公开了一种使用自旋极化电流来控制并切换用于存储器单元的磁性装置中的磁性区域的磁化方向和／或螺旋性的高速低功率的方法。该磁性装置包括具有固定磁螺旋性和／或磁化方向的参考磁层及具有可变磁螺旋性的自由磁层。所述固定磁层和所述自由磁层优选地被非磁层分开，并且所述参考层包括垂直于参考层的易磁化轴。可以向装置施加电流以感生力矩，该力矩改变装置的磁状态，使得其可以充当用于写入信息的磁性存储器。测量取决于装置的磁状态的电阻以从而读出存储在装置中的信息。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及在存储器和信息处理应用中使用的磁性装置，诸如巨磁致电阻 (GMR)装置。更具体而言，本专利技术描述了一种高速低功率方法，通过该方法，可以使用自旋极 化电流来控制和切换此类装置中的磁性区域的磁化和/或螺旋性。
技术介绍
使用自旋极化电子流的磁性装置对于磁性存储器和信息处理应用而言是感兴趣 的。此类装置一般包括被诸如金属或绝缘体的非磁性材料分开的至少两个铁磁电极。电极 的厚度通常在lnm至50nm范围内。如果非磁性材料是金属，则将这类装置称为巨磁致电阻 或自旋阀装置。装置的电阻取决于磁性电极的相对磁化取向，诸如其是平行还是反平行地 取向(即，磁化落在平行线上但指向相反方向)。一个电极通常使其磁化被钉扎，即，其比其 它电极具有更高的矫顽力并需要更大的磁场或自旋极化电流来改变其磁化的取向。第二层 称为自由电极且其磁化方向可以相对于前者改变。信息可以被存储在此第二层的取向中。 例如，可以用层的反平行对准来表示“ 1，，或“0”并用平行对准来表示“0”或“ 1 ”。对于这两 种状态而言，装置电阻将是不同的，因此可以使用装置电阻将“1”与“0”区别开。此类装置 的重要特征是其为非易失性存储器，因为该装置即使在电源断开时也保持信息，类似于磁 性硬盘驱动器。磁体电极的横向尺寸可以是亚微米的，且磁化方向相对于热波动仍可以是 稳定的。在传统磁性随机存取存储器(MRAM)设计中，使用磁场来切换自由电极的磁化方 向。使用磁性电极附近的载流线产生这些磁场。因为存储装置由密集的MRAM单元阵列组 成，所以导线的横截面必须小。在来自导线的磁场产生长距离磁场时(磁场仅与距导线中 心的距离相反地衰减)，在阵列的元素之间将存在串扰，并且一个装置将经受来自其它装 置的磁场。此串扰将限制存储器的密度和/或在存储器操作中引起错误。此外，由此类导 线产生的磁场在电极的位置处仅限于约0. 1特斯拉，这导致装置操作缓慢。重要的是，传 统存储器设计还使用随机过程或波动场来触发切换事件，这本来就慢且不可靠(参见例如 R. H. Koch et al.，Phys. Rev. Lett. 84，5419 (2000))。在美国专利No. 5，695，864和多个其它公开中(例如，J. Slonckewski，Journal ofMagnetism and Magnetic Materials 159，Ll (1996))，JohnSlonckewski 描述了一种机制， 通过该机制，可以使用自旋极化电流来直接改变磁性电极的磁性取向。在所提出的机制中， 流动电子的自旋角动量与磁性区域的背景磁化直接相互作用。运动电子将其自旋角动量的 一部分转移到背景磁化并在此区域中的磁化上产生力矩。此力矩可以改变此区域的磁化方 向并切换其磁化方向。此外，此相互作用是局部的，因为其仅作用在电流流过的区域上。然 而，所提出的机制纯粹是理论上的。Slonckewski的专利描述了将自旋动量转移用于磁性切换的MRAM装置。然而， 所提出的装置是缓慢的并依赖于波动磁场和随机过程以触发磁化切换。此外，需要大的 电流密度以切换装置。在描述其“锁存器或逻辑门”的优选实施例时，Slonckewski说到“......3个磁体F1、F2、和F3的优选轴如上文所讨论的那样全部是“垂直的”(即，沿着同一方向或取向)。可以使用其它取向，只要其平行于同一轴即可。”如我们在下文所述，我们 的装置利用不平行于同一轴的层的磁化，大大有利于速度、可靠性、和功率消耗。授予Jonathan Sun的美国专利No. 6，256，223也描述了使用电流感应磁性切换的 装置并在实验中演示此类装置的操作。然而，所提出的装置是不可靠的，因为在装置特性方 面几乎不存在一致性。此外，对于大电流密度下的操作，磁性切换的估计时间尺度是50纳 秒。需要在自旋极化电流的作用下展示出高速且可靠的操作的装置。其包括以较低功 率操作并具有用于切换磁化取向的较低阈值电流的装置。
