铁电-磁隧道结器件和新型存储器件的数据读取方法

1.本发明涉及新型存储器件技术领域，尤其涉及铁电-磁隧道结器件和新型存储器件的数据读取方法。


背景技术：

2.磁阻存储器(magnetic random access memory，mram)是新兴非易失性存储器的代表之一，磁阻存储器是利用磁性薄膜材料的电阻随薄膜磁化方向的不同而发生变化来实现数据存储的存储器，信息的读取方式主要是依靠检测由于磁电阻不同所造成的电位变化来判别。
3.磁阻存储器的基本单元为磁隧道结(mtj)。mtj中铁磁性电极相对磁化方向的变化可使器件产生两种不同的阻值状态，这两种不同的阻值状态用来代表二进制数据的“0”和“1”。
4.目前mram可以通过自旋转移矩(stt)和自旋轨道矩(sot)两种方式来翻转mtj中铁磁性电极的磁化状态。传统的stt-mram在开始写入时存在一个初始延迟限制了写入速度，通过增大写入电流的方式减小初始延迟会增加势垒击穿的概率；sot-mram的读写路径分离，势垒击穿的风险有所降低，但其存储单元通常具有三个端口，器件结构复杂存储密度较低。


技术实现要素：

5.本发明提供铁电-磁隧道结器件和新型存储器件的数据读取方法，用以解决现有技术中磁阻存储器写入速度慢、器件结构复杂、存储密度低的缺陷。
6.本发明提供一种铁电-磁隧道结器件，包括依次层叠的第一铁磁层、铁电层、第二铁磁层、绝缘层和第三铁磁层；其中，第一铁磁层和第二铁磁层采用相同的铁磁性金属材料，第一铁磁层和铁电层的界面与第二铁磁层和铁电层的界面具有对称结构；铁电-磁隧道结器件通过外部电场控制铁电层的电极化状态翻转实现自旋电流极性变化，从而实现铁电-磁隧道结器件的高低阻值状态变化。
7.根据本发明提供的一种铁电-磁隧道结器件，通过第一铁磁层和铁电层之间、第二铁磁层和铁电层之间的磁电耦合效应实现自旋极化电流的产生与调控；当自旋电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态平行时，用于表示二进制中的0；当自旋电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态反平行时，用于表示二进制中的1。
8.根据本发明提供的一种铁电-磁隧道结器件，当自旋电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态平行时，铁电-磁隧道结器件的电阻值低于预设数值，为低阻态；当自旋电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态反平行时，铁电-磁隧道结器件的电阻值高于预设数值，为高阻态。
9.根据本发明提供的一种铁电-磁隧道结器件，第二铁磁层厚度小于第二铁磁层的铁磁性材料的自旋扩散长度。
10.根据本发明提供的一种铁电-磁隧道结器件，铁电层采用具有铁电性的氧化物或二维铁电材料；第三铁磁层采用铁磁性金属材料，绝缘层采用非磁绝缘材料。
11.根据本发明提供的一种铁电-磁隧道结器件，第一铁磁层、第二铁磁层和第三铁磁层的材料为铁fe、钴co或者镍ni；铁电层的材料为二氧化铪hfo2或者硒化铟in2se3，绝缘层的材料为双层石墨烯gr2或者氧化镁mgo。
12.本发明还提供一种新型存储器件的数据读取方法，使用上述的铁电-磁隧道结器件，新型存储器件的数据读取方法包括：通过在第一铁磁层和第二铁磁层之间施加正负写入电压，控制铁电层的极化状态；基于铁电层极化状态控制自旋极化电流的极性，以实现数据写入；通过检测第一铁磁层与第三铁磁层之间的电压幅度确定铁电-磁隧道结的阻值状态；基于铁电-磁隧道结的阻值状态，以实现数据读出。
13.根据本发明提供的一种新型存储器件的数据读取方法，基于铁电层极化状态控制自旋极化电流的极性，以实现数据写入，包括：铁电层极化状态翻转使得自旋向上、自旋向下电子隧穿势垒不同，从而控制自旋极化电流的极性，实现数据写入。
14.根据本发明提供的一种新型存储器件的数据读取方法，铁电层极化状态翻转使得自旋向上、自旋向下电子隧穿势垒不同，从而控制自旋极化电流的极性，实现数据写入，包括：当自旋极化电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态平行时写入数据0，当自旋极化电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态反平行时写入数据1。
