磁化翻转的磁电耦合器件、存储单元、存储阵列及存储器

本发明涉及自旋电子学技术领域，更具体的，涉及一种磁化翻转的磁电耦合器件、存储单元、存储阵列及存储器。

背景技术：

随着晶体管尺寸的不断降低，cmos工艺越来越接近其物理极限，摩尔定律逐渐走向终结。为了延续摩尔定律，一种超越cmos的基于自旋的逻辑器件被提出并引起人们的广泛关注。与传统cmos技术不同，该技术以电子自旋作为状态变量，将信息按照磁化矢量方向编码，具有结构简单、集成密度高、体积小且可持续缩小等优点。

本发明巧妙地利用磁电耦合效应(magnetoelectric，me)实现电场对铁磁材料磁化矢量方向的调控，与自旋轨道转矩效应(spin-orbittorque，sot)的电流操控方式相比，电场操控方式几乎不存在电荷电流，其热耗散降低了四个数量级以上，可以实现超低功耗运算。磁电耦合效应可以通过不同方式实现，包括电压诱导应力转移，电压控制界面自旋极化电荷密度，电压控制界面交换耦合作用，和电压控制界面电化学反应等。其中电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移具有功耗低、翻转速率高、热稳定性高等优势，在新型自旋器件(如自旋逻辑器件、电学写入磁存储器件等)中最具应用前景。

电压控制界面交换耦合作用一般在多铁/铁磁异质结构中实现，目前常用的多铁材料为铁酸铋(bifeo3，bfo)。对异质结构施加垂直电场，会引起多铁材料中铁电极化翻转，进而引起其磁属性的变化，通过界面交换耦合作用实现对上层铁磁材料磁化矢量方向的翻转。电压诱导应力转移一般在压电/铁磁异质结构中实现，目前常用的压电材料有pmn-pt、pzt等。施加外电场时由于逆压电效应产生压电材料层的结构形变，通过界面应力作用于铁磁层引起其晶格扭曲，从而改变铁磁层的磁晶各向异性，最终实现磁化矢量的翻转。

在实际应用中，为了完成信息的有效控制和读出，往往要求铁磁层在电场控制下实现确定性180°磁化翻转。然而实验结果表明，基于多畴bfo电极化翻转的磁化控制可重复性较低，容易出现铁电疲劳和磁化翻转失效。单畴bfo的90°电极化翻转可以有效避免铁电疲劳，提高调控可重复性，但无法实现180°磁化翻转。另一方面，电压诱导应力转移的调控方法可重复性高，但单纯使用该方法也无法实现确定性180°磁化翻转。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种高性能磁电调控方式，将电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移作用相结合，可以实现无外磁场条件下电场控制的非易失、高可重复性、确定性的180°磁化翻转，为新型自旋器件的开发提供了一种新的方法。

本发明第一方面实施方式提供一种磁化翻转的磁电耦合器件，包括：

压电材料层，包括压电耦合系数高于设定阈值的压电材料；

多铁材料层；以及

电极控制模块，通过第一电场控制所述压电材料层的电极化翻转，通过第二电场控制所述多铁材料层的电极化翻转。

在优选的实施例中，所述电极控制模块，包括：

底端电极，设于所述压电材料层远离所述多铁材料层的一侧；

导电氧化物层，位于所述压电材料层和所述多铁材料层之间；以及

磁性单元，位于所述多铁材料层远离所述压电材料层的一侧；

其中，所述底端电极与所述导电氧化物层外接一第一电源，进而形成所述第一电场；所述导电氧化物层与所述磁性单元外接一第二电源，进而形成所述第二电场。

在优选的实施例中，所述磁性单元包括铁磁材料，并呈圆柱状。

在优选的实施例中，所述磁性单元包括：

相对设置的一对金属条状电极；所述第二电源与其中一个金属条状电极耦接；

设于所述一对金属条状电极之间并逐层设置的gmr器件，所述gmr器件的一端端部与所述多铁材料层贴合。

在优选的实施例中，所述gmr器件包括：

金属层；

铁磁参考层，位于所述金属层下侧；

铁磁自由层，位于所述铁磁参考层下侧；以及

非磁金属隔离层，位于所述铁磁金属层和所述铁磁自由层之间；其中所述铁磁自由层与所述多铁材料层贴合。

在优选的实施例中，所述磁性单元包括：

铁磁自由层，与所述多铁材料层贴合；

自旋轨道耦合层，位于所述铁磁自由层上侧的一端边沿；

第一金属层，与所述自旋轨道耦合层同层并相对设置；以及

第二金属层，所述第二金属层位于所述自旋轨道耦合层上方，并包括多个分支部，每个分支部的其中一部分下表面与所述自旋轨道耦合层的上表面贴合，另一部分下表面延伸出所述自旋轨道耦合层外侧，并且其中一个分支部与所述第一金属层通过一第三电源耦接。

