多功能磁性随机存储单元、存储器及设备制造技术

本发明专利技术提供了一种多功能磁性随机存储单元、存储器及设备，多功能磁性随机存储单元包括自旋轨道耦合层、设于所述自旋轨道耦合层上的至少一个磁隧道结以及外加磁场，其中，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；当向所述自旋轨道耦合层输入第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态与自旋轨道矩电流的方向对应；当向所述自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态发生改变，本发明专利技术可使磁隧道结可以在不同自旋轨道矩电流输入条件下分别实现单极性翻转和双极性翻转。翻转。翻转。

【技术实现步骤摘要】
多功能磁性随机存储单元、存储器及设备


[0001]本专利技术涉及半导体器件
，尤其涉及一种多功能磁性随机存储单元、存储器及设备。

技术介绍

[0002]随着半导体工艺尺寸的不断缩小，摩尔定律放缓，漏电流的增加和互联延迟成为传统CMOS存储器的瓶颈。磁性随机存储器(Magnetic random access memory,MRAM)具有无限擦写次数、非易失性、读写速度快、抗辐照等优点，有望成为通用存储器，是构建下一代非易失主存和缓存的理想器件。磁隧道结是磁随机存储器的基本存储单元。第二代自旋转移矩磁性随机存储器(Spin
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transfer torque,STT
‑
MRAM)存在孵化时间较长、读写干扰等缺点，限制了其进一步发展。自旋轨道矩磁性随机存储器(Spin
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orbit torque MRAM,SOT
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MRAM)由于具有写入速度快、读写路径分离和功耗较低等优点，受到工业界和学术界的广泛重视。
[0003]目前基于自旋轨道矩的SOT
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MRAM的数据写入根据路径依赖型可以分为两种方式，一种是单极性翻转，另一种是双极性翻转。其中，单极性翻转是指，只要通过自旋轨道矩电流，磁隧道结的阻态就会改变，比如，高阻态变成低阻态，低阻态变成高阻态。这种单极性翻转的方式，在常规的数据写入中，需要设计对应的预读电路，因此每一次数据写操作的复杂程度相对较高，但在逻辑应用中可以实现高效的取反操作。而双极性翻转时磁隧道结的最终阻态与电流方向有关，从而使写操作复杂度相对较低。常见的使用外磁场翻转的自旋轨道矩数据写入方法，即为典型的双极性翻转，在数据写入过程中通过控制电流的方向控制磁隧道结的最终阻态，实现数据的写入。目前的自旋轨道矩磁性随机存储器通常仅能够实现单极性翻转或双极性翻转中的一种数据写入方式，限制了磁性随机存储器的广泛应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的在于提供一种多功能磁性随机存储单元，通过结合外加磁场和DMI效应，使磁隧道结可以在不同自旋轨道矩电流输入条件下分别实现单极性翻转和双极性翻转。本专利技术的另一个目的在于提供一种多功能磁性随机存储器。本专利技术的还一个目的在于提供一种计算机设备。
[0005]为了达到以上目的，本专利技术一方面公开了一种多功能磁性随机存储单元，包括自旋轨道耦合层、设于所述自旋轨道耦合层上的至少一个磁隧道结以及外加磁场，其中，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；
[0006]当向所述自旋轨道耦合层输入第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态与自旋轨道矩电流的方向对应；当向所述自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态发生改变。
[0007]优选的，所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述
外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定；或者，
[0008]所述第一自旋轨道矩电流大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定；或者，
[0009]所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流或者大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定。
[0010]优选的，当所述自旋轨道耦合层输入正向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第一阻态，当所述自旋轨道耦合层输入反向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第二阻态。
[0011]优选的，所述磁隧道结为椭圆形，所述第一自旋轨道矩电流包括沿自旋轨道耦合层长度或宽度方向输入的第一电流；