15.本发明提供的铁电-磁隧道结器件和新型存储器件的数据读取方法，铁电-磁隧道结器件包括依次层叠的第一铁磁层、铁电层、第二铁磁层、绝缘层、第三铁磁层，通过第一铁磁层和铁电层之间、第二铁磁层和铁电层之间的磁电耦合效应实现自旋极化电流的产生与调控，通过电场控制铁电层的电极化状态翻转实现自旋电流极性变化从而实现器件的高低阻值状态变化，可以实现快速低功耗电写入和无损磁读取操作，是一种具有快速、低功耗等优点的新型存储器件。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
17.图1是本发明铁电-磁隧道结器件一实施例的结构示意图；
18.图2为本发明铁电-磁隧道结器件数据写入操作一实施例的示意图；
19.图3为本发明铁电-磁隧道结器件数据读出操作一实施例的示意图；
20.图4为本发明co/hfo2/co/gr2/co结构的铁电-磁隧道结器件模型示意图；
21.图5是本发明新型存储器件的数据读取方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明提供一种铁电-磁隧道结器件，请参阅图1，图1是本发明铁电-磁隧道结器件一实施例的结构示意图。在本实施例中，铁电-磁隧道结器件包括依次层叠的第一铁磁层110、铁电层120、第二铁磁层130、绝缘层140和第三铁磁层150。
24.其中，第一铁磁层110和第二铁磁层130采用相同的铁磁性金属材料，第三铁磁层150采用铁磁性金属材料。可选地，第一铁磁层110、第二铁磁层130和第三铁磁层150的材料为铁fe、钴co或者镍ni。
25.第一铁磁层110和铁电层120的界面与第二铁磁层130和铁电层120的界面具有对称结构，且固定于反平行磁化状态。
26.在一些实施例中，铁电层120采用具有铁电性的氧化物或二维铁电材料，例如为二氧化铪hfo2或者硒化铟in2se3；绝缘层140采用非磁绝缘材料，例如双层石墨烯gr2或者氧化镁mgo。
27.铁电-磁隧道结器件通过外部电场控制铁电层的电极化状态翻转实现自旋电流极性变化，从而实现铁电-磁隧道结器件的高低阻值状态变化。
28.在一些实施例中，铁电-磁隧道结器件可以通过第一铁磁层110和铁电层120之间、第二铁磁层130和铁电层120之间的磁电耦合效应实现自旋极化电流的产生与调控。
29.当自旋电流的极化状态与第三铁磁层150的磁化状态平行时，用于表示二进制中的0；当自旋电流的极化状态与第三铁磁层150的磁化状态反平行时，用于表示二进制中的1。
30.其中，当自旋电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态平行时，铁电-磁隧道结器件的电阻值低于预设数值，为低阻态；当自旋电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态反平行时，铁电-磁隧道结器件的电阻值高于预设数值，为高阻态。
31.需要说明的是，第二铁磁层130厚度小于第二铁磁层的铁磁性材料的自旋扩散长度，以使自旋极化电流通过扩散注入绝缘层140、第三铁磁层150，实现器件性能。
32.以下实施例用于说明该铁电-磁隧道结作为一种新型存储器件时，其读取以及写入操作方式。
33.请参阅图2～图3，图2为本发明铁电-磁隧道结器件数据写入操作一实施例的示意图；图3为本发明铁电-磁隧道结器件数据读出操作一实施例的示意图。
34.本发明提供的铁电-磁隧道结器件，在执行数据写入操作时，如图2所示。通过在第一铁磁层110和第二铁磁层130之间加正负写入电压，可以控制铁电层120的极化状态，铁电层130极化状态翻转使得自旋向上、自旋向下电子隧穿势垒不同，从而控制自旋极化电流的极性，实现数据写入。
35.本发明提供的铁电-磁隧道结器件，在执行数据读出操作时，如图3所示。可以通过判别第一铁磁层110与第三铁磁层150之间的电压幅度来判别铁电-磁隧道结的阻值状态，实现数据读出。
36.自旋极化电流通过绝缘层140注入第三铁磁层150，当自旋极化电流的极化状态与第三铁磁层150的磁化状态平行时，铁电-磁隧道结的表现为低阻态；当自旋极化电流的极化状态与第三铁磁层150的磁化状态反平行时，铁电-磁隧道结的表现为高阻态。
37.更具体的，当自旋极化电流的极化状态与第三铁磁层150的磁化状态平行时写入
数据“0”，当自旋极化电流的极化状态与第三铁磁层150的磁化状态反平行时写入数据“1”。本发明基于密度泛函理论，通过计算所述器件的电势分布、输运性质来提供一种铁电-磁隧道结器件。使用第一性原理计算器件电势分布以及输运性质的需要以下步骤：
38.(1)器件模型搭建，将所选材料结构进行切面、拼接，得到初始界面结构；
