一种基于单向磁电阻的双端式存储器及其制备、存储方法

本发明涉及信息存储和半导体领域，特别涉及一种基于单向磁电阻的双端式存储器，其制备方法和存储方法。

背景技术：

0、技术背景

1、随着大数据时代的到来，不仅要求信息存储密度不断提高，而且存储结构的简化和低功耗也被提上日程。相比起传统的三端式存储结构，双端式存储器的优点是其结构简单，易于实现。由于它可以同时从两端进行数据的读写操作，因此不需要复杂的控制逻辑。这使得双端式存储器在硬件实现上更为简单，降低了设计和制造的难度。

2、自旋电子学需要重点解决的问题仍然是寻求具有大的自旋霍尔角的材料来降低信息存储功耗，传统的重金属自旋霍尔角仍然很小，远不能满足实际应用的需求。近几年来，拓扑绝缘体被人们广泛研究，已有理论和实验都证明了其拓扑表面态的存在能使得自旋霍尔角远大于1，这能够极大程度的提高电流到自旋流的转换效率，降低存储功耗。但是普通的拓扑绝缘体层/铁磁层双层结构由于两种材料的直接接触，在界面处会发生近邻效应或者界面的融合，这将严重破坏拓扑表面态，降低自旋流的产生效率。因此间隔层的存在显得尤为重要，但是传统的间隔层通常选取非磁性的轻金属，因为其弱的自旋轨道耦合能够大幅增加自旋流的扩散长度，降低自旋耗散。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足和改进需求，本发明提供了一种无需磁场辅助的全电驱动的基于单向磁电阻的双端式存储器，其目的在于，能够大幅简化存储器的结构，降低制造成本和降低存储功耗。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面，提供了一种基于单向磁电阻的双端式存储器，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、间隔层、铁磁层和保护层；

3、其中，所述自旋流产生层用于产生对磁矩施加自旋轨道力矩和单向磁电阻的自旋流；所述的间隔层不仅可以起到隔离拓扑绝缘体和铁磁层从而保护拓扑表面态的作用，而且还可以通过电子掺杂引入强的rashba效应，进一步增强自旋流的产生效率；所述铁磁层磁矩方向在所述自旋流的作用下发生改变，用于存储数据；所述铁磁层磁矩与界面自旋累积相互作用产生单向磁电阻，用于信息读取；所述保护层可以防止器件进一步氧化。

4、进一步的，薄膜在沉积过程中在膜面内施加一个恒定磁场，将所述铁磁层诱导出确定的易磁化轴，磁场大小为200高斯至1000高斯之间。

5、进一步的，通过微纳加工将所述自旋流产生层的第一电极和第二电极加工成长条状。

6、进一步的，所述间隔层用来隔离拓扑绝缘体和铁磁层，同时界面修饰可以通过rashba效应增强自旋流的产生。

7、进一步的，所述铁磁层通过制备样品过程中的诱导各向异性或者形状各向异性使易轴固定在y方向(垂直于电流的方向)，因此自旋累积方向与磁矩平行或者反平行，破坏了对称性，可以实现无场翻转磁矩方向。

8、进一步的，在所述的铁磁层的表面镀上一层所述保护层，所述保护层为金属氧化物材料，厚度在2纳米至5纳米之间。

9、本发明第二方面，提供一种基于单向磁电阻的双端式存储器的制备方法，该双端式存储器具有多层薄膜结构，所述方法包括：

10、采用薄膜生长技术依次生长自旋流产生层、间隔层、铁磁层和保护层；

11、所述多层膜在沉积过程中在膜面内施加一个恒定磁场，将所述铁磁层诱导出确定的易磁化轴，磁场大小为200高斯至1000高斯之间；

12、采用微纳加工技术将所述自旋流产生层的膜面加工为长方形，将所述间隔层、所述铁磁层和所述保护层加工为椭圆形或者长方形；微纳加工过程中，将所述易磁化轴与所述椭圆或者长方形所对应的长轴或长边方向平行对齐；

13、其中，所述自旋流产生层的长度方向的两端分别为第一电极和第二电极。

14、本发明第三方面，提供一种基于单向磁电阻的双端式存储器的存储方法，在所述第一电极和所述第二电极之间施加预设大小的脉冲电流，使得所述铁磁层的磁矩状态发生变化，所述脉冲宽度在1纳秒至1毫秒之间。

