[发明专利]基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结器件及随机存储装置

说明书

本发明公开了一种基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结器件及随机存储装置，装置涉及到一种可以作为固定层的多层膜结构，即人工反铁磁装置。人工反铁磁装置可以通过电场调控，使其反铁磁耦合增强，该人工反铁磁装置可以作为磁性隧道结的固定层，在电场的作用下反铁磁耦合增强，保证固定层靠近势垒层的铁磁层不进行翻转，从而实现数据的稳定写入。所述基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结构成磁性随机存储装置，通过电场和电流的共同作用达到稳定写入数据的目的，结构简单，具有密度高、功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。

技术领域

本发明涉及具有磁性/铁磁材料或结构的电路和器件及其应用，更具体地说，涉及一种电辅助控制的基于人工反铁磁固定层以及使用电场进行辅助擦写的磁性随机存储器。

背景技术

磁性隧道结(magnetic tunnel junction，称为MTJ)由两层磁性金属(例如铁，钴，镍)和夹在两磁性金属层之间的超薄绝缘层(例如氧化铝，或氧化镁)组成。如果在两个磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可以通过遂穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流/遂穿电阻的大小取决于两个铁磁层中磁化的相对取向，这种现象称为隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance，称为TMR)，这是自旋依赖的隧穿效应的体现。两个铁磁层中磁化的相对取向可以通过施加的磁场来改变。

现今，磁性结(magnetic junction，称为MJ，包括MTJ和自旋阀)通常用于磁性随机存取存储器中。磁性随机存取存储器由于具有非易失性，优异的耐久性，高读/写速度，低功耗等优点而引起工业领域极大关注。磁性随机存储器(magnetic random access memory，称为MRAM)中的磁阻元件可以是包括两个或更多个铁磁性薄膜的磁性结。MJ的电阻取决于固定磁性层和自由磁性层的磁化的相对取向，自由磁性层(free magnetic layer，称为FL)的磁矩可以在两个稳定取向之间切换，MJ的电阻在固定磁性层和自由磁性层的两个相对磁取向情况下呈现两个值，可用于表示数据存储的二进制状态“1”和“0”，并应用于二进制逻辑。可以通过外加磁场改变磁性结的自由层磁化取向，从而得到自由磁性层与固定磁性层磁化平行或反平行时对应的低阻态(“1”)或高阻态(“0”)，进而得到逻辑电路需要的1/0态。

一种类型的MRAM是自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM)。利用自旋极化电流(自旋转矩)对磁矩的作用，达到改变自由磁性层磁化方向的目的，并通过改变电流方向来切换自由磁性层的磁化方向，从而完成STT-MRAM中MJ的数据写入。但是应用于自旋转移矩-随机存储器的自旋极化电流一般在10⁷A/cm²左右，较大的自旋极化电流会限制存储单元阵列的排列密度，为了提高存储单元阵列的排列密度，可将固定层厚度减小，此时较大的电流可能造成固定层铁磁态的变化，无法稳定写入数据。

为了解决该问题，提供一种电场辅助控制的基于人工反铁磁固定层的磁性随机存储装置，即利用电场调控一种人工合成反铁磁，用以增强其反铁磁耦合，使其作为磁性隧道结的固定层，在电流作用下可以保持反铁磁态，利用其靠近势垒层的铁磁层与自由层作用，实现数据稳定写入，减小靠近势垒层的铁磁层厚度，减小存储单元体积，提高存储单元阵列排列密度，成为目前本领域亟待解决的技术问题。

发明内容