一种基于多铁异质结构的磁畴壁写入单元的制作方法

本实用新型涉及自旋电子技术领域，特别涉及一种基于多铁异质结构的磁畴壁写入单元。

背景技术：

赛道存储器作为一种新型的非易失性自旋信息存储器件，对于构筑未来立体存储框架具有很高的应用潜力。赛道存储器通过磁畴的形式在磁性纳米条带上存储多位信息，多位信息之间通过磁畴壁进行区分，从而达到高密度存储的目的，同时也可实现快速的信息读写。赛道存储器的纳米条带下面有一个与之垂直的电极作为数据的写线。当给电极注入脉冲电流，电流产生的奥斯特场可以改变与之相邻的纳米条带的磁化方向，这样可以实现数据的写入或修改。之后通过电流产生的自旋转移力矩效应驱动所有畴壁同步进行移动。

如授权公告号cn102124526b的实用新型公开了一种磁赛道存储器装置。现有技术中磁畴壁在写入赛道存储器时，需要外加导电纳米线产生奥斯特场改变赛道磁化方向，由于磁场具有弥散性，此方法存在存储器单元体积较大，存储密度较低等问题。与此同时，使用导电纳米线产生奥斯特场或产生自旋电流驱动畴壁运动会导致严重的热效应和能耗问题乃至引起器件的物理损坏。因此，迫切需要一种高存储密度，低功耗的磁畴壁写入单元及方法。

技术实现要素：

针对现有技术中磁畴壁写入赛道存储器时所存在的存储器单元体积大，存储密度低以及高焦耳热的问题，本实用新型提供了一种基于多铁异质结构的磁畴壁写入单元，利用逆压电效应和磁致伸缩的逆效应，通过在顶电极和底电极层上对压电层施加电压，在压电层中产生电场致使压电层发生应变并传递至磁性层，进而影响磁性材料的磁各向异性能，使得电极层区域内磁性材料的磁化方向发生变化，从而诱导产生磁畴壁，具有体积小，存储密度高且发热少的特点。

以下是本实用新型的技术方案。

一种基于多铁异质结构的磁畴壁写入单元，包括：底电极层，连接脉冲电压源；压电层，由铁电材料制成，设置于底电极层上；顶电极层，设置于压电层上，包含若干连接脉冲电压源的顶电极；磁性层，与顶电极处在同一层，由铁磁性材料制成，连接赛道存储器；所述底电极层下还设置有衬底层，整个写入单元外还设有保护层，其中磁性层的铁磁性材料具有磁各向异性，且具有磁致伸缩特性。传统方式中利用纳米导线注入电流产生畴壁，利用自旋转移力矩推动磁畴壁，因此在整个器件工作过程中，电流持续的流过导线产生大量的焦耳热。而本实用新型采用应力诱导的方式，通过压电层的逆压电效应和磁性层的磁致伸缩的逆效应，实现磁畴壁的产生，直接避免了电流的热效应。有利于减小体积，提高存储密度。

另外，底电极层下还可以设置衬底层，整个写入单元外周还可以加设保护层。

作为优选，所述磁性层包括磁畴壁生成区和磁畴壁缓冲区，所述磁畴壁生成区位于若干顶电极之间，磁畴壁缓冲区连接赛道存储器。畴壁写入过程，是通过在顶电极和底电极层上对压电层施加电压，在压电层中产生电场致使压电层发生应变并传递至磁性层，进而影响磁性材料的磁各向异性能，使磁畴壁生成区的磁化方向发生变化，从而诱导产生磁畴壁，再将磁畴壁移动至磁畴壁缓冲区，达到磁畴壁写入的目的，通过写入时的初始能量将畴壁从缓冲区移动至赛道存储器上，以实现数据写入。

作为优选，所述磁畴壁缓冲区为条形，磁畴壁生成区为宽度大于磁畴壁缓冲区的对称图形。磁畴壁缓冲区一般为纳米条带，磁畴壁生成区一般可以制成椭圆形或菱形等。

作为优选，所述顶电极为两个。

作为优选，所述磁畴壁生成区为椭圆形，磁畴壁生成区位于两个顶电极之间。

本实用新型还包括一种基于多铁异质结构的磁畴壁写入方法，用于上述的一种基于多铁异质结构的磁畴壁写入单元，包括以下步骤：在顶电极和底电极层施加脉冲电压使压电层产生应变，应变传递至磁性层并诱导产生磁畴壁，磁畴壁被驱动至赛道存储器；调整脉冲电压，以改变压电层的应变程度，进而写入不同的数据。

作为优选，所述脉冲电压包括单个脉冲电压或者连续脉冲电压。

本实用新型的实质性效果包括：可实现稳定、精确可控地进行单个磁畴壁的写入，并可进行多个磁畴壁的连续性写入。电场对于除去切换电压时的充放电功耗，所述的磁畴壁写入单元几乎零功耗。并且，应力的传递是局部作用，随着距离的增加，作用效果的显著衰减，可以极大的减小写入单元的单元体积，增加存储密度。因此，通过应力诱导的磁畴壁写入单元及磁畴壁写入方法，可以解决传统磁场和自旋电流方法的存储器单元体积大，存储密度低，以及高焦耳热等问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一的结构图；

