一种双信息载体赛道存储器件

本申请涉及赛道存储器件设计，特别是涉及一种双信息载体赛道存储器件。

背景技术：

1、随着ai算力时代的到来，芯片对存储器的性能和容量不断提出更高的要求。然而，传统的存储器面临着传统冯诺依曼体系下日益严重的“存储墙”问题和失效的摩尔定律导致的“能耗墙”两大问题，因此，新型存储技术迎来了发展契机。世界各国都在研究新的存储材料以及器件结构以满足当今信息社会对计算机庞大的计算需求和低功耗要求。目前，出现的新型存储器有相变存储器、阻变存储器、磁性存储器、赛道存储器等。其中，赛道存储器的结构灵活，与其他新型非易失存储器相比，具有更快的速度、更低的延迟、更低的功耗等优势。因此，赛道存储器研究成为近几年被广泛关注的前沿课题。

2、赛道存储中信息存储载体最初为单向磁畴。2013年，诺贝尔奖获得者a.fert验证了自旋极化电流能够驱动斯格明子在纳米条带中进行运动，并提出磁斯格明子可以替代磁畴作为存储单元用于赛道存储器。这一发现引发了国内外研究者对斯格明子的研究热潮。磁斯格明子是一种能够在具有dzyaloshinskii-moriya相互作用(dmi)的材料中稳定存在的非共线类粒子拓扑自旋结构，其横截面为手性磁畴壁结构。磁斯格明子的拓扑保护特性、低驱动电流阈值、小尺寸等独特优势使其成为赛道存储器的一种理想载体。

3、斯格明子应用于赛道存储方面的研究，主要是利用斯格明子的存在与否对应二进制信息“0”和“1”，在读取时根据斯格明子之间的间距进行信息的读取判断。但是斯格明子之间的距离受到杂质和缺陷等影响，其间距容易发生变化，从而斯格明子串输运到读取端后，数据读取发生错误。

4、另外，存储器的能耗问题一直是应用推广需要重点考虑的问题。因此，探索能耗低、高效的、稳定的斯格明子调控方式，开发快速、大容量、低功耗的斯格明子赛道存储器具有重要意义，为其市场应用提供一种极具潜力的技术途径。

5、2020年《multibit racetrack memory(多比特位赛道存储器)》(nanotechnology31,495209)提出了在同一赛道存储器内采用畴壁和斯格明子的混合使用进行数据的写入和输运。在赛道的写头施加cpp电流，能够将磁畴壁结构转换为斯格明子，分别利用+z方向的磁畴、-z方向的磁畴和斯格明子代表数据位“0”“1”“2”。这项工作能够实现三个状态的赛道存储，提高存储的容量，但是，该器件的cpp转换电流达到了1013am-2，较大的电流密度产生的功耗过大，而且容易产生较大的焦耳热，导致器件的击穿。

6、2023年《all-electrical 9-bit skyrmion-based racetrack memory designedwith laser irradiation(基于激光照射的全电9bit斯格明子赛道存储设计)》(nanoletter 23,9482-9490)在实验中展示了用激光照射局部改变铁磁薄膜中各向异性，从而实现了斯格明子的定点成核，实现了斯格明子成核位置的可控性，利用了斯格明子的是否存在代表了二进制数“0”“1”，实现了一个9bit数据的连续性输入。但是该器件中斯格明子的输运采用是的人工精准位移，并没有考虑到斯格明子间隔因外界因素的影响发生变化后带来的读取误差。

7、因此，目前基于斯格明子的赛道存储研究存在的问题：一是斯格明子信息载体的定点写入；二是开发低功耗的斯格明子调控手段；三是排除斯格明子之间的间距变化给读取来的误差。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种双信息载体赛道存储器件，解决赛道存储中低功耗调控和抗干扰的问题，为其进行市场应用提供一种极具潜力的技术途径。

2、一种双信息载体赛道存储器件，由人工反铁磁条带和圆形异质结组成，且圆形异质结生长于人工反铁磁条带的一侧；

3、人工反铁磁条带从下至上依次包括：重金属层、底部铁磁层、中间非磁间隔层和顶部铁磁层；

4、圆形异质结从下至上依次包括：圆形非磁间隔层、圆形铁磁层、圆形绝缘层和圆形电极；

5、圆形异质结为赛道存储器件的写入端；其中，由于圆形异质结中圆形铁磁层与人工反铁磁条带中顶部铁磁层之间的层间耦合作用，在+z方向的磁化状态下，人工反铁磁条带中圆形异质结的下方会产生人工反铁磁斯格明子环结构；在圆形异质结上施加电压，根据vcma效应，人工反铁磁斯格明子环结构会转化为人工反铁磁斯格明子结构；

6、写入端写入不同的信息载体后，在人工反铁磁条带的重金属层通入自旋极化电流，自旋极化电流产生的自旋轨道矩驱动信息载体输运到人工反铁磁条带另一侧的读取端，用于数据读取。

7、本发明具有以下有益效果：

8、1、本发明中信息载体的写入依赖于低功耗的电场调控方式，避免了电流激励调控带来的较大能耗。

9、2、本发明能够完全在片上集成，与现有集成工艺兼容。

10、3、本发明中人工反铁磁斯格明子环和人工反铁磁斯格明子的运动速度基本一致。

11、4、本发明相比之前的斯格明子赛道存储结构设计，采用双信息载体分别代表二进制数据“0”和“1”，避免了传统的斯格明子赛道存储器件结构中外界干扰导致的斯格明子之间间距变化带来的读取错误。

技术特征：

1.一种双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述赛道存储器件由人工反铁磁条带和圆形异质结组成，且圆形异质结生长于人工反铁磁条带的一侧；

2.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述圆形异质结的尺寸小于人工反铁磁条带的宽度。

3.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述圆形异质结与人工反铁磁条带一侧的距离不小于所述圆形异质结的尺寸。

4.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述圆形异质结与所述写入端的距离大于所述圆形异质结的两倍尺寸，且小于人工反铁磁条带的长度与所述圆形异质结的两倍尺寸的差值。

5.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述人工反铁磁条带的宽度为70nm～200nm；所述圆形异质结的尺寸为60nm～120nm。

6.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述人工反铁磁条带的长度为500nm-2μm。

7.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述底部铁磁层、顶部铁磁层以及圆形铁磁层均为磁性薄膜材料，且均具有垂直磁各向异性；

8.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述圆形铁磁层的厚度为0.5-2nm。

9.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述圆形绝缘层的厚度为2-6nm。

10.根据权利要求1所述的双信息载体赛道存储器件，其特征在于，所述非磁金属薄膜材料的厚度为0.5-2nm。

技术总结本申请涉及一种双信息载体赛道存储器件。所述赛道存储器件由人工反铁磁条带和圆形异质结组成，且圆形异质结生长于条带的一侧；人工反铁磁条带包括：重金属层、底部铁磁层、中间非磁间隔层和顶部铁磁层；圆形异质结包括：圆形非磁间隔层、圆形铁磁层、圆形绝缘层和圆形电极；圆形异质结为赛道存储器件的写入端，在+Z方向的磁化状态下，人工反铁磁条带中圆形异质结的下方会产生人工反铁磁斯格环结构；在圆形异质结上施加电压，人工反铁磁斯格明子环结构会转化为人工反铁磁斯格明子结构；写入端写入不同的信息载体后，在人工反铁磁条带的重金属层通入自旋极化电流，电流产生的自旋轨道矩驱动信息载体输运到条带另一侧的读取端，用于数据读取。技术研发人员：邱珊,刘嘉豪受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29