[发明专利]基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器

说明书

本发明提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，包括：薄膜结构、电压源以及电流源；所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层、反铁磁层、参考层、氧化物层、自由层、拓扑绝缘体层、高介电衬底以及底电极层；所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。通过电流源向拓扑绝缘体薄膜层通入电流，使得自由层铁磁薄膜的磁性翻转；铁磁磁各向异性与拓扑表面态的电压调控效应，产生自旋轨道转矩效应使得相邻自由层铁磁薄膜的磁矩发生偏转；极大地降低了自由层铁磁薄膜磁性翻转所需的阈值电流，从而实现超低功耗的信息存储。

技术领域

本发明涉及电子存储器技术领域，尤其涉及一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器。

背景技术

现有基于自旋轨道矩(Spin Orbit Torque，SOT)的写入技术，通过在磁性隧道结MTJ自由层下方增加一条由铂、钽、钨等重金属制备的薄膜，当向重金属层通入电流时，流入重金属层的平面内电荷流通过自旋霍尔效应转换为垂直自旋电流。自旋电流随后流入覆盖的铁磁自由层，并通过自旋轨道矩驱动自由层的磁化翻转。与自旋转移矩磁性随机存储器STT-MRAM相比，自旋轨道矩磁性随机存储器SOT-MRAM产生更多具有相同自旋状态的传导电子，并将其注入到铁磁层。产生的转矩更强大，更容易翻转自由层的磁化方向，因此处理速度更快，功耗更低。在存储器的研究方面，如何降低存储器件的功耗一直是本领域技术人员的研究方向。

因此，如何提供一种磁存储器方案，能够实现更低功耗的磁性随机存储是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，能够实现更低功耗的磁性随机存储。

本发明提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，包括：薄膜结构、电压源以及电流源；

所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层、反铁磁层、参考层、氧化物层、自由层、拓扑绝缘体层、高介电衬底以及底电极层；

所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。

进一步地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任一个的厚度为纳米级。

进一步地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任两个之间的以最大面相互接触耦合。

进一步地，所述电流源用于向所述拓扑绝缘体层输出正电流或负电流以驱动所述自由层进行读写操作。

进一步地，所述电压源用于向所述高介电衬底施加可控电压，以实现所述自由的层铁磁薄膜垂直磁各向异性的控制；

所述电压源还用于向所述拓扑绝缘体层施加可控电压以增强所述拓扑绝缘体层的自旋-动量锁定的表面态在导电通道的占比并减小所述自由层的铁磁薄膜磁矩翻转所需的电流。

进一步地，当所述电流源向所述拓扑绝缘体薄膜层输入不同方向的电流时，所述自由层的铁磁薄膜的磁矩相应地发生不同方向的翻转，基于隧穿磁阻效应；通过所述自由层与所述参考层的铁磁薄膜磁矩的相对方向确定存储器处于反平行工作状态或平行工作状态。

进一步地，所述参考层具有固定的磁化方向。

进一步地，所述自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行。

进一步地，所述反铁磁层用于增强所述参考层的磁各向异性以及磁化方向。

进一步地，所述自由层为钴铁硼、铁硼、钴铁、铁(Fe)和赫斯勒合金的其中之一或任意组合。