磁性纳米结构中基于自旋霍尔扭矩效应的电栅控式三端子电路及装置制造方法及图纸

基于自旋转移扭矩(STT)效应的三端子磁性电路和装置，通过使用耦接至自由磁性层的自旋霍尔效应金属层中的充电电流以及将栅电压施加至自由磁性层并通过结合自旋极化电子或带电粒子的注入，来操控用于包括非易失性存储功能、逻辑功能等各种应用的自由磁性层的磁化。充电电流经由第一电端子和第二电端子施加到自旋霍尔效应金属层，而栅电压施加在第一电端子和第二电端子中的任一个与第三电端子之间。自旋霍尔效应金属层可与自由磁性层相邻、或与自由磁性层直接接触，以允许在充电电流下通过自旋霍尔效应生成的自旋极化电流进入自由磁性层中。所公开的三端子磁性电路也可应用于信号振荡电路和其他应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】磁性纳米结构中基于自旋霍尔扭矩效应的电栅控式三端子电路及装置优先权要求和相关专利申请本专利申请要求于2012年8月6日提交的名为“磁性纳米结构中自旋霍尔扭矩效应的电栅控式调制”的第61/679,890号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用作为本专利申请公开的一部分并入本文。
本专利涉及具有磁性材料或基于电子自旋扭矩效应及其应用的结构的电路及装置，包括非易失性磁性存储电路、非易失性磁性逻辑装置和自旋扭矩激励式纳米体振荡器。
技术介绍
电子和其他带电粒子将自旋处理为它们内在粒子属性之一，并且这种自旋与自旋角动量相关联。电子的自旋具有两个不同的自旋态。电流中的电子可通过在两个自旋态中具有相等概率而被去极化。电流中的电子通过使一个自旋态中的电子多于另一自旋态中的电子而被自旋极化。自旋极化电流可通过各种方法(例如，通过使电流通过具有特定磁化的磁性层)操纵自旋数来实现。在各种磁性微观结构中，自旋极化电流可被引入磁性层中以引起自旋极化电子对磁性层的角矩转移，并且这种转移可导致自旋转移扭矩施加到磁性层中的局部磁矩上以及磁性层中磁矩的旋进。在适当条件下，自旋转移扭矩可引起磁性层的磁化方向的翻转或切换。上述的自旋转移扭矩(STT)效应可用于包括STT磁性随机存取存储(MRAM)电路和装置的各种应用。例如，如图1中所示，STT-MRAM电路可包括作为由两个或更多薄膜铁磁层或电极形成的磁阻元件的磁性隧道结(MTJ)，其中，磁阻元件通常被称为具有可被切换或改变的磁矩的自由磁性层(FL)以及磁矩方向被固定的固定磁性层(PL)。当电偏置电压施加在电极之间时，自由磁性层(FL)和固定磁性层(PL)通过薄到足以允许电子通过量子力学隧穿过渡经过势垒层的绝缘势垒层(例如，MgO层)来分离。横跨MTJ的电阻取决于PL层和FL层的相对磁性取向。FL层的磁矩可在FL中的两个稳定取向之间切换。横跨MTJ的电阻在PL层和FL层的两个相对磁性取向下展现出两个不同的值，两个不同的值可用于表示用于二进制数据存储或者可选地用于二进制逻辑应用的两个二进制状态“1”和“0”。该元件的磁阻用于从存储或逻辑单元读出该二进制信息。在各种STT-MRAM和其他电路中，MTJ是两端子MTJ电路，其中，两端子MTJ电路引导电流从一个端子通过隧道势垒至另一个端子。图1还示出了使两端子控制电路耦接至MTJ的两侧上的端子的两端子电路配置。在写入操作中，两端子控制电路将选定电流流动方向上的充分大的写入电流从通过势垒层的一个端子发送至通过势垒层的另一个端子，以设置自由层相对于表示期望二进制状态的基准层的磁性取向。在读取操作中，两端子控制电路使用相同的两个端子通过势垒层发送小于较大写入电流的读取电流，以在PL和FL层的特定相对磁性取向下测量横跨MTJ的与存储位相对应的电阻。
技术实现思路