15、可选的，在所述第一电极和所述第二电极之间施加预设一个频率为ω的交变电流，电流幅值为100微安至2毫安之间，读取存储器产生的频率为2ω的电压；

16、计算所述频率为2ω的电压和所述频率为ω的电流的比值，得到所述存储器的单向磁电阻。

17、本发明公开了一种基于单向磁电阻的双端式存储器及其制备方法和存储方法，该存储器具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、间隔层、铁磁层、保护层；其中自旋流层用于产生对磁矩施加自旋轨道力矩的自旋流；间隔层用于隔离和界面修饰，增强自旋流的产生和传输；铁磁层用于存储数据；保护层用于防氧化；自旋流产生层的两端分别设置为第一电极和第二电极，第一电极和第二电极间施加写电流，以写入信息；第一电极和第二电极之间施加读取电流，所述自旋流产生层界面产生自旋累积，与所述铁磁层的磁矩相互作用产生单向磁电阻，以读取信息。本发明有效地简化了信息存储方式，无需辅助磁场写入，具有功耗低，存储密度高，存储稳定的优势。

技术特征：

1.一种基于单向磁电阻的双端式存储器，其特征在于，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、间隔层、铁磁层、保护层；

2.根据权利要求1所述的一种基于单向磁电阻的双端式存储器，其特征在于，所述自旋流产生层为拓扑绝缘体材料，所述间隔层为重金属材料，所述铁磁层为铁磁性材料，所述保护层为金属氧化物材料。

3.根据权利要求2所述的一种基于单向磁电阻的双端式存储器，其特征在于，利用所述拓扑绝缘体的拓扑表面态，能够有较大的电流到自旋流的转换效率；所述间隔层能通过与所述拓扑绝缘体进行电子掺杂产生表面rashba效应进一步增强自旋流的产生效率；自旋流与所述铁磁层的磁矩相互作用产生自旋轨道力矩和单向磁电阻，自旋轨道力矩能够使磁矩方向发生变化，用于信息存储，单向磁电阻能够用来区分两种存储状态，用于信息读取。

4.根据权利要求2所述的一种基于单向磁电阻的双端式存储器，其特征在于，所述拓扑绝缘体材料为bi2se3、(bixsb1-x)2te3、bixsb1-x中的一种，厚度在6纳米至10纳米之间；所述间隔层为pt、ag、bi中的一种，厚度在3纳米至10纳米之间；所述铁磁层为feni、cofeb、co中的一种，厚度在2纳米至5纳米之间；所述保护层为taox、al2o3、tiox中的一种，厚度在2纳米至5纳米之间，用于防止器件在空气中的进一步氧化。

5.根据权利要求1所述的一种基于单向磁电阻的双端式存储器，其特征在于，所述间隔层、铁磁层、保护层为大小相同的椭圆或者长方形；椭圆或者长方形的长宽比大于等于5：1。

6.根据权利要求1所述的一种基于单向磁电阻的双端式存储器，其特征在于，所述铁磁层上沉积有保护层，所述保护层为金属氧化物材料，厚度在2纳米至5纳米之间。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的基于单向磁电阻的双端式存储器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

8.一种基于单向磁电阻的双端式存储器的存储方法，其特征在于，用于权利要求1至6中任一项的存储器，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述的存储方法，其特征在于，在所述存储器的第一电极和第二电极之间施加预设大小的脉冲电流，写入磁化信息；

技术总结本发明公开了一种基于单向磁电阻的双端式存储器及其制备、存储方法，该存储器具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、间隔层、铁磁层、保护层；其中自旋流产生层用于产生对磁矩施加自旋轨道力矩的自旋流；间隔层用于隔离和界面修饰，增强自旋流的产生和传输；铁磁层用于存储数据；保护层用于防氧化；自旋流产生层的两端分别设置为第一电极和第二电极，第一电极和第二电极间施加写电流，以写入数据；第一电极和第二电极之间施加读取电流，所述自旋流产生层界面产生自旋累积，与所述铁磁层的磁矩相互作用产生单向磁电阻，以读取数据。本发明有效地简化了信息存储方式，无需辅助磁场写入，具有功耗低，存储密度高，存储稳定的优势。技术研发人员：席力,张其,左亚路,崔宝山,贾成龙,陶琨,薛德胜受保护的技术使用者：兰州大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5