[发明专利]磁化翻转的磁电耦合器件、存储单元、存储阵列及存储器

说明书

本发明提供一种磁化翻转的磁电耦合器件、存储单元、存储阵列及存储器，包括：压电材料层，包括压电耦合系数高于设定阈值的压电材料；多铁材料层；以及电极控制模块，通过第一电场控制所述压电材料层的电极化翻转，通过第二电场控制所述多铁材料层的电极化翻转。本发明将电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移作用相结合，可以实现无外磁场条件下电场控制的非易失、高可重复性、确定性的180°磁化翻转，可以通过纯电学方式实现极低功耗的非易失、高可重复性、确定性180°磁化翻转。该器件可与多种自旋电子器件相结合，构成磁电巨磁阻器件、磁电自旋轨道耦合逻辑器件等新型自旋电子器件，且大大提高了器件性能。

技术领域

本发明涉及自旋电子学技术领域，更具体的，涉及一种磁化翻转的磁电耦合器件、存储单元、存储阵列及存储器。

背景技术

随着晶体管尺寸的不断降低，CMOS工艺越来越接近其物理极限，摩尔定律逐渐走向终结。为了延续摩尔定律，一种超越CMOS的基于自旋的逻辑器件被提出并引起人们的广泛关注。与传统CMOS技术不同，该技术以电子自旋作为状态变量，将信息按照磁化矢量方向编码，具有结构简单、集成密度高、体积小且可持续缩小等优点。

本发明巧妙地利用磁电耦合效应(Magnetoelectric，ME)实现电场对铁磁材料磁化矢量方向的调控，与自旋轨道转矩效应(Spin-Orbit Torque，SOT)的电流操控方式相比，电场操控方式几乎不存在电荷电流，其热耗散降低了四个数量级以上，可以实现超低功耗运算。磁电耦合效应可以通过不同方式实现，包括电压诱导应力转移，电压控制界面自旋极化电荷密度，电压控制界面交换耦合作用，和电压控制界面电化学反应等。其中电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移具有功耗低、翻转速率高、热稳定性高等优势，在新型自旋器件(如自旋逻辑器件、电学写入磁存储器件等)中最具应用前景。

电压控制界面交换耦合作用一般在多铁/铁磁异质结构中实现，目前常用的多铁材料为铁酸铋(BiFeO₃，BFO)。对异质结构施加垂直电场，会引起多铁材料中铁电极化翻转，进而引起其磁属性的变化，通过界面交换耦合作用实现对上层铁磁材料磁化矢量方向的翻转。电压诱导应力转移一般在压电/铁磁异质结构中实现，目前常用的压电材料有PMN-PT、PZT等。施加外电场时由于逆压电效应产生压电材料层的结构形变，通过界面应力作用于铁磁层引起其晶格扭曲，从而改变铁磁层的磁晶各向异性，最终实现磁化矢量的翻转。

在实际应用中，为了完成信息的有效控制和读出，往往要求铁磁层在电场控制下实现确定性180°磁化翻转。然而实验结果表明，基于多畴BFO电极化翻转的磁化控制可重复性较低，容易出现铁电疲劳和磁化翻转失效。单畴BFO的90°电极化翻转可以有效避免铁电疲劳，提高调控可重复性，但无法实现180°磁化翻转。另一方面，电压诱导应力转移的调控方法可重复性高，但单纯使用该方法也无法实现确定性180°磁化翻转。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种高性能磁电调控方式，将电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移作用相结合，可以实现无外磁场条件下电场控制的非易失、高可重复性、确定性的180°磁化翻转，为新型自旋器件的开发提供了一种新的方法。

本发明第一方面实施方式提供一种磁化翻转的磁电耦合器件，包括：

压电材料层，包括压电耦合系数高于设定阈值的压电材料；

多铁材料层；以及

电极控制模块，通过第一电场控制所述压电材料层的电极化翻转，通过第二电场控制所述多铁材料层的电极化翻转。

在优选的实施例中，所述电极控制模块，包括：

底端电极，设于所述压电材料层远离所述多铁材料层的一侧；

导电氧化物层，位于所述压电材料层和所述多铁材料层之间；以及

磁性单元，位于所述多铁材料层远离所述压电材料层的一侧；