本申请中公开的技术和装置提供基于自旋转移扭矩(STT)效应的三端子磁性电路和装置，该三端子磁性电路和装置通过组合自旋极化电子或带电粒子的注入，通过使用耦接至自由磁性层的自旋霍尔效应金属层中的充电电流以及将栅电压施加至自由磁性层，来操纵用于各种应用的自由磁性层的磁化，各种应用包括非易失性存储功能、逻辑功能等。充电电流经由第一电端子和第二电端子施加到自旋霍尔效应金属层，而栅电压施加在第一电端子和第二电端子中的任一个与第三电端子之间。自旋霍尔效应金属层可与自由磁性层相邻或与自由磁性层直接接触，以允许在充电电流下通过自旋霍尔效应生成的自旋极化电流进入自由磁性层中。所公开的三端子磁性电路也可应用于信号振荡电路和其他应用。磁性隧道结(MTJ)存储单元可构建在用于非易失性磁性存储应用的三端子电路配置中，并且能够操作成使用自旋霍尔效应金属层中的充电电流以及对于自由磁性层的栅电压的组合操作，从而在写入操作中实现自由磁性层的磁化切换。MTJ存储单元的读取可通过横跨MTJ施加读取电压来进行。三端子电路配置中的磁性隧道结(MTJ)也可用于形成基于自由磁性层中的磁旋进的信号振荡器，其中，自由磁性层中的磁旋进是由自旋扭矩而引起的，而自旋扭矩是由通过自旋霍尔效应金属层中的充电电流感应出的自旋极化电流引起的，并且感测电流可横跨待通过因自由磁性层中的磁旋进而导致的MTJ的电阻振荡来调制的MTJ施加，由此产生了振荡信号。所生成的振荡信号的频率和振幅可用于控制横跨MTJ的感测电流。在附图、说明书和权利要求书中将对上述和其他特征、以及示例性实现方式和应用进行更加详细的描述。附图说明图1示出了两端子电路配置中磁性隧道结(MTJ,MagneticTunnelJunction)的示例。图2A和图2B示出了三端子电路配置中磁性隧道结(MTJ)电路的示例，其中，三端子电路配置用于将自旋极化电流提供到MTJ的自由磁化层中实现自旋霍尔效应金属层。图3A和图3B示出了用于将自旋极化电流提供到自由磁化层中的自旋霍尔效应金属层的操作，其中示出了面内充电电流Jc(或Je)和面外自旋极化电流Js的流动方向以及注入自旋σ的方向。图4示出了具有耦接至自旋霍尔效应金属层的电流源和横跨MTJ耦接的电压源的三端子MTJ电路的示例。图5A示出了说明采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔效应(SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示意性立体图的示例，其中，ST-MRAM单元包括具有面内磁性层的磁性隧道结和具有强SHE的非磁性条，并且非磁性条设置于STT-MRAM装置结构的底部上。图5B示出了采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔效应(SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示意性立体图的另一示例，其中，磁性隧道结具有面内磁性层，并且具有强SHE的非磁性条设置于STT-MRAM装置结构的顶部上。图6A示出了采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔效应(SHE)的三端子ST-MRAM装置单元示例，其中，FL和PL的磁矩的平衡位置与膜平面垂直。图6B示出了采用用于写入操作的横跨MTJ的栅电压和自旋霍尔效应(SHE)的三端子ST-MRAM装置单元的示例，其中，FL和PL的磁矩的平衡位置与膜平面垂直，并且附加的面内磁化的铁磁材料层设置于MTJ堆叠中以产生面内磁偏置场以用于限定自由磁性层的垂直磁化的明确切换方向。这种MTJ堆叠中的面内磁化的铁磁材料层(例如，如图所示的第一电端子与自旋霍尔效应金属层之间)排除了分离的磁性机构以在自由磁性层处产生磁偏置场。非磁性间隔层可被提供成与固定磁性层接触，磁性层与非磁性间隔层接触并配置成在磁性层中具有用于在自由磁性层中产生偏置磁场的磁化方向。图7A示出了用于展示磁各向异性的电压控制效应(VCMA)调制MTJ的FL的自旋霍尔扭矩切换的能力的示例性三端子MTJ装置。图7B和图7C示出了在三端子SHE装置中横跨磁性隧道结端子施加以基本上改变电流ITa的偏置电压VMTJ的操作，其中，电流ITa由自旋霍尔层要求以用于影响平行对反平行(P对AP)切换(图7A)或反平行对平行(AP对P)切换(图7B)，其中，阴影区域指示接通状态(VMTJ＝-400mV)和关断状态(VMTJ＝0mV)将切换概率从100％改变至零的电流范围。