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电压控制的磁各向异性(VCMA)开关和电磁存储器(MERAM).pdf

摘要
申请专利号:

CN201280024102.6

申请日:

2012.05.18

公开号:

太阳城集团CN103563000A

公开日:

2014.02.05

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G11C 11/15申请日:20120518|||公开
IPC分类号: G11C11/15; H01L27/115; H01L21/8247 主分类号: G11C11/15
申请人: 加利福尼亚大学董事会
发明人: 佩德拉姆·哈利利·阿米里; 康·王; 科斯马斯·加拉提斯
地址: 美国加利福尼亚州
优先权: 2011.05.19 US 61/488,096; 2011.05.19 US 61/488,099; 2011.10.13 US 61/546,894
专利代理机构: 北京鸿德海业知识产权代理事务所(普通合伙) 11412 代理人: 袁媛
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201280024102.6

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2016.12.07|||2014.03.12|||2014.02.05

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

描述提供高单元密度非易失性磁设备的高效高速切换的、电压控制的磁隧道结和存储器器件。描述提供广泛电压控制备选的实现方式,这些备选具有平面内和垂直磁化、双向切换的磁化和域壁动态性控制。

权利要求书

权利要求书
1.  一种电压控制的磁各向异性(VCMA)开关装置,包括:
至少两个铁磁(FM)层,具有FM固定层和FM自由层;
电介质(DE)层,插入在所述FM固定层与所述FM自由层之间;并且
其中选择所述FM自由层和所述FM固定层的材料、形状和厚度以具有平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;
其中选择所述FM自由层的材料、形状和厚度以具有接近相等的平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;并且
其中所述FM自由层的OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的界面性质影响,并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制从而产生对所述装置中的所述FM自由层中的磁化定向进行切换的、电压控制的磁各向异性(VCMA)效果。

2.  根据权利要求1所述的装置,其中所述FM自由层的所述磁化在平面内(IP)或者平面外(OOP)这两个磁化定向状态之间可切换。

3.  根据权利要求1所述的装置,其中所述磁化定向状态相对于所述固定层的磁化定向为平行(P)和反平行(AP)。

4.  根据权利要求1所述的装置,其中所述装置响应于电压施加来改变磁状态(切换),并且无需电荷电流流过所述装置或者流过与所述装置邻近设置的导体以执行所述切换。

5.  根据权利要求1所述的装置,其中响应于所述施加的电压确定所述铁磁(FM)自由层的磁化定向的所述切换,所述施加的电压引起磁化旋转并且允许响应于存在杂散磁场而出现完全切换以将所述磁化切换成它的最终切换状态。

6.  根据权利要求5所述的装置,其中所述至少一个杂散场从所述铁磁(FM)固定层产生。

7.  根据权利要求5所述的装置,其中所述至少一个杂散场从所 述铁磁(FM)固定层和从附加铁磁(FM)半固定层产生。

8.  根据权利要求1所述的装置,其中所述铁磁(FM)自由层包括一层或者层组合。

9.  根据权利要求1所述的装置,其中所述铁磁(FM)固定层包括一层或者层组合。

10.  根据权利要求1所述的装置,其中响应于所述电压脉冲在被配置用于所述磁化的进动运动的装置上的宽度改变所述磁化定向。

11.  根据权利要求10所述的装置,其中响应于所述电压脉冲的宽度改变所述磁化定向,所述宽度是进动周期的近似1/2或者其奇数倍。

12.  根据权利要求1所述的装置,其中所述装置包括平面内(IP)、电压控制的磁各向异性(VCMA)开关装置。

13.  根据权利要求1所述的装置,其中所述装置包括平面外(OOP)、电压控制的磁各向异性(VCMA)开关装置。

14.  根据权利要求1所述的装置,其中通过响应于隧道磁阻(TMR)性质测量经过所述FM自由层、DE层和FM固定层的电阻来读取所述装置的磁化定向。

15.  根据权利要求1所述的装置,其中从由Fe、Co、Pt、Pd、CoFe和CoFeB构成的铁磁材料组选择所述铁磁材料。

16.  根据权利要求1所述的装置,其中所述电介质材料包括MgO。

17.  根据权利要求1所述的装置,其中通过控制包括Fe含量比率、FM层形状和FM层厚度的FM组成来调节所述OOP各向异性。

18.  根据权利要求1所述的装置,其中通过与FM层相邻放置附加非磁金属层来调节所述OOP各向异性,其中所述金属层增加所述OOP各向异性和所述VCMA效果。

19.  根据权利要求18所述的装置,其中所述金属层包括钽(Ta)。

20.  根据权利要求1所述的装置,还包括与所述铁磁(FM)固定层邻近设置的至少一个铁磁(FM)半固定层和将所述FM固定层从所述FM半固定层分离的间隔物层。

21.  根据权利要求20所述的装置,其中所述间隔物层包括对所述装置的所述电压控制的磁各向异性无贡献的金属材料。

22.  根据权利要求20所述的装置,其中对于不同施加的电压双向改变所述磁化定向。

23.  根据权利要求20所述的装置,其中在电磁随机存取存储器(MeRAM)内并入所述电压控制的磁各向异性(VCMA)开关作为位,其中响应于施加第一电压信号将位状态写入成第一状态,并且响应于施加第二电压信号将所述位状态写入成第二状态。

