基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器制造技术

本发明专利技术提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，包括：薄膜结构、电压源以及电流源；所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层、反铁磁层、参考层、氧化物层、自由层、拓扑绝缘体层、高介电衬底以及底电极层；所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。通过电流源向拓扑绝缘体薄膜层通入电流，使得自由层铁磁薄膜的磁性翻转；铁磁磁各向异性与拓扑表面态的电压调控效应，产生自旋轨道转矩效应使得相邻自由层铁磁薄膜的磁矩发生偏转；极大地降低了自由层铁磁薄膜磁性翻转所需的阈值电流，从而实现超低功耗的信息存储。现超低功耗的信息存储。现超低功耗的信息存储。

【技术实现步骤摘要】
基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器


[0001]本专利技术涉及电子存储器
，尤其涉及一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器。

技术介绍

[0002]现有基于自旋轨道矩(Spin Orbit Torque，SOT)的写入技术，通过在磁性隧道结MTJ自由层下方增加一条由铂、钽、钨等重金属制备的薄膜，当向重金属层通入电流时，流入重金属层的平面内电荷流通过自旋霍尔效应转换为垂直自旋电流。自旋电流随后流入覆盖的铁磁自由层，并通过自旋轨道矩驱动自由层的磁化翻转。与自旋转移矩磁性随机存储器STT
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MRAM相比，自旋轨道矩磁性随机存储器SOT
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MRAM产生更多具有相同自旋状态的传导电子，并将其注入到铁磁层。产生的转矩更强大，更容易翻转自由层的磁化方向，因此处理速度更快，功耗更低。在存储器的研究方面，如何降低存储器件的功耗一直是本领域技术人员的研究方向。
[0003]因此，如何提供一种磁存储器方案，能够实现更低功耗的磁性随机存储是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，能够实现更低功耗的磁性随机存储。
[0005]本专利技术提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，包括：薄膜结构、电压源以及电流源；
[0006]所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层、反铁磁层、参考层、氧化物层、自由层、拓扑绝缘体层、高介电衬底以及底电极层；
[0007]所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。
[0008]进一步地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任一个的厚度为纳米级。
[0009]进一步地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任两个之间的以最大面相互接触耦合。
[0010]进一步地，所述电流源用于向所述拓扑绝缘体层输出正电流或负电流以驱动所述自由层进行读写操作。
[0011]进一步地，所述电压源用于向所述高介电衬底施加可控电压，以实现所述自由的层铁磁薄膜垂直磁各向异性的控制；
[0012]所述电压源还用于向所述拓扑绝缘体层施加可控电压以增强所述拓扑绝缘体层的自旋
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动量锁定的表面态在导电通道的占比并减小所述自由层的铁磁薄膜磁矩翻转所需
的电流。
[0013]进一步地，当所述电流源向所述拓扑绝缘体薄膜层输入不同方向的电流时，所述自由层的铁磁薄膜的磁矩相应地发生不同方向的翻转，基于隧穿磁阻效应；通过所述自由层与所述参考层的铁磁薄膜磁矩的相对方向确定存储器处于反平行工作状态或平行工作状态。
[0014]进一步地，所述参考层具有固定的磁化方向。
[0015]进一步地，所述自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行。
[0016]进一步地，所述反铁磁层用于增强所述参考层的磁各向异性以及磁化方向。
[0017]进一步地，所述自由层为钴铁硼、铁硼、钴铁、铁(Fe)和赫斯勒合金的其中之一或任意组合。
[0018]本专利技术提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，通过电流源向拓扑绝缘体薄膜层通入电流，使得自由层铁磁薄膜的磁性翻转；同时利用电压源向多层膜结构施加电压，结合铁磁磁各向异性与拓扑表面态的电压调控效应，产生自旋轨道转矩效应使得相邻自由层铁磁薄膜的磁矩发生偏转；以及电控磁各向异性和拓扑绝缘体中的自旋轨道转矩效应，极大地降低了自由层铁磁薄膜磁性翻转所需的阈值电流，从而实现超低功耗的信息存储，克服了普通自旋轨道矩磁存储器工作电流大、翻转时间长的问题，并且薄膜结构制备工艺简单，构成材料成本相对低廉，有利于相关磁性随机存储器件的生产和应用。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本专利技术实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之一；
[0021]图2本专利技术实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之二；
[0022]图3本专利技术实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之三。
[0023]附图标记如下：
[0024]薄膜结构110、电压源120、电流源130、顶电极层101、反铁磁层102、参考层103、氧化物层104、自由层105、拓扑绝缘体层106、高介电衬底107、底电极层108。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]下面结合图1
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图3描述本专利技术的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器。
[0027]图1为本专利技术实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之一；图2本专利技术实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之二；图3本专利技术实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之三。
[0028]在本专利技术一种具体实施方式中，本专利技术实施例提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，包括：薄膜结构110、电压源120以及电流源130；所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层101、反铁磁层102、参考层103、氧化物层104、自由层105、拓扑绝缘体层106、高介电衬底107以及底电极层108；所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。
[0029]本专利技术实施例通过在高介电衬底上施加可控电压调控自由层垂直磁各向异性，使其容易被自旋流翻转。同时，由于拓扑绝缘体层的拓扑材料的表面态可以被电压调控，通过选择合适的电压，增强拓扑绝缘体层的自旋轨道转矩，可以进一步减小磁矩翻转的阈值电流，降低MTJ(磁隧道结)的翻转时间，减小晶体管尺寸，增大存储密度。
[0030]具体地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任一个的厚度为纳米级。薄膜结构为多层薄膜结构，包括依次层叠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，包括：薄膜结构、电压源以及电流源；所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层、反铁磁层、参考层、氧化物层、自由层、拓扑绝缘体层、高介电衬底以及底电极层；所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。2.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任一个的厚度为纳米级。3.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任两个之间的以最大面相互接触耦合。4.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，所述电流源用于向所述拓扑绝缘体层输出正电流或负电流以驱动所述自由层进行读写操作。5.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，所述电压源用于向所述高介电衬底施加可控电压，以实现所述自由的层...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂天晓，方蟾，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：