图7D示出了在一系列10μs脉冲下的栅控式自旋霍尔扭矩切换，其中，RMTJ为MTJ的电阻(数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三端子电路配置的磁性隧道结存储装置，包括：存储单元的阵列，用于存储数据；以及存储控制电路，耦接至所述存储单元的阵列并且能够操作为读取所述存储单元中的数据或将数据写入所述存储单元中，其中，每个存储单元包括：磁性隧道结(MTJ)，包括(1)具有固定磁化方向的固定磁性层、(2)具有可变磁化方向的自由磁性层、以及(3)位于所述自由磁性层与所述固定磁性层之间的非磁性结层，其中，所述非磁性结层由薄到足以允许电子在所述自由磁性层与所述固定磁性层之间隧穿的绝缘体材料形成；自旋霍尔效应金属层，为非磁性的并且包括展示较大自旋霍尔效应的金属，以对引入所述自旋霍尔效应金属层中的充电电流作出反应来产生与所述充电电流垂直的自旋极化电流，所述自旋霍尔效应金属层与所述自由磁性层平行且相邻，以将所述自旋霍尔效应金属层中生成的所述自旋极化电流引入所述自由磁性层中；第一电端子，从具有所述固定磁性层的一侧与所述磁性隧道结电接触以接收栅电压，所述栅电压改变流过所述磁性隧道结的自旋极化电流的电流阈值以用于切换所述自由磁性层的磁化；以及第二电端子和第三电端子，在所述自由磁性层的相反两侧上与所述自旋霍尔效应金属层的两个接触位置电接触，以在所述自旋霍尔效应金属层中供给所述充电电流；以及其中，所述存储控制电路耦接至所述第一电端子、所述第二电端子和所述第三电端子，从而(1)在所述自旋霍尔效应金属层中经由所述第二电端子和所述第三电端子供给所述充电电流、以及(2)横跨所述磁性隧道结供给所述栅电压，以引起不足以切换所述自由磁性层的所述磁化的小电流隧穿横跨所述磁性隧道结，而同时无需因所述充电电流而导致的流过所述自由磁性层的所述自旋极化电流的协作，其中，所述存储控制电路配置成在写入模式中能够操作为，同时在所述自旋霍尔效应金属层中施加所述充电电流以及横跨所述磁性隧道结施加所述栅电压，从而将所述自由磁性层的所述磁化方向设置成或切换成用于表示存储位的期望方向，以及其中，所述存储控制电路还配置成在读取模式中能够操作为将读取电压施加到所述第一电端子，从而在不切换所述自由磁性层的所述磁化方向的情况下，在所述第一电端子与所述自旋霍尔效应金属层之间供给隧穿横跨所述磁性隧道结的读取电流，以感测表示所述磁性隧道结中所述存储位的、所述自由磁性层的所述磁化方向。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.06 US 61/679,8901.一种基于三端子电路配置的磁性隧道结存储装置，包括：存储单元的阵列，用于存储数据；以及存储控制电路，耦接至所述存储单元的阵列并且能够操作为读取所述存储单元中的数据或将数据写入所述存储单元中，其中，每个存储单元包括：磁性隧道结(MTJ)，包括(1)具有固定磁化方向的固定磁性层、(2)具有可变磁化方向的自由磁性层、以及(3)位于所述自由磁性层与所述固定磁性层之间的非磁性结层，其中，所述非磁性结层由薄到足以允许电子在所述自由磁性层与所述固定磁性层之间隧穿的绝缘体材料形成；自旋霍尔效应金属层，为非磁性的并且包括展示较大自旋霍尔效应的金属，以对引入所述自旋霍尔效应金属层中的充电电流作出反应来产生与所述充电电流垂直的自旋极化电流，所述自旋霍尔效应金属层与所述自由磁性层平行且相邻，以将所述自旋霍尔效应金属层中生成的所述自旋极化电流引入所述自由磁性层中；第一电端子，从具有所述固定磁性层的一侧与所述磁性隧道结电接触以接收栅电压，所述栅电压改变流过所述磁性隧道结的自旋极化电流的电流阈值以用于切换所述自由磁性层的磁化；以及第二电端子和第三电端子，在所述自由磁性层的相反两侧上与所述自旋霍尔效应金属层的两个接触位置电接触，以在所述自旋霍尔效应金属层中供给所述充电电流；以及其中，所述存储控制电路耦接至所述第一电端子、所述第二电端子和所述第三电端子，从而(1)在所述自旋霍尔效应金属层中经由所述第二电端子和所述第三电端子供给所述充电电流、以及(2)横跨所述磁性隧道结供给所述栅电压，以引起不足以切换所述自由磁性层的所述磁化的小电流隧穿横跨所述磁性隧道结，而同时无需因所述充电电流而导致的流过所述自由磁性层的所述自旋极化电流的协作，其中，所述存储控制电路配置成在写入模式中能够操作为，同时在所述自旋霍尔效应金属层中施加所述充电电流以及横跨所述磁性隧道结施加所述栅电压，从而将所述自由磁性层的所述磁化方向设置成或切换成用于表示存储位的期望方向，以及其中，所述存储控制电路还配置成在读取模式中能够操作为将读取电压施加到所述第一电端子，从而在不切换所述自由磁性层的所述磁化方向的情况下，在所述第一电端子与所述自旋霍尔效应金属层之间供给隧穿横跨所述磁性隧道结的读取电流，以感测表示所述磁性隧道结中所述存储位的、所述自由磁性层的所述磁化方向。