技术实现思路
鉴于与使用自旋动量转移的装置的传统设计相关的限制，本专利技术的目的是提供一 种对于磁性存储器或磁性信息处理装置而言最佳的结构。本专利技术的另一目的是制造一种在操作速度方面具有优势的磁性装置。本专利技术的另一目的是制造一种在可靠性方面具有优势的磁性装置。本专利技术的另一目的是制造一种需要较低功率进行操作的磁性装置。本专利技术的另一目的是制造一种在存储信息的稳定性方面具有优势的磁性装置。本专利技术的另一目的是制造一种具有大读出信号的磁性装置。 0016]本专利技术的这些和其它目的由采用磁层的装置实现，该所述磁层中，层磁化方向不 沿着同一轴。例如，在一个实施例中，两个磁性区域具有正交的磁化。本专利技术是包括电流可以流过的铁磁和非磁层的磁性装置。该磁性装置包括具有固 定磁化方向的铁磁层和通过非磁性区域与第一铁磁层分开的另一铁磁层，所述非磁性区域 具有可响应于施加的电流自由旋转的磁化。又通过非磁层与其它铁磁层分开的第三铁磁层 具有固定的磁化方向且可以用来读出自由铁磁层的磁化方向。铁磁层的磁化方向并不是全 部沿着同一轴。在一个优选实施例中，第一固定铁磁层的磁化方向垂直于该层的表面，而自 由铁磁层的磁化在该层的平面中。如上所述，层之间的电流流动将自旋角动量从固定磁化 层转移到自由磁化层并在自由层的磁化上产生力矩。该力矩垂直于固定和自由层的磁化方 向的矢量三重积，具有取决于电流和电流的自旋极化的比例因数。当固定和自由层的磁化 方向正交时，产生大的力矩。作用于自由磁层的磁化方向上的该大力矩促使自由磁层的磁化旋转到层的平面之外。由于自由磁层的厚度小于宽度和长度尺寸，所以自由磁层的磁化旋转到层的平面之 外产生大的磁场，即“退磁”场，其垂直于该层的平面。此退磁场迫使自由磁层的磁化矢量产生进动，即，使磁化方向绕退磁磁场的方向 旋转。该退磁场还确定进动的速率。大的退磁场导致高进动速率，这是快速磁性切换的最 佳条件。此磁性装置的优点是不需要随机波动力或场来触发或控制层的磁响应。本专利技术的另一方面提供一种磁性装置，其包括具有固定磁螺旋性和/或固定磁化 方向的参考磁层、带有具有可变磁化螺旋性的至少一个磁化矢量的自由磁层、和在空间上 将所述自由磁层与所述参考磁层分开的非磁层。可以使用电流感应自旋动量转移来改变自 由磁层的磁化螺旋性。在一个优选实施例中，所述装置具有基本上为环状的结构，所述参考 磁层包括基本上垂直于参考层的易磁化轴和垂直于所述参考层的平面的固定磁化。或者， 所述参考层包括基本上垂直于所述参考层的易磁化轴和绕所述环状结构基本上为顺时针 或逆时针的磁螺旋性。附图说明通过本专利技术的说明性实施例的以下详细说明和附图，将更容易清楚本专利技术的前述 及其它特征，其中，相同的附图标记在图中自始至终指示类似元件，并且在附图中图1是根据本专利技术的磁性装置的图示；图2A 2E是自由磁层的图示，其示出在如图3A所示施加电流脉冲期间的图1的 电子装置的磁化矢量和退磁场；图3A是可以施加于磁性装置的电流波形的图示；图3B是可以施加于磁性装置的交流波形的图示；图4是根据本专利技术的一个实施例的存储器单元的图示；图5A 5E是自由磁层的图示，其示出图4的存储器单元的磁化矢量和退磁场；图6A是在写操作期间可以施加于图4的存储器单元的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种磁性装置，包括：钉扎磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；自由磁层，其具有带有可变磁化方向的至少一个磁化矢量；第一非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述钉扎磁层分开；读出磁层，其具有带有固定磁化方向的磁化矢量；以及第二非磁层，其在空间上将所述自由磁层与所述读出磁层分开，其中，所述第二非磁层包括绝缘体。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：A肯特，B欧玛兹，E冈萨雷斯加西亚，
申请(专利权)人：纽约大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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