通过界面设计提高手性畴壁的电流感应运动的效率制造技术

本发明专利技术涉及磁畴壁替代式存储器单元(赛道存储器器件)，在基础赛道器件结构的铁磁(FM)结构或合成反铁磁(SAF)结构的铁磁/重金属界面处包含4d或5d金属粉化层(DL)。面处包含4d或5d金属粉化层(DL)。面处包含4d或5d金属粉化层(DL)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过界面设计提高手性畴壁的电流感应运动的效率


[0001]本专利技术涉及存储器储存系统，并特别涉及使用电流来移动磁赛道(racetrack)中磁畴壁的存储器储存系统。

技术介绍

[0002]赛道存储器器件作为高密度储存器件不断获得关注。这些器件公开于例如US
‑
B 6,834,005。已经开发了包括垂直纳米线存储元件的更先进的赛道存储器单元，如例如US
‑
A 2014/204648中所公开的。
[0003]特别地，基于垂直磁化的铁磁体/重金属薄膜系统中的手性畴壁(DW)磁比特(magnetic bits)的赛道器件是用于下一代自旋电子存储器的有前途的候选物(US
‑
A 2014/0009994、US
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A 2014/0009993)。在纳米赛道中，这些电流可具体地用于操作在磁性自旋织构(畴、斯格明子或反斯格明子)内编码的磁比特。
[0004]由于体积自旋
‑
转移矩(STT)和自旋
‑
轨道矩(SOT)机制的进步，电流感应畴壁运动(CIDWM)已经从面内磁性显著发展为合成反铁磁(SAF)赛道。在铁磁体/重金属(HM)界面处存在破坏的反对称性的情况下，由自旋
‑
轨道耦合产生的手性自旋矩驱动，在铁磁体/HM界面处由Dzyaloshinskii
‑
Moriya相互作用(DMI)稳定的具有强垂直磁各向异性(PMA)的薄膜中的N
é
el畴壁可沿着电流方向以高速在直线和曲线赛道中移动(例如EP3171364A1)。这样的磁比特通过自旋电流沿2D或3D赛道的快速和能量有效运动是其商业实施的关键挑战。
[0005]在合成反铁磁体(SAF)赛道中报告了甚至更有效的DW运动，所述赛道由两个垂直磁化的铁磁性子赛道组成，所述子赛道跨超薄钌层反铁磁耦合。SAF结构中巨大的交换耦合扭矩(ECT)提供额外的主要驱动机制，其允许DW传播速度提高超过～1,000m/s。稀土
‑
过渡金属合金中的ECT在亚铁磁合金的角动量补偿温度下进一步最大化。最近，在某些磁绝缘体中也发现了有效的CIDWM。
[0006]例如，通过改变与界面铁磁层接触的HM层或通过调整铁磁层的厚度，相对于CIDWM的基本机制，关于界面导出的手性自旋矩和磁手性的详细理解已经取得了显著进步。
[0007]专利技术目的
[0008]然而，对于商业可行的快速和低功率赛道存储器器件而言，畴壁速度仍太低并且阈值电流密度仍太高。因此，本专利技术目的是提供更有效的电流感应畴壁运动。

