一种面内型磁性随机存储器及其读写方法技术

本发明专利技术提供了一种使用拓扑绝缘体作为电子自旋滤波器的面内型磁性随机存储器，包括参考层、记忆层、势垒层，以及由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的自旋滤波层；所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性平行于层表面；所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性平行于层表面；所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；所述自旋滤波层包括间隔开的第一极性部和第二极性部，所述第一极性部和所述第二极性部分别与所述记忆层电连接并形成完整的写电路。本发明专利技术还提供了上述磁性随机存储器的读写方法。

An in-plane magnetic random access memory and its read-write method

The invention provides a topological insulator as a spin filter plane type magnetic random access memory, including reference layer, memory layer, barrier layer, filtering layer and spin set by repeating the topological insulator layer and a dielectric layer formed; magnetization direction of the reference layer is constant and magnetic anisotropy parallel to the layer the surface of the memory layer; the magnetization direction and variable magnetic anisotropy parallel to the surface layer; the barrier layer is located between the reference layer and the memory layer and connected with the reference layer and the adjacent layer of memory; the spin filter layer includes first polarity and a second polarity interval open, the first polarity and the second polarity part and the memory layer is electrically connected and formed a complete write circuit. The invention also provides a read-write method for the magnetic random access memory.

【技术实现步骤摘要】
一种面内型磁性随机存储器及其读写方法
本专利技术涉及半导体存储器领域，尤其涉及一种使用拓扑绝缘体作为电子自旋滤波器的面内型磁性随机存储器及其读写方法。
技术介绍
自旋电子学(Spintronics)也称磁电子学。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩，是一门新兴的学科和技术。应用于自旋电子学的材料，需要具有较高的电子磁极化率，以及较长的电子松弛时间。许多新材料，例如磁性半导体、半金属(又称为Heusler金属，参见：https://en.wikipedia.org/wiki/Heusler_alloy)、拓扑绝缘体(TI，TopologicalInsulator，参考：物理与工程，Vol.22，No.1，2012)等，近年来被广泛的研究，以求能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。Heusler金属里100％的同向极化电子自旋已经逐渐得到了实际应用(参见www.nature.com/articles/ncomms4974)。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的材料，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面具有非常理想(近乎于超导体)的导电性，也就是说该材料的铁磁特性(或高磁化系数)能够导通电流，更重要的是，在电流通过程中它不会造成能量的损失。并且，其电子自旋极化方向具有100％的相关一致性，由电流方向来决定。如图1所示，其中拓扑绝缘体100周围的黑色线条外框示意了其表面导电通路，并且输出的自旋电流具有高极化取向。所以拓扑绝缘体是继Heusler金属之后的又一个理想的电子自旋滤波器。近期的研究显示，原型拓扑绝缘体硒化铋(Bi2Se3)的一种薄膜在室温下可被用作自旋电流的一个非常高效的导通路线，包括在相邻的一种铁磁性镍-铁合金薄膜上产生一个强的自旋转移矩(参见：斯坦福大学张首晟团队在这方面的文章)。最近，研究者们已经将拓扑绝缘体的这一特性用来产生自旋转移力矩(STT，SpinTransferTorque，参考：Nature511，449-451，2014；NatureMaterials13，699–704(2014)，KangL.Wang等)，用于实现磁性随机存储器(MRAM，MagneticRandomAccessMemory)元件的写操作，即自旋极化的电流通过磁电阻元件时，可以通过STT改变记忆层的磁化方向。在STT-MRAM运行过程中，如何获得足够大的具有相同极化方向的自旋电流是最关键的一步。现有的STT-MRAM是利用电流流经极化后的磁薄膜产生的部份磁力矩来实现记忆层的磁极化转动来实现写操作的。这样的写操作，不仅耗电，并且会由于大量的非极化电流产生的热而降低记忆体的记忆能力，和加快记忆体的老化。
技术实现思路
