[发明专利]基于全二维材料的室温全电控磁存储单元及存储器

说明书

提供一种基于全二维材料的室温全电控磁存储单元，包括自下而上堆叠设置的强自旋轨道耦合范德华层、室温范德华磁性自由层、范德华空间层和室温范德华磁性固定层；强自旋轨道耦合范德华层由具有低对称性晶体结构的强自旋轨道耦合二维材料构成，在施加电信号时产生面外极化的自旋流，驱动室温范德华磁性自由层实现定向无外磁场纯电控翻转；室温范德华磁性自由层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向通过电信号极性控制；范德华空间层由具有半导体或绝缘体带隙和电阻率的二维范德华材料构成；室温范德华磁性固定层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向固定，不随电信号极性变化。还提供一种磁存储器。

技术领域

本公开涉及微电子及自旋电子学技术领域，尤其涉及一种基于全二维材料的室温全电控磁存储单元及存储器。

背景技术

基于自旋轨道矩的磁存储器(SOT-MRAM)相对于自旋转移矩磁存储器(STT-MRAM)，具有较高的写入速度和较低的功耗，应用前景较好，被认为是下一代MRAM的主要写入方式。

典型的磁性隧道结(MTJ)器件一般具有三明治结构，即由上下磁性电极夹杂中间非磁性半导体或绝缘体势垒层构成。具有较大隧穿磁电阻(TMR)的磁性隧道结器件广泛应用于磁传感、非易失磁随机存储器以及可编程自旋逻辑器件等自旋电子学领域。传统的磁性隧道结通常由三维共价键结合的磁性金属材料(例如Fe，Co，Ni，CoFeB以及其合金)和非磁性的宽带隙氧化物组成(例如Al₂O₃，MgO)。当前，基于传统三维材料的磁性隧道结器件的发展受到其材料本身性能因素的限制。不同三维材料之间形成异质结需要考虑晶格匹配以及界面间原子的互扩散、磁性电极垂直磁各向异性较差、或中间势垒层中存在针孔效应等问题都严重限制了基于传统三维材料磁性隧道结的发展。因而，磁性隧道结器件亟需寻找具有高界面质量的新型材料。此外，现有的基于二维磁性材料的磁隧道结器件在室温下不具有隧穿磁电阻，且温度稳定性差，达不到应用要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于全二维材料的室温全电控磁存储单元及存储器，以缓解现有技术中基于体材料的磁隧道结器件的界面晶格失配、界面平整度低、或界面间原子互扩散等问题，以及基于现有二维材料的磁隧道结在室温下不具有隧穿磁电阻，且温度稳定性差等技术问题。

(二)技术方案

本公开的一个方面，提供一种基于全二维材料的室温全电控磁存储单元，包括：自下而上堆叠设置的强自旋轨道耦合范德华层、室温范德华磁性自由层、范德华空间层和室温范德华磁性固定层；其中，所述强自旋轨道耦合范德华层由具有低对称性晶体结构的强自旋轨道耦合的二维材料构成，在施加电信号时，所述强自旋轨道耦合范德华层产生面外极化的自旋流，极化方向与输入的电信号极性相关，面外极化的自旋流用于驱动室温范德华磁性自由层实现定向无外磁场纯电控翻转；所述室温范德华磁性自由层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向通过输入强自旋轨道耦合范德华层的电信号极性控制；所述范德华空间层由具有半导体带隙和电阻率的二维范德华材料构成，或由具有绝缘体带隙和电阻率的二维范德华材料构成；所述室温范德华磁性固定层为具有超室温居里温度且垂直磁各向异性的二维磁性层，磁矩方向固定，不随强自旋轨道耦合范德华层输入电信号极性的变化而变化。

根据本公开实施例，磁存储单元还包括范德华钉扎层，所述范德华钉扎层设置于所述室温范德华磁性固定层上，所述范德华钉扎层由室温二维反铁磁材料构成。

根据本公开实施例，强自旋轨道耦合范德华层的制备材料选自二维WTe₂、二维MoS₂、二维PtTe₂。

根据本公开实施例，室温范德华磁性自由层和室温范德华磁性固定层的制备材料包括二维Fe₃GaTe₂。