技术实现思路

[0009]本专利技术显著减小阈值电流密度并大幅提高畴壁运动的效率，这是通过在铁磁性/重金属(HM)界面处引入原子薄的4d或5d(优选4d)金属“粉化(dusting)”层(DL)实现的。在另外优选的实施方案中，在HM/铁磁界面处引入Pd和Rh的亚原子层厚度粉化层，更优选仅一个单层(monolayer)厚度的粉化层，这在给定电流密度下提高畴壁的速度至多3.5倍。与没有任何DL而其它相同的结构相比，对于相同的注入电流密度，N
é
el DW移动得快三倍以上。此外，通过包括原子薄的DL显著减小阈值电流密度J
th
，其定义为克服有效钉扎场并移动DW
所需的最小电流密度。
[0010]不希望受这一理论束缚，据认为此改进归因于定制的自旋
‑
轨道参数即来源于自旋
‑
轨道耦合效应的参数的微妙相互作用；具体地，Dzyaloshinskii
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Moriya相互作用和单轴磁各向异性。本专利技术显示了显著的界面修饰如何允许具有提高的手性畴壁运动效率的定制赛道，并且它直接证明了Dyzaloshinskii
‑
Moriya相互作用与单轴各向异性的紧密的内部相关性。
[0011]附图简要描述
[0012]图1显示了具有界面粉化层的所设计的FM和SAF赛道存储器结构。
[0013]a具有在重金属(Pt)和铁磁金属(Co)层之间插入的粉化层(DL)的FM(上方子图)和SAF(下方子图)赛道结构的示意表示。
[0014]b上方子图：FM/DL/HM结构的原子堆叠沿着fcc(111)方向的示意说明；下方子图：FM/DL/HM堆叠中使用的颜色编码元素；橙色、绿色和浅蓝色分别对应于FM、DL和HM。每个元素方块的右上位置的数分别对应于(从上至下)：自旋
‑
轨道耦合常数、自旋扩散长度和Stoner判据参数。左下位置的数是对应的fcc(111)单元的面内晶格常数。
[0015]c典型赛道的扫描电子显微图。
[0016]d横截面HRTEM图像。
[0017]e具有0.1nm厚的Pd粉化层的FM膜的对应EDX分布图，其中强调了原子薄的Pd层的存在。
[0018]图2显示了FM和SAF结构中界面DL设计的手性畴壁运动。
[0019]a
‑
f在具有各种DL材料的FM(左子图)和SAF(右子图)结构中电流感应DW运动：Pd(a和b，橙色背景)，Rh(c和d，紫色背景)和Ir(e和f，蓝色背景)。(a)和(b)中的插图说明了响应于在具有0.1nm Pd DL的FM和SAF样品中分别由十二个(a)和四个(b)10ns脉冲组成的一系列注入电流脉冲(～1.0
×
108A/cm2)的畴壁运动的典型Kerr图像，其确认了在电流注入的方向上所有DW移动。图像对比度的差异来源于FM和SAF样品中磁化差异。浅色和深色部分对应于向下(或
↓
)和向上(
⊙
或
↑
)畴。插入的粉化层的厚度变化：0nm(深蓝色方块)、0.1nm(红色圆)、0.2nm(橙色菱形)、0.3nm(浅蓝色三角)、0.4nm(橄榄绿三角)、0.5nm(紫色三角)和0.7nm(淡紫色三角)。
[0020]图3显示了DW速度(v)和阈值电流密度(J
th
)的DL厚度依赖性。
[0021]a和b显示具有各种DL厚度(t
DL
)的FM和SAF样品中固定电流密度(～1.2
×
108A/cm2)下DW速度。虚线代表参比样品的速度和畴壁的稳态。右轴是相对于参比样品归一化的DW速度(v
nor
)。
[0022]c和d是作为FM和SAF样品中不同DL厚度函数的阈值电流密度(J
th
)。虚线代表参比样品的阈值电流密度。右轴代表相对于参比样品归一化的阈值电流密度(J
th_nor
)。着色区域说明界面DL厚度的范围，其中CIDWM的效率最大化。Pd、Rh和Ir DL分别对应于橙色方块、紫色圆和浅蓝色菱形。
[0023]图4显示DW速度对粉化层的纵向磁场依赖性。
[0024]a
‑
f在FM(左子图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.磁畴壁替代式存储器单元(赛道存储器器件)，在基础赛道器件结构的铁磁(FM)结构或合成反铁磁(SAF)结构的铁磁/重金属界面处包含4d或5d金属粉化层(DL)。2.根据权利要求1所述的存储器单元，其中粉化层具有在0.1至1.5nm、更优选0.1至1.0nm和最优选0.2至0.7nm范围内的厚度。3.根据权利要求1或2所述的存储器单元，其中粉化层包含4d金属。4.根据权利要求1、2或3所述的存储器单元，其中金属表现出fcc结构。5.根据权利要求1至4中一项所述的存储器单元，其中金属是Pd或Rh。6.根据权利要求1至5中一项所述的存储器单元，其中铁磁(FM)结构包含o一个或多个铁磁(FM)材料的层o重金属(HM)层和o耦合层。7.根据权利要求1至5中一项所述的存储器单元，其中合成反铁磁(SAF)结构包含经由耦合层而反铁磁耦合的两个铁磁(FM)材料层，因此形成沉积在HM层上的FM/耦合层/FM夹层。8.根据权利要求6或7所述的存储器单元，其中铁磁(FM)材料选自以下：o Fe、Co、Ni或Mn，或o Fe和/或Co的合金，或o Ni的合金，其还可包括Fe和Co中一种或多种，或o Mn的合金，其还可任选包括Fe、Co或Ni中一种或多种，或o包括Ir、Al、Si或Ge中至少一种和Fe的化合物，和o包括Mn和Si的化合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：管一澄，T，
申请(专利权)人：马克斯，
类型：发明
国别省市：