一种基于非共线反铁磁材料的磁性存储器

本发明涉及自旋电子学领域，具体涉及一种基于非共线反铁磁材料的磁性存储器。

背景技术：

1、磁性存储器是具有大规模产业化前景的新一代非易失性存储器之一，其在可穿戴设备等智能终端展现出广阔的应用场景，磁性存储器芯片已成为集成电路产业链中重要一环。其中，磁性随机存储器(mram)兼容高速读写能力和高集成度，具有无限次擦写、非易失性、寿命长、低功耗、抗辐射等优点。

2、新型自旋轨道力矩型磁随机存储器(sot-mram)基于自旋霍尔效应(she)，通过电荷流诱导自旋流或界面自旋积累注入到相邻的磁性层产生自旋力矩，实现对磁性层磁矩的调控进而实现信息写入，既保持了mram高写入速度和低功耗等优异特性，又实现了读写路径的分离，更有利于提高器件的抗击穿和长寿命等性能；基于自旋轨道力矩的磁性器件也可以用于数据处理，实现存算一体，对未来信息技术的发展表现出极其重要的科学研究价值和应用前景。当前，如何高效利用自旋轨道力矩效应(sot)，进一步实现低功耗全电学信息写入是自旋电子学领域的一个重要前沿研究课题。

3、传统的自旋轨道力矩研究结构对象为非磁性材料/磁性材料异质结，其中非磁性材料作为自旋源层，通过电荷流-自旋流转换产生和提供自旋流，常见的非磁性材料主要有重金属，如pt、β-ta和β-w等。但在重金属为自旋源的体系中，常规的自旋霍尔效应要求电荷流、自旋流和自旋极化方向互相垂直，因此在驱动垂直磁矩翻转时需施加面内辅助磁场来打破体系对称性，这增加了额外功耗并使器件体积较大，不利于实际应用。为此，迫切需要探索适于sot-mram的高效率驱动垂直磁矩翻转以实现信息写入的新物理机制，研究适于低功耗全电学可控磁矩翻转的自旋电子材料体系。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于非共线反铁磁材料的磁性存储器。可实现无外场辅助下的全电流驱动磁矩翻转，降低了临界翻转电流密度，并降低了sot-mram器件运行过程中的功耗。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，包括：非共线反铁磁层以及设置在所述非共线反铁磁层之上的磁性隧道结，其中，非共线反铁磁层由一种特定晶面取向的非共线反铁磁材料构成，在非共线反铁磁层表面由下至上层叠设置有：

3、自由层；

4、非磁性势垒层；

5、固定层；

6、其中自由层以及固定层设置在非磁性势垒层上下，且具备面外磁各向异性。

7、在一种优选的实施方案中，非共线反铁磁层为自旋源层；

8、当所述自旋源层通入电荷流时，可以产生自旋极化方向为z方向的自旋流，自旋流注入到自由层时，其诱导产生抗阻尼力矩可以驱动自由层的磁矩发生确定性翻转。

9、在一种优选的实施方案中，所述非共线反铁磁层的材料，包括mn3sn、mn3ge、mn3ga中的一种；

10、在一种优选的实施方案中，所述非共线反铁磁层材料的晶面取向，包括(0001)mn3sn、(0001)mn3ge、(0001)mn3ga中的任意一种。

11、在一种优选的实施方案中，所述磁隧道结固定层的材料，包括co70fe30、co75fe25、co20fe60b20、co40fe40b20中的任意一种。

12、在一种优选的实施方案中，所述磁隧道结非磁性势垒层的材料，包括氧化物、氮氧化物、金属、sic中的任意一种。

13、在一种优选的实施方案中，所述磁隧道结自由层的材料，包括co70fe30、co75fe25、co20fe60b20、co40fe40b20、cotb、(co/ni)n、(co/pd)m中的任意一种，其中n、m是指多层堆叠的重复次数。

14、在一种优选的实施方案中，所述磁隧道结为圆柱或椭圆柱。

15、本发明的优点：首先，本发明基于非共线反铁磁层作为自旋源层，在自旋源层通入电流时可以产生自旋极化方向为z方向的自旋流，其注入到自由层后产生的抗阻尼力矩能够无需外加面内辅助磁场就高效驱动自由层的垂直磁矩发生确定性翻转。其次，本发明自旋源层材料不同于传统的自旋轨道耦合材料，其具有比重金属更大的电荷流--自旋流转换效率、更好的电导特性、丰富的拓扑结构，能够产生非传统的自旋轨道力矩来高效驱动垂直磁矩翻转，这将极大降低临界翻转电流密度，降低器件运行过程中的功耗，更有利于实现超高密度、超低功耗信息存储。

技术特征：

1.一种基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，其特征在于，所述非共线反铁磁层为自旋源层；

3.根据权利要求1所述的基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，其特征在于，所述非共线反铁磁层可以由以下材料中的至少一种得到，包括：mn3sn、mn3ge、mn3ga，所述非共线反铁磁层材料的晶面取向至少包括以下一种：(0001)mn3sn、(0001)mn3ge、(0001)mn3ga。

4.根据权利要求1所述的基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，其特征在于，所述磁隧道结的固定层可以由以下材料中的至少一种得到，包括：co70fe30、co75fe25、co20fe60b20、co40fe40b20。

5.根据权利要求1所述的基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，其特征在于，所述磁隧道结的非磁性势垒层可以由以下材料中的至少一种得到，包括：氧化物、氮氧化物、金属、sic。

6.根据权利要求1所述的基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，其特征在于，所述磁隧道结的自由层可以由以下材料中的至少一种得到，包括：co70fe30、co75fe25、co20fe60b20、co40fe40b20、cotb、(co/ni)n、(co/pd)m，其中n、m是指多层堆叠的重复次数。

7.根据权利要求1所述的基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，其特征在于，所述磁隧道结为圆柱或椭圆柱。

技术总结本发明提供了一种基于非共线反铁磁材料的磁性存储器，所述磁性存储器包括：非共线反铁磁层以及设置在所述非共线反铁磁层之上的磁隧道结，其中，隧道结包括：自由层，非磁性势垒层，固定层，自由层以及固定层设置在非磁性势垒层上下，且具备面外磁各向异性；非共线反铁磁层由一种特定晶面取向的Mn<subgt;3</subgt;X(Sn、Ge、Ga)材料构成，当所述非共线反铁磁层通入电流时，可以产生自旋极化方向为z方向的自旋流，当自旋流注入自由层后产生的抗阻尼力矩可以在无面内辅助磁场下驱动自由层的垂直磁矩发生确定性翻转，这与传统的基于自旋轨道力矩的磁性存储器不同，并且所需要的临界翻转电流密度更小，极大降低了器件运行过程中的功耗，更有利于实现超高密度、超低功耗信息存储。技术研发人员：梁世恒,程冲,陈是位,李佩芝,周巷庆,任传童,王子傲受保护的技术使用者：湖北大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15