39.(2)结构弛豫，对界面结构的间距以及吸附位点进行优化，得到能量较低且相对稳定的结构；
40.(3)静态自洽计算，考虑自旋极化作用，得到体系的电荷密度等信息，可进一步得到器件的波函数以及其他物理信息；
41.(4)器件性质计算，在自洽计算的基础上计算出器件的电子结构信息以及输运性质等，对器件的性质进行分析。
42.本实施例以co/hfo2/co/gr2/co铁电-磁隧道结器件为例，说明该器件作为一种新型存储器件的可行性。
43.本实施例采用的计算模型如图4所示，图4为本发明co/hfo2/co/gr2/co结构的铁电-磁隧道结器件模型示意图。
44.沿(001)晶向依次是6个原子层的co、5个hf原子层的hfo2、5个原子层的co，hfo2两端均以hf或o原子作为界面，位于co原子的空位处，使两界面结构具有对称性，再在一侧叠加2个原子层的石墨烯(gr2)，叠加6个原子层的co。固定左侧三层co/hfo2/co的晶格参数，在石墨烯材料晶格常数范围内对其施加应力以达到晶格匹配，石墨烯与co(001)面的晶格失配度为5.10％。考虑范德华力作用对石墨烯两侧界面进行弛豫，得到界面处的结构参数，在此基础上计算整体器件的输运性质。
45.表1给出了改变hfo2极化状态时co/hfo2/co/gr2/co器件产生的tmr效应(隧穿磁电阻效应)，表中列出了固定第一铁磁层和第二铁磁层处于反平行磁化状态，hfo2铁电层极化向左以及极化向右时，最右侧co铁磁层磁化向下时的自旋极化电导，计算出由铁电层极化翻转产生的tmr效应。
46.g(10-8
c2/ev)p
→
p
←
tmrm
↑↓↓
3.96881.0837266％
47.表1改变器件铁电层极化状态得到的自旋电导、tmr
48.从表1可知，当注入的自旋隧穿电流的极化方向与右侧co铁磁层磁化方向平行时，整个铁电-磁隧道结器件电阻值较低；注入的自旋隧穿电流的极化方向与右侧co铁磁层磁化方向反平行时，整个铁电-磁隧道结器件电阻值较高。
49.本实例给出了一种铁电-磁隧道结器件结构，通过选择合适的材料可以实现由电场直接调控的隧穿磁电阻效应，说明了该器件结构进行快速低功耗电写入和无损磁读取操作的可行性，为降低存储器件功耗提供了新思路。
50.上述结论是以co/hfo2/co/gr2/co结构为例分析得到的，但绝缘层材料为非磁性绝缘材料，不仅限于双层石墨烯材料，还可以是mgo等金属氧化物或是其他二维绝缘材料。使用不同材料所得到器件的tmr效应会有所差异，这需要根据器件的应用需求具体分析。
51.本发明未详细说明之处，均可参考相关现有技术，如器件结构建模、第一性原理计算等均可参考现有技术进行。
52.本发明还提供一种新型存储器件的数据读取方法，使用上述的铁电-磁隧道结器
件，请参阅图5，图5是本发明新型存储器件的数据读取方法一实施例的流程示意图，在本实施例中，新型存储器件的数据读取方法包括步骤s110～s140，各步骤具体如下：
53.s110：通过在第一铁磁层和第二铁磁层之间施加正负写入电压，控制铁电层的极化状态。
54.s120：基于铁电层极化状态控制自旋极化电流的极性，以实现数据写入。
55.s130：通过检测第一铁磁层与第三铁磁层之间的电压幅度确定铁电-磁隧道结的阻值状态。
56.s140：基于铁电-磁隧道结的阻值状态，以实现数据读出。
57.在一些实施例中，基于铁电层极化状态控制自旋极化电流的极性，以实现数据写入，包括：
58.铁电层极化状态翻转使得自旋向上、自旋向下电子隧穿势垒不同，从而控制自旋极化电流的极性，实现数据写入。
59.进一步地，铁电层极化状态翻转使得自旋向上、自旋向下电子隧穿势垒不同，从而控制自旋极化电流的极性，实现数据写入，包括：
60.当自旋极化电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态平行时写入数据0，当自旋极化电流的极化状态与第三铁磁层的磁化状态反平行时写入数据1。
61.新型存储器件的数据读取方法的原理在上述实施例中已具体说明，在此不再赘述。利用铁电-磁隧道结器件中的磁电耦合现象，可以使用外部电场取代原有的磁场，可逆地操纵自旋隧穿电流的极化状态。有望将铁电隧道结存储器和磁存储器的最佳品质结合起来，实现快速低功耗电写入和无损磁读取操作，在能耗、效率和处理速度上具有显著优势。
62.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
63.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。