在优选的实施例中，所述分支部包括三个，该三个分支部形成t型结构，所述t型结构的头端端面与所述自旋轨道耦合层的一端端面齐平。

本发明第二方面实施例提供一种自旋随机存取存储器单元，包括：

如上所述的磁化翻转的磁电耦合器件。

本发明第三方面实施例提供一种磁阻式随机存取存储器单元阵列，包括多个阵列排布的自旋随机存取存储器单元，每个自旋随机存取存储器单元包括：

如上所述的磁化翻转的磁电耦合器件。

本发明第四方面实施例提供一种自旋随机存取存储器，包括多个磁阻式随机存取存储器单元阵列，每个磁阻式随机存取存储器单元阵列包括多个阵列排布的自旋随机存取存储器单元，每个自旋随机存取存储器单元包括：

如上所述的磁化翻转的磁电耦合器件。

本发明的有益效果：

本发明提供一种磁化翻转的磁电耦合器件、存储单元、存储阵列及存储器，包括：压电材料层，包括压电耦合系数高于设定阈值的压电材料；多铁材料层；以及电极控制模块，通过第一电场控制所述压电材料层的电极化翻转，通过第二电场控制所述多铁材料层的电极化翻转。本发明将电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移作用相结合，可以实现无外磁场条件下电场控制的非易失、高可重复性、确定性的180°磁化翻转，可以通过纯电学方式实现极低功耗的非易失、高可重复性、确定性180°磁化翻转。该器件可与多种自旋电子器件相结合，构成磁电巨磁阻器件(me-gmr)、磁电自旋轨道耦合逻辑器件(meso)等新型自旋电子器件，且大大提高了器件性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明实施例中确定性180°磁矩翻转示意图；

图2示出了本发明提供的磁化翻转的磁电耦合器件的结构示意图之一；

图3示出了本发明提供的磁化翻转的磁电耦合器件的结构示意图之二；

图4示出了本发明提供的磁化翻转的磁电耦合器件的结构示意图之三。

附图标记：

21、31、41：压电材料层

22、32、42：导电氧化物层

23、33、43：多铁材料层

24、38、44：铁磁自由层

36：铁磁参考层

38：非磁金属隔离层

45：自旋轨道耦合层

34、35、46：顶端电极

20、30、40：底端电极

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实施例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

而且，为便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)原件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地做出相应的解释。

本发明提出了电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移相结合的磁电调控方式。在交换耦合辅助应力调控确定性180°磁化翻转结构具体实例中，通过电压调控压电层与多铁层的电极化方向，实现了电场控制的高可重复性、确定性180°磁化翻转；在me-gmr器件与meso器件具体实例中，通过在不同自旋器件中的应用，展示了本发明广泛的适用范围。

参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸,功能区之间距离非实际值，工作模式中的电流及电压值也非实际值。

为了解决上述问题，本发明提出了一种高性能磁电调控方式，将电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移作用相结合，可以实现无外磁场条件下电场控制的非易失、高可重复性、确定性的180°磁化翻转，为新型自旋器件的开发提供了一种新的方法。

本发明第一方面实施方式提供一种磁化翻转的磁电耦合器件，如图2所示，包括：压电材料层，包括压电耦合系数高于设定阈值的压电材料；多铁材料层；以及电极控制模块，通过第一电场控制所述压电材料层的电极化翻转，通过第二电场控制所述多铁材料层的电极化翻转。

本领域技术人员明了，多铁性材料(multiferroics)是指材料中包含两种及两种以上铁的基本性能，这些铁的基本性能包括铁电性(反铁电性)，铁磁性(反铁磁性、亚铁磁性)和铁弹性。

本发明提供一种磁化翻转的磁电耦合器件，将电压控制界面交换耦合作用与电压诱导应力转移作用相结合，可以实现无外磁场条件下电场控制的非易失、高可重复性、确定性的180°磁化翻转，可以通过纯电学方式实现极低功耗的非易失、高可重复性、确定性180°磁化翻转。该器件可与多种自旋电子器件相结合，构成磁电巨磁阻器件(me-gmr)、磁电自旋轨道耦合逻辑器件(meso)等新型自旋电子器件，且大大提高了器件性能。

