本发明涉及一种电场非易失性调控隧道磁电阻的信息存储器件，属于信息存储技术领域。
背景技术：
磁性随机存储器是一种具有高存储密度、快速读写、非易失性等优势的存储器件，其核心存储单元是磁性隧道结。磁性随机存储器信息写入的基本工作原理是通过旋转铁磁自由层的磁矩来改变铁磁自由层和铁磁钉扎层磁化状态的相互取向，从而在磁性隧道结中产生高、底两种隧道磁电阻状态来实现信息存储。目前，磁性随机存储器的信息写入利用磁场或者自旋转移力矩，这需要大的电流密度，因而写入功耗较大。用电场调控磁性和隧道磁电阻来实现对信息的写入可以有效地降低功耗，具有很大的潜在应用前景。现今电场对隧道磁电阻的调控存在着低温、需要磁场辅助、易失性等问题。
为了克服低温、需要磁场辅助、易失性的缺点，提出了一种在铁电衬底上生长磁性隧道结的结构，基于应变媒介磁电耦合效应，利用电场旋转铁磁自由层的磁矩来进行写入操作，不需要外加磁场辅助，从而实现了室温和零磁场下电场对隧道磁电阻的非易失性调控，同时可以减小功耗。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种电场非易失性调控隧道磁电阻的信息存储器件，其特征在于，所述电场非易失性调控隧道磁电阻的信息存储器件具有多层复合薄膜结构，所述多层复合薄膜结构由底电极层、铁电层、种子层、反铁磁层、铁磁钉扎层、非磁性势垒层、铁磁自由层、保护层和顶电极层依次叠加形成；具体是所述铁电层形成在底电极层之上；所述种子层形成在铁电层之上；所述反铁磁层形成在种子层之上，用于通过界面耦合对铁磁钉扎层产生钉扎作用；所述铁磁钉扎层形成在反铁磁层之上，其磁矩被反铁磁层钉扎而固定；所述非磁性势垒层形成在铁磁钉扎层之上；所述铁磁自由层形成在非磁性势垒层之上；所述保护层形成在铁磁自由层之上，以保护所述铁磁自由层不被氧化；所述顶电极层形成在所述保护层之上。
所述铁磁钉扎层、非磁性势垒层和铁磁自由层构成具有隧道磁电阻的磁性隧道结三明治结构。
所述底电极层和种子层分别作为铁电层的正负电极，对铁电层施加电场，其电场方向垂直于铁电层；铁电层在电场作用下通过磁电耦合效应旋转铁磁自由层的磁矩取向,以使得磁性隧道结的隧道磁电阻发生非易失性调控。
所述种子层和顶电极层作为磁性隧道结的电极以测量隧道磁电阻。
所述铁电层在室温下，在正负不对称电场的作用下能够产生非易失性应变。
本发明有益效果是本信息存储器件是将磁性隧道结生长在铁电层上，利用磁电耦合效应以实现室温和零磁场下电场对隧道磁电阻的非易失性调控；克服了现有的电场对隧道磁电阻的调控存在着低温、需要磁场辅助、易失性等问题，本发明室温操作，不需要外加磁场辅助，非易失性，低功耗。
附图说明
图1是电场非易失性调控隧道磁电阻的信息存储器件的结构示意图。
图2是铁电层的非易失性应变曲线。
图3是在不同电场下隧道磁电阻曲线的调控行为。
图4是在室温零磁场下隧道磁电阻随电场的变化。
图5是在室温零磁场下脉冲电场对隧道磁电阻高、低阻态的非易失性调控。
图6是电场非易失性调控隧道磁电阻的工作原理示意图。
附图标记说明：1-底电极层，2-铁电层，3-种子层，4-反铁磁层，5-铁磁钉扎层，6-非磁性势垒层，7-铁磁自由层，8-保护层，9-顶电极层。
具体实施方式
本发明提出的一种电场非易失性调控隧道磁电阻的信息存储器件，其结构如图1所示，由底电极层1、铁电层2、种子层3、反铁磁层4、铁磁钉扎层5、非磁性势垒层6、铁磁自由层7、保护层8和顶电极层9依次叠加形成的多层复合薄膜结构。
底电极层1和种子层3分别作为铁电层2的正负电极，对其施加电场，其中所述电场方向垂直于铁电层2。反铁磁层4和铁磁钉扎层5通过界面耦合产生的交换偏置效应对铁磁钉扎层5产生顶扎作用，从而使铁磁钉扎层5的磁矩在零磁场下固定，不能被电场旋转。铁磁钉扎层5、非磁性势垒层6和铁磁自由层7构成具有隧道磁电阻的磁性隧道结三明治结构。保护层8用来保护铁磁自由层7不被氧化。种子层3和顶电极层9作为磁性隧道结的电极以测量隧道磁电阻。铁电层4在所述电场作用下能够产生非易失性应变，应变传递到其上的磁性隧道结，通过磁电耦合效应旋转铁磁自由层7的磁矩取向以使得所述磁性隧道结的隧道磁电阻发生非易失性调控。
本发明提出的电场非易失性调控隧道磁电阻的信息存储器件，其制备过程可以采用磁控溅射法，包括以下各步骤：