[0012]所述第二自旋轨道矩电流包括沿所述椭圆形长轴或短轴输入的第二电流。
[0013]优选的，所述自旋轨道耦合层长度方向包括相向的第一方向和第二方向，宽度方向包括相向的第三方向和第四方向；
[0014]第二电流为沿所述第一方向或第二方向输入的子电流和沿所述第三方向或第四方向输入的子电流复合得到的。
[0015]优选的，
[0016]所述存储单元包括提供所述外加磁场或等效为所述外加磁场的磁场发生装置；或者，
[0017]所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层、势垒层和自由层，所述固定层、势垒层和自由层的至少之一的截面为梯形，用于提供所述外加磁场；或者，
[0018]所述自旋轨道耦合层的材料为反铁磁材料，所述自旋轨道耦合层与所述自由层形成交换偏置场，用于提供所述外加磁场；或者，
[0019]所述磁隧道结包括磁性材料层，用于提供所述外加磁场；或者，
[0020]所述磁隧道结具有能够形成形状各向异性场的形状，用于提供所述外加磁场的等效磁场；或者，所述自由层具有梯度的垂直各向异性，用于提供所述外加磁场的等效磁场。
[0021]优选的，所述DMI效应的强度为0.1
‑
3mJ/m2。
[0022]优选的，进一步包括控制电路；
[0023]所述控制电路用于读取所述磁隧道结的阻态，根据所述磁隧道结的阻态和待写入数据确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变，若是，向自旋轨道耦合层输入第二电流使所述磁隧道结的阻态改变以写入所述待写入数据。
[0024]本专利技术还公开了一种多功能磁性随机存储器，包括阵列排布的多个如上所述的多功能磁性随机存储单元。
[0025]本专利技术还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
[0026]所述处理器和/或所述存储器包括如上所述的多功能磁性随机存储单元。
[0027]本专利技术通过在多功能磁性随机存储器中设置外加磁场，并使磁隧道结的自由层受到DMI效应作用。在不同电流密度(电流大小)自旋轨道矩电流输入条件下，使自旋轨道耦合
层A1受到不同效应的主要作用，当输入第一自旋轨道矩电流时，磁隧道结受到的外加磁场的作用大于受到的DMI效应的作用或者由于写入的不对称，则磁隧道结在不同方向的第一自旋轨道矩电流的作用下可以实现自由层的双极性翻转，可用于数据写入过程。而当自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，磁隧道结受到的外加磁场的作用小于受到的DMI效应的作用，在第二自旋轨道矩电流的作用下可以实现自由层的单极性翻转，以便于应用于逻辑运算过程中。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
[0029]图1示出本专利技术多功能磁性随机存储单元一个具体实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能磁性随机存储单元，其特征在于，包括自旋轨道耦合层、设于所述自旋轨道耦合层上的至少一个磁隧道结以及外加磁场，其中，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；当向所述自旋轨道耦合层输入第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态与自旋轨道矩电流的方向对应；当向所述自旋轨道耦合层输入第二自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态发生改变。2.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定；或者，所述第一自旋轨道矩电流大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定；或者，所述第一自旋轨道矩电流小于第一临界电流或者大于第二临界电流，所述第二自旋轨道矩电流大于第一临界电流且小于第二临界电流，所述第一临界电流和所述第二临界电流根据所述外加磁场的强度和所述DMI效应的强度确定。3.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，当所述自旋轨道耦合层输入正向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第一阻态，当所述自旋轨道耦合层输入反向的第一自旋轨道矩电流时，所述磁隧道结的阻态为第二阻态。4.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，所述磁隧道结为椭圆形，所述第一自旋轨道矩电流包括沿自旋轨道耦合层长度或宽度方向输入的第一电流；所述第二自旋轨道矩电流包括沿所述椭圆形长轴或短轴输入的第二电流。5.根据权利要求4所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，所述自旋轨道耦合层长度方向包括相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旻，王昭昊，王朝，赵巍胜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：