有鉴于现有技术的不足，本专利技术提供了一种使用拓扑绝缘体作为电子自旋滤波器的面内型磁性随机存储器，包括：参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性平行于层表面；记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性平行于层表面；势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻，本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层；还包括由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的自旋滤波层，所述自旋滤波层包括间隔开的第一极性部和第二极性部，所述第一极性部和所述第二极性部分别与所述记忆层电连接并形成完整的写电路。进一步地，所述拓扑绝缘体层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的化合物，例如Sb2Se3、Sb2Te3、Bi2Se3、Bi2Te3、BiSbTeSe2等，或者采用的材料是在上述化合物中掺杂Cr或Mn。进一步地，所述电介质层采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。优选地，所述电介质层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物，例如BiSeO、SbTeN、BiTeC等。进一步地，通过退火改善所述自旋滤波层的导电性能。进一步地，所述第一极性部连接置位电极，所述第二极性部接地，从而通过在所述第一极性部、所述记忆层和所述第二极性部所形成的通路上加载不同方向的电流来改变所述记忆层的磁化方向。进一步地，还包括覆盖层和顶电极，所述覆盖层分别与所述参考层和所述顶电极层相邻。进一步地，采用独立的读控制电路和写控制电路，从而可单独对读控制电路和写控制电路做设计及优化。进一步地，所述读控制电路控制读电流通过所述参考层、所述势垒层、所述记忆层所组成的磁性隧道结，并通过所述第一极性部或所述第二极性部。本专利技术还提供了上述磁性随机存储器的读写方法：写操作：在所述第一极性部和所述第二极性部上加载写电压，从而通过流经所述第一极性部、所述记忆层和所述第二极性部的写电流来改变所述记忆层的磁化方向，所述记忆层的磁化方向由写电流的方向确定；读操作：在所述参考层和所述第二极性部上加载读电压，产生读电流，所述读电流的大小不足以改变所述记忆层的磁化方向，并且所述读电压低于(优选远低于)所述势垒层的击穿电压，以避免被击穿破坏。本专利技术的磁性随机存储器，采用了由拓扑绝缘体与电介质形成的多层膜结构，把三维的拓扑绝缘体变成许多近似于二维的拓扑绝缘体薄片，用电介质隔离开，从而提高拓扑绝缘体的总体表面积，以此为自旋电子器件提供足够的写电流。进一步地，自旋滤波层以串联的形式连接记忆层两端，写电流只需通过自旋滤波层和记忆层，即可有效改变记忆层的磁化方向，而不会影响势垒层和参考层，既提高了精度又降低了功耗。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是拓扑绝缘体表面导电示意图，输出电流具有高极化取向；图2是本专利技术的一种磁性随机存储器的结构示意图；图3是图2中自旋滤波层的多层膜结构示意图；图4是图2的磁性随机存储器的写操作(低阻态)示意图；图5是图2的磁性随机存储器的写操作(高阻态)示意图；图6是图2的磁性随机存储器的读操作示意图。具体实施方式在本专利技术的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。图2是本专利技术的一种磁性随机存储器的结构示意图，其中示出了依次层叠的衬底层1、记忆层2、势垒层3、参考层4、覆盖层5和顶电极6。记忆层2的磁化方向可变且磁各向异性平行于层表面，参考层4的磁化方向不变且磁各向异性平行于层表面，图中以和分别示意磁化方向向外和向内(基于附图所在页面视角)。图2同时示出了自旋滤波层7，自旋滤波层7包括相互间隔的第一极性部71本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性随机存储器，包括参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性平行于层表面；记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性平行于层表面；势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；其特征在于，还包括由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的自旋滤波层，所述自旋滤波层包括间隔开的第一极性部和第二极性部，所述第一极性部和所述第二极性部分别与所述记忆层电连接并形成完整的写电路。

【技术特征摘要】
1.一种磁性随机存储器，包括参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性平行于层表面；记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性平行于层表面；势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；其特征在于，还包括由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的自旋滤波层，所述自旋滤波层包括间隔开的第一极性部和第二极性部，所述第一极性部和所述第二极性部分别与所述记忆层电连接并形成完整的写电路。2.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述拓扑绝缘体层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的化合物，或者在上述化合物中掺杂Cr或Mn。3.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述电介质层采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。4.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述电介质层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物。5.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖荣福，郭一民，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31