[发明专利]MTJ器件

说明书

本发明提供了一种MTJ器件。该MTJ器件包括：重金属层，形成重金属层的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层，设置于重金属层的一侧表面，且第一磁性层具有垂直于重金属层表面的磁各向异性；交换耦合控制层，设置于第一磁性层远离重金属层的一侧表面，用于使第一磁性层与第二磁性层铁磁耦合；第二磁性层，设置于交换耦合控制层远离第一磁性层的一侧表面，第二磁性层具有垂直于重金属层的磁各向异性，且第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度高于第一磁性层的饱和磁化强度。通过使靠近重金属层的第一磁性层具有低于第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度，从而能够使器件的临界反转电流密度大大降低，并且包括第一磁性层和第二磁性层的复合自由层可增强结构的热稳定性。

技术领域

本发明涉及磁性器件技术领域，具体而言，涉及一种MTJ器件。

背景技术

自选轨道转矩(SOT)是指基于自选轨道耦合(SOC)，利用电荷诱导的自旋流来产生自旋轨道转矩，进而达到调控磁性层的目的，即基于强SOC产生的自旋流会以力矩的方式来影响近邻的磁性材料。

研究表明半导体GaAs、Ge、Si和金属体系Al、Au、Pt、Ta等被证明存在自旋霍尔效应，并且重金属中的自旋霍尔效应更加显著。在现有技术中的铁磁层与重金属层的双层膜结构中，由于重金属层中的强SOC和自旋霍尔效应，流动于重金属层中的电流会产生自旋流，自旋流造成界面自旋积聚，积聚的自旋对相邻铁磁层产生力矩作用，当电流密度达到一定阈值后，铁磁层的磁化方向反转。这一技术相对于传统的使用磁场控制磁性材料磁化方向的手段，效率更高、局域性更强。

并且，对于现有技术中的单层磁化层而言，切换磁性层需要较高的临界自旋电流密度，并且，单层磁化层也具有相对较低的热稳定性(磁性层的厚度通常小于1nm)，高临界自旋电流密度导致能耗增高，而低的热稳定性则会缩短器件的使用寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种MTJ器件，以解决现有技术中切换磁性层需要较高的临界自旋电流密度且磁化层热稳定性低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种MTJ器件，包括：重金属层，形成重金属层的材料具有自旋霍尔效应；第一磁性层，设置于重金属层的一侧表面，且第一磁性层具有垂直于重金属层表面的磁各向异性；交换耦合控制层，设置于第一磁性层远离重金属层的一侧表面；第二磁性层，设置于交换耦合控制层远离第一磁性层的一侧表面，第二磁性层具有垂直于重金属层的磁各向异性，且第二磁性层的矫顽力和饱和磁化强度高于第一磁性层的饱和磁化强度，交换耦合控制层用于使第一磁性层与第二磁性层铁磁耦合。

进一步地，形成第一磁性层的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，形成合金的元素还包括Cu、Pt、Cr和V中的任一种或多种。

进一步地，第一磁性层的厚度为小于2nm。

进一步地，第一磁性层和第二磁性层的垂直磁各向异性常数分别在10⁶～10⁷erg/cm³的范围内。

进一步地，形成第二磁性层的材料选自Fe、Co和Ni中的任一种或多种元素的合金，优选为CoNiCo、CoFeB、CoPt和FePt中的任一种。

进一步地，第二磁性层的厚度为0.4～1nm。

进一步地，形成交换耦合控制层的材料选自Ru、Ta、和Mo中的任一种元素。

进一步地，形成重金属层的材料选自Pt、Ta和W中的任一种或多种元素。

进一步地，第一磁性层、交换耦合控制层和第二磁性层构成复合自由层，MTJ器件还包括非磁性势垒层和磁性固定层，非磁性势垒层设置于复合自由层与磁性固定层之间。