2.如权利要求1所述的装置，其中，所述存储单元布置成行和列，所述装置包括行自旋霍尔效应金属条，其中，每个行自旋霍尔效应金属条配置成与存储单元行接触而作为用于所述存储单元行中的每个存储单元的自旋霍尔效应金属层，并且每个行自旋霍尔效应金属条还耦接至所述存储控制电路，以携带作为用于所述存储单元行中的每个存储单元的充电电流的行充电电流，以及所述装置包括列导电条，每个列导电条配置成与分别位于不同的存储单元行中的存储单元列接触，并且还耦接至所述存储控制电路，从而对于所述存储单元列中的每个存储单元施加行栅电压作为所述栅电压、或施加行读取电压作为所述读取电压。3.如权利要求2所述的装置，其中，所述存储控制电路包括：多个第一晶体管，以每个列导电条一个第一晶体管的方式分别耦接至所述列导电条，从而将所述行栅电压或所述行读取电压施加到所述存储单元的所述第一电端子；以及多个第二晶体管，以每个行自旋霍尔效应金属条一个第二晶体管的方式分别耦接至所述行自旋霍尔效应金属条以连接至所述第二电端子，从而使作为用于相应的存储单元行中的每个存储单元的充电电流的、各个行自旋霍尔效应金属条中的所述行充电电流接通或关断。4.如权利要求3所述的装置，其中，所述存储控制电路包括：多个第三晶体管，以每个行自旋霍尔效应金属条一个第三晶体管的方式分别耦接至所述行自旋霍尔效应金属条，从而连接在相应的存储单元行中的存储单元的所述第三电端子与电接地端之间。5.如权利要求4所述的装置，其中，所述存储控制电路配置成，在读取选定的存储单元时，(1)接通所有所述第一晶体管以将所述行读取电压施加到所有的所述存储单元中的所述第一电端子，(2)关断所有的所述第二晶体管，以及(3)接通与所述选定的存储单元接触的、相应的行自旋霍尔效应金属条中的一个第三晶体管而关断其他第三晶体管。6.如权利要求4所述的装置，其中，所述存储控制电路配置成，在对选定的存储单元进行写入时，(1)接通耦接至与所述选定的存储单元接触的列导电条的一个第一晶体管，而关断其他第一晶体管，以将所述行栅电压施加到所述选定的存储单元的所述第一电端子；以及(2)接通与所述选定的存储单元接触的一个行自旋霍尔效应金属条中的一个第二晶体管和一个第三晶体管，而关断其他第二晶体管和第三晶体管。7.如权利要求1所述的装置，其中，所述存储控制电路包括：第一晶体管，耦接至所述第一电端子，并且能够操作为接通或关断施加到所述第一电端子的所述栅电压或所述读取电压；以及第二晶体管，耦接至所述第二电端子，以接通或关断用于每个存储单元的、所述自旋霍尔效应金属层中的所述充电电流。8.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括钽或钽合金。9.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括铪或铪合金。10.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括铱或铱合金。11.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括铼或铼合金。12.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括锇或锇合金。13.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括铊和铊合金。14.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括铅或铅合金。15.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括钨金属或钨合金。16.