24.  根据权利要求23所述的装置,其中响应于在所述装置两端检测的电阻读取所述MeRAM,所述电阻是响应于施加所述第一和第二电压的具有相反极性的电压而检测的。

25.  根据权利要求20所述的装置,其中所述FM半固定层和所述FM固定层包括交换耦合的一对层,并且所述间隔物层包括反铁磁层间交换耦合材料以增强交换耦合。

26.  根据权利要求25所述的装置,其中所述反铁磁层间交换耦合材料的所述间隔物层包括钌(Ru),其中选择所述Ru层的厚度以提供反铁磁层间交换耦合。

27.  一种电压控制的电磁随机存取存储器(MeRAM)装置,包括:
至少三个铁磁(FM)层,具有FM固定层、FM半固定层和FM自由层;
其中所述FM半固定层和所述FM自由层设置于所述FM固定层的相反侧上;以及
电介质(DE)层,插入在所述FM自由层与FM固定层之间;
间隔物,将所述FM固定层从所述FM半固定层分离;
其中选择所述FM自由层、所述FM固定层和所述FM半固定层的材料、形状和厚度以具有平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;
其中选择所述FM自由层的材料、形状和厚度以具有接近相等的平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;
其中选择所述FM半固定层的材料、形状和厚度以具有在接近相等与所述FM固定层的优选平面之间平衡的平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;
其中所述FM自由层的OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的界面性质影响,并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制从而产生电压控制的磁各向异性(VCMA)效果,所述VCMA效果旋转所述FM自由层的磁化定向并且响应于来自所述FM半固定和固定层的杂散磁场来完全切换,所述磁定向的状态确定用于所述MeRAM的位状态;并且
其中所述FM半固定层的OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的所述界面性质影响,并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制从而产生电压控制的磁各向异性(VCMA)效果,所述VCMA效果旋转所述FM半固定层的磁化定向而未完全切换它的磁定向。

28.  根据权利要求27所述的装置,还包括与所述FM半固定层邻近设置的第二DE层,并且其中在所述FM半固定层与所述第二DE层之间的界面性质影响所述FM半固定层的所述OOP各向异性并且受作为施加的电压在所述第二DE层两端施加的电压控制从而产生电压控制的磁各向异性(VCMA)效果,所述VCMA效果旋转所述FM半固定层的磁化定向而未完全切换它的磁定向。

29.  根据权利要求27所述的装置,其中响应于施加第一电压信号将位状态写入成第一状态并且响应于施加第二电压信号将所述位状态写入成第二状态。

30.  根据权利要求28所述的装置,其中响应于在所述装置两端检测的电阻读取所述MeRAM,所述电阻是响应于施加所述第一和第二电压的具有相反极性的电压而检测的。

31.  一种电压控制的磁各向异性(VCMA)开关装置,包括:
至少两个铁磁(FM)层,具有FM固定层和FM自由层;以及
电介质(DE)层,插入在所述FM自由层与FM固定层之间;
其中选择所述FM自由层和所述FM固定层的材料、形状和厚度以具有平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;
其中选择所述FM自由层的材料、形状和厚度以具有接近相等的平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;
其中所述FM自由层的所述OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的界面性质影响,并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制,从而产生对所述装置中的所述FM自由层中的磁化定向进行切换的、电压控制的磁各向异性(VCMA)效果;并且
其中在包括磁域壁的两个磁化状态之间切换所述FM自由层的所述磁化,其中所述域壁包含大的平面内(IP)磁化分量。

32.  根据权利要求31所述的装置,其中所述磁化定向状态是具有相反手性的域壁,其中所述域壁手性的磁化相对于所述FM固定层的磁化定向状态为平行(P)和反平行(AP)。

33.  一种电压控制的磁各向异性(VCMA)开关装置,包括:
铁磁材料的铁磁(FM)固定层;
铁磁材料的铁磁(FM)自由层;
电介质(DE)层,插入在所述FM自由层与FM固定层之间;并且
其中选择所述FM自由层和所述FM固定层的材料、形状和厚度以具有平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;
其中选择所述FM自由层的材料、形状和厚度以具有接近相等的平面内(IP)和平面外(OOP)各向异性;
其中所述FM自由层的所述OOP各向异性受在所述FM层与所述DE层之间的界面性质影响,并且受作为施加的电压在所述DE层两端施加的电压控制,从而产生对所述装置中的所述FM自由层中的磁化定向进行切换的、电压控制的磁各向异性(VCMA)效果;并且
其中选择所述DE层的厚度以允许用于响应于施加的电压基于漏电流引起的磁转矩确定切换方向的充分漏电流,而所述漏电流不足以切换所述装置的所述磁化状态。

34.  根据权利要求33所述的装置,其中在电磁随机存取存储器(MeRAM)内并入所述电压控制的磁各向异性(VCMA)开关作为位,其中响应于施加第一电压信号将位状态写入成第一状态并且响应于施加第二电压信号将所述位状态写入成第二状态。

35.  根据权利要求33所述的装置,其中在平面内(IP)或者平面外(OOP)这两个磁化定向状态之间切换所述FM自由层的所述磁化。

36.  根据权利要求33所述的装置,其中所述磁化定向状态相对于所述固定层的磁化定向为平行(P)和反平行(AP)。

37.  根据权利要求33所述的装置,其中所述VCMA开关响应于电压施加来切换并且无需电荷电流流过所述装置或者流过与所述装置邻近设置的导体以执行所述切换。

38.  根据权利要求33所述的装置,其中响应于施加的电压确定所述铁磁(FM)自由层的磁化定向的所述切换,所述施加的电压引起磁化旋转并且允许响应于存在杂散磁场而出现完全切换以将所述磁化切换成它的最终切换状态。

39.  根据权利要求38所述的装置,其中所述至少一个杂散场从所述铁磁(FM)固定层和从附加铁磁(FM)半固定层产生。

40.  根据权利要求33所述的装置,其中通过响应于隧道磁阻(TMR)性质测量经过所述FM自由层和所述FM固定层的电阻来读取所述电压控制的磁各向异性(VCMA)开关的磁化定向。

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电压 控制 各向异性 VCMA 开关 电磁 存储器 MERAM
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