在优选的实施例中，所述电极控制模块，包括：底端电极，设于所述压电材料层远离所述多铁材料层的一侧；导电氧化物层，位于所述压电材料层和所述多铁材料层之间；以及磁性单元，位于所述多铁材料层远离所述压电材料层的一侧；其中，所述底端电极与所述导电氧化物层外接一第一电源，进而形成所述第一电场；所述导电氧化物层与所述磁性单元外接一第二电源，进而形成所述第二电场。

具体的，本发明中的磁性单元包括多种形式，如下所示。

在优选的实施例中，如图2所示，所述磁性单元包括铁磁材料，并呈圆柱状。

该实施例中，20为普通金属组成的底端电极，如金(au)；21为压电材料层，如pmn-pt；22为导电氧化物层，如锰酸锶镧(lsmo)；23为多铁层，如单畴铁酸铋(bfo)；24为铁磁自由层，如钴铁(cofe)。21压电材料层和23多铁层分别由两个独立电源控制，22导电氧化物层作为共地端，21压电材料层受到如图2所示电场作用时由于逆压电效应，会产生一定的张应力，足够的张应力传播到铁磁自由层后可以引起磁化易轴发生90°翻转，磁化矢量在初始交换偏置场作用下顺时针翻转90°；23多铁层受到如图2所示正向电场作用时，电极化方向向电场方向翻转引起磁属性变化，进而使交换偏置场顺时针翻转90°，去除该电压后交换偏置场保持不变。此时去除压电材料层电压，磁化易轴回到初始态，而磁化矢量会在交换偏置场作用下继续顺时针翻转90°，完成确定性180°磁化翻转，该过程如图1所示。由于该过程对于压电材料层与多铁层而言均只涉及90°翻转，因此具有很高的可重复性，解决了传统磁电耦合器件180°磁化翻转可重复性低的问题，具有良好的应用前景。

可以理解，本发明的多铁层即为多铁材料层，在此不做赘述。

进一步的，在优选的实施例中，如图3所示，所述磁性单元包括：相对设置的一对金属条状电极；所述第二电源与其中一个金属条状电极耦接；设于所述一对金属条状电极之间并逐层设置的gmr器件，所述gmr器件的一端端部与所述多铁材料层贴合。

更具体的，在优选的实施例中，所述gmr器件包括：金属层；铁磁参考层，位于所述金属层下侧；铁磁自由层，位于所述铁磁参考层下侧；以及非磁金属隔离层，位于所述铁磁金属层和所述铁磁自由层之间；其中所述铁磁自由层与所述多铁材料层贴合。

该实施例中，30为普通金属组成的底端电极，如金(au)；31为压电材料层，如pmn-pt；32为导电氧化物层，如锰酸锶镧(lsmo)；33为多铁层，如单畴铁酸铋(bfo)；34和35为普通金属组成的顶端电极(即34和35为上述的一对金属条状电极)，如金(au)；36为铁磁参考层，如钴铁(cofe)；37为非磁金属隔离层，如铜(cu)；38为铁磁自由层，如钴铁(cofe)。该结构由gmr读出部分和本发明所述me写入部分组成，35，36，37和38为典型gmr结构，通过控制31压电材料层与33多铁层的外加电场，经过如图1所示过程，可以实现对铁磁自由层的确定性180°磁化翻转，进而控制gmr结构中两层铁磁层平行或反平行状态，完成信息的写入，通过对gmr的面内电流隧穿磁阻(current-in-planetunneling，cipt)测量可以实现信息读出。

在优选的实施例中，所述磁性单元包括：铁磁自由层，与所述多铁材料层贴合；自旋轨道耦合层，位于所述铁磁自由层上侧的一端边沿；第一金属层，与所述自旋轨道耦合层同层并相对设置；以及第二金属层，所述第二金属层位于所述自旋轨道耦合层上方，并包括多个分支部，每个分支部的其中一部分下表面与所述自旋轨道耦合层的上表面贴合，另一部分下表面延伸出所述自旋轨道耦合层外侧，并且其中一个分支部与所述第一金属层通过一第三电源耦接。

