁畴壁的移动会造成两种磁畴比例的变化，磁畴壁的连续运动对应多态存储器阻值的连续变化，使多态存储器阻值不再只具有“0”和“1”两个态，而是具有一系列准连续的、稳定的电阻态，从而实现多态存储器的功能。结合本专利技术的第一方面，在本专利技术的第一实施例中，自旋流生成层为HallBar结构，其膜面呈十字形状；铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；自旋流生成层面十字形状中一条直线的两端分别为第一电极和第二电极。进一步地，自旋流生成层膜面十字形状中另一条直线的两端分别为第三电极和第四电极。结合本专利技术的第一方面，在本专利技术的第二实施例中，多态存储器各层薄膜均为HallBar结构，并且各层薄膜的膜面呈相同的十字形状；自旋流生成层、铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层依次重叠，使得多态存储器的结构呈十字形状；多态存储器十字形状的一条直线的两端分别为第一电极和第二电极。进一步地，多态存储器十字形状的另一条直线的两端分别为第三电极和第四电极。按照本专利技术的第二方面，本专利技术提供了一种基于铁磁材料的多态存储器，具有多层薄膜结构，由下至上依次包括：自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘材料制成，用于产生具有自旋力矩的自旋流；第一铁磁层和第二铁磁层均由铁磁材料制成，第一铁磁层、非磁性层以及第二铁磁层构成磁性隧道结(Magnetictunneljunction,MTJ)或自旋阀结构；MTJ或自旋阀结构在自旋流的自旋力矩的作用下，第一铁磁层中的磁畴状态发生变化，从而使得多态存储器的电阻值发生改变；钉扎层用于保证第二铁磁层的磁化方向不发生变化；盖帽层用于保护其下各层薄膜；多态存储器具有第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得自旋流生成层在电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由自旋流生成层产生的自旋流作用于MTJ或自旋阀结构使得第一铁磁层的磁畴状态发生变化，进而多态存储器的电阻值发生改变；其中，磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例。进一步地，本专利技术第二方面所提供的基于铁磁材料的多态存储器，还包括第三电极，用于读操作中，在第一电极和第二电极之间施加读电流时读取第三电极与第一电极之间或第三电极与第二电极之间的电压，从而根据所施加的读电流以及所读取的电压计算得到多态存储器的电阻值。基于SOT效应，在第一电极和第二电极之间施加写电流，并对多态存储器施加平行或反平行于电流方向的磁场，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，在外加磁场的作用下，自旋流的自旋力矩作用于MTJ或自旋阀结构中的第一铁磁层，使得第一铁磁层的磁畴状态发生改变，从而多态存储器的电阻阻值发生改变；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铁磁材料的多态存储器，具有多层薄膜结构，其特征在于，从下至上依次包括：自旋流生成层、铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层；所述自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘材料制成，用于产生具有自旋力矩的自旋流；所述铁磁材料层由铁磁材料制成，其磁畴状态在所述自旋流和外加平面磁场的共同作用下发生改变，从而使得所述多态存储器的电阻值发生改变；所述绝缘材料层用于提供垂直磁特向异性，使得所述铁磁材料层的易磁化方向垂直于其膜面；所述盖帽层用于保护其下各层薄膜；所述多态存储器具有第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得所述自旋流生成层在所述电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由所述自旋流生成层产生的自旋流作用于所述铁磁材料层使得所述铁磁材料层的磁畴状态发生变化，进而所述多态存储器的电阻值发生改变；其中，所述磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例。

【技术特征摘要】
1.一种基于铁磁材料的多态存储器，具有多层薄膜结构，其特征在于，从下至上依次包括：自旋流生成层、铁磁材料层、绝缘材料层以及盖帽层；所述自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘材料制成，用于产生具有自旋力矩的自旋流；所述铁磁材料层由铁磁材料制成，其磁畴状态在所述自旋流和外加平面磁场的共同作用下发生改变，从而使得所述多态存储器的电阻值发生改变；所述绝缘材料层用于提供垂直磁特向异性，使得所述铁磁材料层的易磁化方向垂直于其膜面；所述盖帽层用于保护其下各层薄膜；所述多态存储器具有第一电极和第二电极，用于在写操作中施加电流，使得所述自旋流生成层在所述电流流经其中时产生自旋流，从而在外加磁场的作用下由所述自旋流生成层产生的自旋流作用于所述铁磁材料层使得所述铁磁材料层的磁畴状态发生变化，进而所述多态存储器的电阻值发生改变；其中，所述磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例。2.如权利要求1所述的基于铁磁材料的多态存储器，其特征在于，所述自旋流生成层为HallBar结构，其膜面呈十字形状；所述铁磁材料层、所述绝缘材料层以及所述盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的交叉部分之上；所述自旋流生成层面十字形状中一条直线的两端分别为所述第一电极和所述第二电极。3.如权利要求1所述的基于铁磁材料的多态存储器，其特征在于，所述多态存储器各层薄膜均为HallBar结构，并且各层薄膜的膜面呈相同的十字形状；所述自旋流生成层、所述铁磁材料层、所述绝缘材料层以及所述盖帽层依次重叠，使得所述多态存储器的结构呈十字形状；所述多态存储器十字形状的一条直线的两端分别为所述第一电极和所述第二电极。4.一种基于铁磁材料的多态存储器，具有多层薄膜结构，其特征在于，由下至上依次包括：自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层；所述自旋流生成层由重金属材料或拓扑绝缘材料制成，用于产生具有自旋力矩的自旋流；所述第一铁磁层和所述第二铁磁层均由铁磁材料制成，所述第一铁磁层、所述非磁性层以及所述第二铁磁层构成MTJ或自旋阀结构；所述MTJ或所述自旋阀结构在所述自旋流的自旋力矩的作用下，所述第一铁磁层中的磁畴状态发生变化，从而使得所述多态存储器的电阻值发生改变；所述钉扎层用于保证所述第二铁磁层的磁化方向不发生变化；所述盖帽层用于保护其下各层薄膜；所述多态存储器具有第一电极和第二电...

【专利技术属性】
技术研发人员：游龙，张帅，李若凡，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42