[发明专利]电场控制纳米磁铁及包含其的随机存取存储器

说明书

本发明公开了一种电场控制纳米磁铁及包含其的随机存取存储器(SOT‑MRAM)。其中，电场控制纳米磁铁包括：一第一自旋霍尔材料层，包括一第一自旋霍尔材料；一第二自旋霍尔材料层，包括一第二自旋霍尔材料；以及一第一磁性材料层，设置在第一自旋霍尔材料层及第二自旋霍尔材料间；其中，第一自旋霍尔材料及第二自旋霍尔材料实质上彼此镜像对称。

技术领域

本发明关于一种电场控制纳米磁铁及包含其的自旋轨道耦合力矩磁阻式随机存取存储器。

背景技术

自旋转移力矩(Spin-transfer-torque,STT)式磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive random access memory,MRAM)为一非易失性、快速且高耐久性的存储器。然而，有限的电子自旋转换效率使其难以将临界电流缩小至纳秒超快转换。另一方面，自旋轨道矩式(spin-orbit torque,SOT)转换可克服前述缺点。SOT或自旋霍尔(spin-Hall,SH)自旋-矩式产生的效率，特征在于有效的自旋霍尔角度，其是由输入电流密度Jc及所引起的自旋电流密度间的比例来定义。在磁性元件的SOT及/或SH翻转中，电子自旋转换效率造成于自旋霍尔角度上的额外增强，一倍增因子l/t，其中l为磁性元件的线性尺寸，l为自旋轨道材料的厚度。对于强的Rashba自旋轨道耦合材料，电子电流至自旋电流的转换效率可超过100％，而传统的STT转换效率为～50％。

即便效率增加，一般的垂直式磁铁的SOT转换需一破坏对称性磁场来达到有效翻转(deterministic switching)。其中，可通过外加一水平分量的磁场，或产生磁性物质接口上的交换场，来达到此目的。此外，一般自旋轨道自旋力矩的方向与垂直磁化方向垂直。因此，需克服整个异相场(anisotropy field)才能翻转磁矩，而此为抗翻转(anti-damping)STT翻转所需的～20X以上。

为了解决这些问题，近来实验发现在低对称性的材料(WTe₂)中可造成垂直分量自旋轨道力矩(perpendicular spin-orbit torque,p-SOT)。然而，在目前的材料系统中，面外的自旋轨道力矩仍远小于水平分量力矩。因此，仍无法与目前的STT翻转相匹配。

因此，目前亟需提供一种新颖的结构，其可提升p-SOT，以用于翻转垂直异向性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的MRAM上。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种电场控制纳米磁铁，其具有增强的垂直分量自旋轨道力(p-SOT)。

本发明的另一目的在于提供一种自旋轨道耦合力矩磁阻式随机存取存储器(SOT-MRAM)，其具有较低的垂直异向性(PMA)元件的临界电流，以用于磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random access memory,MRAM)上。

为达成上述目的，本发明的电场控制纳米磁铁，包括：一第一自旋霍尔材料层，包括一第一自旋霍尔材料；一第二自旋霍尔材料层，包括一第二自旋霍尔材料；以及一第一磁性材料层，设置在第一自旋霍尔材料层及第二自旋霍尔材料间；其中，第一自旋霍尔材料及第二自旋霍尔材料实质上彼此镜像对称。

本发明提供的SOT-MRAM包括：一第一自旋霍尔材料层，包括一第一自旋霍尔材料；一第二自旋霍尔材料层，设置于第一自旋霍尔材料层上，其中第二自旋霍尔材料层包括一第二自旋霍尔材料；一第一磁性材料层，设置在第一自旋霍尔材料层及第二自旋霍尔材料间；一第三磁性材料层，设置在第二自旋霍尔材料层上；以及一绝缘层，设置在第二自旋霍尔材料层与第三磁性材料层间；其中，第一自旋霍尔材料及第二自旋霍尔材料实质上彼此镜像对称。

本发明的其他特征将通过详细说明并参考附图而更加清楚。

附图说明

图1为本发明实施例1的电场控制纳米磁铁的示意图。