在优选的实施例中，所述分支部包括三个，该三个分支部形成t型结构，所述t型结构的头端端面与所述自旋轨道耦合层的一端端面齐平。

具体的，图4为meso器件结构示意图。40为普通金属组成的底端电极；41为压电材料层，如pmn-pt；42为导电氧化物层，如锰酸锶镧(lsmo)；43为多铁层，如单畴铁酸铋(bfo)；44为铁磁自由层，如钴铁(cofe)；45为自旋轨道耦合层，如铂(pt)；46为普通金属组成的顶端电极，如金(au)。该结构由自旋轨道耦合读出部分和本发明所述me写入部分组成。通过控制41压电材料层与43多铁层的外加电场，经过如图1所示过程，可以实现对铁磁自由层的确定性180°磁化翻转，完成信息写入，去除外加电场稳定后在46顶端电极上通过如图4所示电流，该电流流过44铁磁自由层后转变为自旋极化电流，极化方向由铁磁自由层磁化矢量方向决定，该自旋极化电流流过45自旋轨道耦合层后由于逆自旋霍尔效应产生正交的电荷电流，电荷电流方向取决于自旋极化电流的极化方向，44铁磁自由层磁化翻转180°可以引起输出电流正负极性翻转，通过测量如图4所示电压信号可以完成信息读出。

上述实施例提供了三种磁性单元的结构形式，并且依此形成了三种逻辑器件，为了便于区分，本发明对上述三种器件进行了三种命名方式：单纯的磁电耦合(me)器件、电学写入磁存储的磁电巨磁阻(magnetoelectric-giantmagnetoresistance,me-gmr)器件和自旋逻辑的磁电自旋轨道耦合(magnetoelectricspin–orbit，meso)器件。

可以理解，本发明的技术方案是实现一种高重复性、确定性180°磁化翻转磁电调控方法。在具体器件中，压电材料层与多铁材料层(下称多铁层)通过一层导电氧化物层隔开，通过外加电场分别控制压电材料层与多铁层的电极化翻转，引起压电材料层晶格畸变及多铁层磁属性的变化，进而实现对上层铁磁层的确定性180°磁化翻转，最终完成信息的写入。

本发明所述压电材料层，包括各种具有较大压电耦合系数的材料，典型如pmn-pt、pzt。

本发明所述多铁层，包括各种多铁材料，如铁酸铋(bfo)、锰酸盐(ymno3、lumno3)等。考虑到工作温度及稳定性问题，优选为单畴铁酸铋(bfo)。

本发明所述导电氧化物层，包括锰酸锶镧(lasrmno3)、钌酸锶(srruo3)等具备导电性，且具有钙钛矿结构的氧化物材料。

本发明所述自旋轨道耦合层，包括具有高自旋轨道耦合系数的各种重金属材料，如铂(pt)等

本发明所述铁磁参考层，包括钡铁氧体(bam)、铁(fe)、钴(co)、镍(ni)、钴铁(cofe)、镍铁(nife)、锰酸锶镧(lsmo)、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种。

本发明所述铁磁自由层，包括镍(ni)、钴铁(cofe)、钴铁硼(cofeb)等具有磁弹性与导电性的铁磁材料中的一种或多种。

本发明所述非磁金属隔离层，包括铂(pt)、铜(cu)或其他非铁磁金属材料中的一种或多种

本发明所述普通金属电极,包括金(au)、铂(pt)、铜(cu)或其他非铁磁金属材料中的一种或多种。

通过控制薄膜生长条件，如图形化加工、退火等处理，使压电材料层产生的应力方向与磁化易轴方向垂直，多铁层产生的交换偏置场与磁化易轴成45°角，且磁化易轴占主导地位，从而控制铁磁层磁化矢量始终沿磁化易轴方向分布。当压电材料层在外电场作用下产生足够张应力时，磁化易轴翻转90°，磁化矢量在交换偏置场作用下发生90°确定性翻转。通过对多铁层施加正向电场，使得交换偏置场顺时针翻转90°，去掉多铁层的外加电场交换偏置场方向保持不变，但去掉压电材料层外加电场后，磁化易轴回到初始状态，磁化矢量继续向交换偏置场方向翻转90°，最终实现确定性180°磁化翻转。

本发明提出的高可重复性、确定性180°磁化翻转磁电调控方式，可以通过纯电学方式实现极低功耗的非易失、高可重复性、确定性180°磁化翻转。该器件可与多种自旋电子器件相结合，构成磁电巨磁阻器件(me-gmr)、磁电自旋轨道耦合逻辑器件(meso)等新型自旋电子器件，且大大提高了器件性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。

此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。