图3是本实用新型实施例一的俯视图；

图4是本实用新型实施例二的结构图；

图中包括：1-压电层、2-顶电极、3-磁畴壁生成区、4-磁畴壁缓冲区、5-底电极层、6-衬底层、7-磁性层、8-保护层。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本申请的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本实用新型，在下文中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。

实施例一：

如图1所示，是一种基于多铁异质结构的磁畴壁写入单元，包括：底电极层5，连接脉冲电压源；压电层1，由铁电材料制成，设置于底电极层5上；顶电极2层，设置于压电层1上，包含两个连接脉冲电压源的顶电极2；磁性层7，与顶电极2处在同一层，由铁磁性材料制成，连接赛道存储器；其中磁性层7的铁磁性材料具有磁各向异性，且具有磁致伸缩特性。传统方式中利用纳米导线注入电流产生畴壁，利用自旋转移力矩推动磁畴壁，因此在整个器件工作过程中，电流持续的流过导线产生大量的焦耳热。而本实用新型采用应力诱导的方式，通过压电层1的逆压电效应和磁性层7的磁致伸缩的逆效应，实现磁畴壁的产生，直接避免了电流的热效应。有利于减小体积，提高存储密度。

另外，底电极层5下还设置衬底层6，整个写入单元外周加设保护层8。

磁性层7包括磁畴壁生成区3和磁畴壁缓冲区4，磁畴壁生成区3位于若干顶电极2之间，磁畴壁缓冲区4连接赛道存储器。畴壁写入过程，是通过在顶电极2和底电极层5上对压电层1施加电压，在压电层1中产生电场致使压电层1发生应变并传递至磁性层7，进而影响磁性材料的磁各向异性能，使磁畴壁生成区3的磁化方向发生变化，从而诱导产生磁畴壁，再将磁畴壁移动至磁畴壁缓冲区4，达到磁畴壁写入的目的，通过写入时的初始能量将畴壁从缓冲区4移动至赛道存储器上，以实现数据写入。

磁畴壁缓冲区4为条形，磁畴壁生成区3为椭圆形，磁畴壁生成区3位于两个顶电极2之间。

本实施例的磁畴壁写入过程和原理如下：通过在顶电极2和底电极层5上对压电层1施加电压，在压电层1中产生电场致使压电层1发生应变并传递至磁性层7，进而影响磁性材料的磁各向异性能，使得椭圆形区域内磁性材料的磁化方向发生变化，结合形状各向异性，从而诱导在椭圆形区域与纳米条带区域的连接处产生磁畴壁。如图2和3所示，由于椭圆形处的磁各向异性能大于纳米条带的磁各向异性能，并且磁畴壁生成后具有一定的初始能量，两者共同作用将生成的磁畴壁移动至磁畴壁缓冲区4。并且，该能量差能将磁畴壁从磁性层7驱动至赛道存储器上。磁畴壁携带的数据，即被写入至赛道存储器上。

如：规定初始磁化方向朝右，施加电压产生电场后，会使得椭圆形结构处的磁化方向朝向电极极化方向，即朝上或朝下，当撤掉电压后，由于椭圆形结构的形状各向异性，椭圆形结构处的磁化方向会转变成朝左，随即在椭圆形结构和纳米条带结构处形成一个“尾碰尾”的磁畴壁。并且可以使磁畴壁移动至磁畴壁缓冲区4。结果示意图如图3所示。

此实施例中施加的电压为单个脉冲电压或者连续脉冲电压。该磁畴壁写入单元可稳定、精确可控的进行单个磁畴壁的写入，并可进行多个磁畴壁的连续性写入。

本实施例所提出的写入单元结构可应用于赛道存储器的写入数据结构，依据具体应用而定相对应的磁畴壁写入单元结构，单元结构的尺寸不限。磁性层7所应用的材料多为具有磁致伸缩效应的铁磁性材料，可选自但不限于如下材料：坡莫合金(permalloy)，钴（co），钴铁硼(cofeb)，钇铁石榴石(yig)等。其作用是为磁畴壁的注入提供材料基础。

顶电极2层由两个电极组成，分布于磁致伸缩层的两侧，底电极形成于压电层1之下，其材料可选但不限于如下金属材料：金(au)、铂(pt)、铜(cu)、铝(al)、钽(ta)等。

压电层1的形状多为块状但不限于此，也可以为其他形状，能够完成本实用新型中所述功能即可。材料可选但不限于如下铁电材料：钛酸钡(bariumtitanate，batio3)、锆钛酸铅(leadzirconatetitanate又称为pzt，pb(zr1-xtix)o3)、三甘氨酸硫酸盐(tgs)、氧化锌(zno)、硫化锌(zns)、氮化铝(aln)等。压电层1的厚度可从纳米级到微米级，具体厚度视对调控单元器件的性能需求而定。

实施例二：

如图4所示，该实施例与上一实施例整体一致，区别在于磁畴壁生成区3为菱形。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。