(1)购买成分为30％的铌镁酸铅钛酸铅(以下简称pmn-pt)的晶体，并加工成一个铁电层2，使铁电层的尺寸为长(沿[100]方向)×宽(沿[01-1]方向)×厚(沿[011]方向)等于10×10×0.5毫米3，并可以根据实际需要合理改变。然后进行单面(011)面抛光，要求粗糙度小于1纳米。
(2)采用磁控溅射方法，在铁电基底的未抛光表面上溅射300纳米金层(au)作为底电极。
(3)采用磁控溅射方法，在铁电基底的抛光表面上依次溅射种子层3、反铁磁层4、铁磁钉扎层5、非磁性势垒层6、铁磁自由层7和保护层8。反铁磁层4选用铱锰合金(ir20mn80)和人工反铁磁结构，铁磁钉扎层5和铁磁自由层7选用铁磁金属钴铁硼合金(co40fe40b20)，非磁性势垒层6选用氧化镁(mgo)。磁控溅射的工艺参数为：在室温下使用超高真空系统，将背底真空抽至10-6pa，生长过程中沿pmn-pt的[100]晶向有一约100奥斯特的磁场以确定反铁磁层的钉扎方向。
(4)生长后的样品用退火炉在真空有磁场环境下退火以使非磁性势垒层6结晶提高隧道磁电阻。退火过程中磁场为8000奥斯特，磁场方向与样品生长过程中所加磁场方向一致，沿着pmn-pt的[100]晶向。退火温度为360摄氏度，退火时间为1小时。
(5)退火后的样品通过光刻技术将磁性隧道结微加工为10微米直径的圆形结构，之后用磁控溅射方法生长顶电极9。
实施例1，
制备具有电场非易失性调控隧道磁电阻功能的多铁复合结构，如图1所示。
购买成分为30％的铌镁酸铅钛酸铅晶体，将晶体加工成一个铁电层2，使铁电层基底的尺寸为长(沿[100]方向)×宽(沿[01-1]方向)×厚(沿[011]方向)等于10×10×0.5毫米3。然后进行单面(011)面抛光，要求粗糙度小于1纳米。采用磁控溅射方法，在铁电基底的未抛光表面溅射300纳米金层(au)作为底电极层1。如图2所示，在8千伏/厘米和-1.6千伏/厘米的电场下，[011]取向的pmn-pt铁电层应变曲线呈现非易失性，在零电场下有两种应变状态。各层材料选择如下：
种子层3使用但不仅限于采用5纳米钽(ta)和5纳米钌(ru)。
反铁磁层4优选但不仅限于采用铱锰合金(ir20mn80)和人工反铁磁结构钴铁/钌/钴铁硼(co70fe30/ru/co40fe40b20)。
铁磁钉扎层5和铁磁自由层7采用铁磁金属钴铁硼合金(co40fe40b20)，其厚度都为2.6纳米，
非磁性势垒层6优选但不仅限于采用氧化镁(mgo)，其厚度为2.3纳米。
保护层8采用5纳米钽(ta)和7纳米钌(ru)。
经过微加工，顶电极层9采用10纳米钛(ti)和60纳米金(au)。
实施例2，
测量上述制备的多铁复合结构的电场调控隧道磁电阻性能：将上述制备完好的样品利用北京东方晨景科技有限公司的em3电磁铁系统测量其输运性质，所有测量均在室温环境下进行。如图3所示的隧道磁电阻曲线表明，在施加8千伏/厘米电场后的+0千伏/厘米和施加-1.6千伏/厘米后的-0千伏/厘米下具有明显不同的行为，其隧道磁电阻高达235％。如图3箭头所示，在零磁场下，在0千伏/厘米时有两种不同的隧道磁电阻状态，这说明这是一种零磁场下电场对隧道磁电阻的非易失性调控，其对隧道磁电阻的调控可达约108％。
如图4所示，在零磁场下，当电场扫描一周，即从0千伏/厘米逐渐变到8千伏/厘米，再逐渐减小到0千伏/厘米，然后反向增大到-1.6千伏/厘米，然后再逐渐减小至0千伏/厘米时，发现隧道磁电阻呈现回滞特征，在零电场下有两种隧道磁电阻状态，表现为电场对隧道磁电阻调控的非易失性。
在零磁场下，通过使用电场强度为8千伏/厘米和-1.6千伏/厘米的正、负脉冲电场可以实现对隧道磁电阻明显的高、低阻态的调控行为，如图5所示，这对于实际应用具有重大意义。
实施例3，
图6所示是电场非易失性调控隧道磁电阻的工作原理示意图。图6中，施加-1.6千伏/厘米的脉冲电场后，其产生的应变在-0千伏/厘米时能够使铁磁自由层7的磁矩旋转，从而可以使磁性隧道结中铁磁自由层7和铁磁钉扎层5的磁矩相对取向从反平行态调控到垂直态，因而形成低阻态；而施加8千伏/厘米的脉冲电场后，在+0千伏/厘米时铁磁自由层7的磁矩能够重新旋转回到初始态，从而可以使磁性隧道结中铁磁自由层7和铁磁钉扎层5的磁矩相对取向从垂直态调控到反平行态，形成高阻态。因此，施加8千伏/厘米和-1.6千伏/厘米的正、负脉冲电场可以使铁磁自由层7和铁磁钉扎层5的磁矩相对取向在反平行态和垂直态之间往复调控，从而实现室温、零磁场下电场对隧道磁电阻的非易失性调控。