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括过渡金属或过渡金属合金。17.如权利要求16所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括Cu1-xBix、Ag1-xBix、Cu1-xIrx、Ag1-xIrx、Cu1-xWx、Ag1-xWx、Cu1-xTax、或Ag1-xTax。18.如权利要求16所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括Pd、Mo、Ru、Ir、Au、Pt、或Bi。19.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层包括具有A15晶体结构的金属间化合物。20.如权利要求19所述的装置，其中，所述具有A15晶体结构的金属间化合物包括Ta3Al、Nb3Sn、W3Ge、Ir3Hf、TaN、WN或NbN。21.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层具有小于或等于所述自旋霍尔效应金属层的自旋扩散长度的五倍的厚度。22.如权利要求21所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层具有大于所述自旋霍尔效应金属层的自旋弛豫长度的厚度。23.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层配置成呈现大于0.05的自旋霍尔角。24.如权利要求1所述的装置，其中，所述固定磁性层或所述自由磁性层包括Fe、Co、Ni、或包含Fe、Co或Ni的合金。25.如权利要求1所述的装置，其中，所述固定磁性层或所述自由磁性层包括：包含Fe、Co或Ni以及非磁性材料的合金。26.如权利要求1所述的装置，其中，所述固定磁性层或所述自由磁性层包括两层或更多层。27.如权利要求1所述的装置，其中，所述固定磁性层或所述自由磁性层包括两层或更多层，并且每个层包括(1)Co和Ni、(2)Co和Pt、或(3)Co和Pd。28.如权利要求1所述的装置，其中，用于位于所述磁性自由层与所述固定磁性层之间的所述非磁性结层的所述绝缘体材料配置成，厚到足以获得隧穿通过所述磁性隧道结的低电流，并且薄到足以获得用于写入操作的低栅电压或用于读取操作的低读取电压。29.如权利要求28所述的装置，其中，所述绝缘体材料具有1nm与2nm之间的厚度。30.如权利要求1所述的装置，其中，所述固定磁性层和所述自由磁性层中的每个具有与该层平行的磁化方向。31.如权利要求1所述的装置，其中，所述固定磁性层和所述自由磁性层中的每个具有与该层垂直的磁化方向，以及所述装置还包括磁性机构以在所述自由磁性层处并且在与所述自由磁性层平行的场方向上产生磁偏置场。32.如权利要求31所述的装置，其中，所述磁性机构包括磁性层，所述磁性层产生所述磁偏置场并且位于所述第一电端子与所述自旋霍尔效应金属层之间。33.如权利要求32所述的装置，其中，每个存储单元包括与所述固定磁性层接触的非磁性间隔层，以及所述磁性层与所述非磁性间隔层接触，并且配置成在所述磁性层中具有磁化方向以在所述自由磁性层中产生所述磁偏置场。34.如权利要求1所述的装置，其中，所述自旋霍尔效应金属层与所述自由磁性层接触。35.如权利要求1所述的装置，包括：过渡金属层，与所述自由磁性层和所述自旋霍尔效应金属层接触并且位于所述自由磁性层与所述自旋霍尔效应金属层之间，以在所述自由磁性层处实现界面各向异性。36.如权利要求35所述的装置，其中，所述自由磁性层和所述固定磁性层中的每个具有与该层平行的磁化方向。37.如权利要求35所述的装置，其中，所述自由磁性层和所述固定磁性层中的每个具有与该层垂直的磁化方向。38.如权利要求1所述的装置，包括：磁性绝缘体层，与所述自由磁性层和所述自旋霍尔效应金属层接触并且位于所述自由磁性...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·A·比尔曼，丹尼尔·C·拉尔夫，白奇峰，刘鲁乔，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：美国;US