Элемент магнитной памяти

Элемент магнитной памяти

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Объектом настоящего изобретения является элемент магнитной памяти инверсного, наведенного током, типа.

Предшествующий уровень техники

Инверсия намагничивания слоя и малого магнитного элемента обычно осуществляется с помощью приложенного магнитного поля. Направление последнего изменяется в соответствии с намерением инвертировать направление намагничивания в одну или другую сторону. Этот принцип лежит в основе записи на магнитных дорожках или жестких дисках компьютера: инвертируемый элемент механически размещен вблизи генератора магнитного поля так, чтобы локализовать в пространстве это поле. Действительно, эта структура магнитного поля, благодаря ее нелокализованному нахождению в пространстве, создает многочисленные трудности при ее интегрировании в устройства. Так, когда никакое механическое действие невозможно, либо нежелательно, например, в случае жесткой магнитной памяти типа «MRAM» (энергонезависимое ОЗУ) или логических устройств, является достаточной локализация магнитного поля, чтобы последнее воздействовало только на ячейку - мишень без воздействия на соседние ячейки. Эта проблема становится все более важной, когда различные ячейки памяти или логики расположены очень близко друг к другу для того, чтобы увеличить их плотность.

Возможность манипулирования намагничиванием с помощью поляризованного по спину тока, которая была, прежде всего, теоретически продемонстрирована в 1996 году, обусловила первое решение этой проблемы. Это физический принцип, называемый моментом передачи спина (STT для передачи вращающего момента спина), требует наличия для манипулирования намагничиванием на уровне ячейки памяти по меньшей мере двух магнитных слоев, разделенных немагнитным металлом (для структуры типа затвора спина), или изолятора (для структуры типа магнитного туннельного электронно-дырочного перехода), при этом оба слоя имеют неколлинеарные намагничивания. Детальное физическое объяснение поясняет то, что существует структура затвора спина или магнитный электронно-дырочный переход, но обычно ток поляризуется по спину при переходе первого магнитного слоя для того, чтобы затем воздействовать магнитным моментом на намагничивание второго слоя с помощью неколлинеарной составляющей поляризации тока. Когда плотности тока достаточны, намагничивание второго магнитного слоя может быть инвертировано одновременно для спиновых затворов и туннельных магнитных электронно-дырочных переходов.

Как описано, например, в патенте US7009877, опубликованном 7 марта 2006 года, и в заявке US 2009/129143, опубликованной 21 мая 2009 года, электрический ток записи проходит обязательно перпендикулярно плоскости соединения слоев.

То же происходит в случае из патента US6269018, в котором (фиг. 5b) ток записи, который также создает магнитное поле в центральном ферромагнитном слое, проходит перпендикулярно плоскости набора слоев типа туннельного магнитного электронно- дырочного перехода. Следует отметить также, что в этом документе речь идет об использовании двух раздельных магнитных слоев.

Эта способность манипулировать локальным намагничиванием одного магнитного элемента субмикронного размера с помощью электрического тока имеет следствием расширение возможности использования. В наши дни именно интегрирование этого принципа в новые конструкции магнитных ячеек магниторезистивной памяти и логических компонентов является предметом поиска в промышленных исследованиях.

Эта интеграция наталкивается в настоящее время на трудности, которые представляются неустранимыми.

Инверсия посредством STT требует наличия на уровне ячейки памяти по меньшей мере двух магнитных слоев, разделенных немагнитным пространством. Запись осуществляется, как указано выше, путем инжекции тока высокой плотности через весь набор слоев перпендикулярно плоскости магнитных слоев, при этом запись осуществляется за счет магниторезистивности набора слоев: огромная магниторезистивность (GMR) для затворов спинов и туннельная магниторезистивность (TMR) для туннельных магнитных электронно-дырочных переходов. В наши дни все или почти все применения основаны на использования туннельных магнитных электронно-дырочных переходов. Так, если сигнал GMR составляет только несколько процентов, сигнал TMR электронно-дырочных переходов на базе MgO обычно превышает 100%. Туннельные электронно-дырочные переходы тем не менее неблагоприятны тем, что имеют значительные величины произведения резистивность·поверхность (RA). Так, для плотности обычного тока в 10⁷ А/см², необходимой для инверсии путем STT, напряжение на краях электронно-дырочных переходов составляет 10 В для RA в 100 Ом·мкм² и 0,1 В для RA в 1 Ом·мкм². За исключением очень малой величины мощность, рассеиваемая в электронно-дырочном переходе, является, таким образом, значительной, что является одновременно невыгодным с точки зрения энергетического потребления и вредным для упомянутого электронно-дырочного перехода.

Кроме того, значительные величины TMR, полезные для считывания, часто получают для наборов слоев, имеющих значительные величины RA.

Это объясняет современные исследования для получения туннельных электронно-дырочных переходов с большими значениями TMR и малыми значениями RA. Кроме того, даже для относительно малых величин напряжения на краях электронно-дырочного перехода при работе были обнаружены явления ускоренного старения электронно-дырочного перехода, вызванного циклами напряжения. В настоящее время многочисленные исследования в этом плане посвящены одновременно оптимизации материалов в существующих геометриях, а также определению новых геометрий для разделения насколько возможно функций записи и считывания.

В заключение, трудность состоит в невозможности независимо оптимизировать считывание и запись, так как в случае известных устройств для инверсии спина (STT) оба явления, по существу, связаны.

Другое затруднение связано с тем, что запись требует прохождения тока высокой плотности через набор слоев.

Другое затруднение, присущее также этой связи, вытекает из всегда очень большой сложности набора слоев. Так, если необходимо, чтобы эффект инверсии спина (STT) чувствовался только в инвертированном слое для сохранения намагничивания, то другие слои необходимо стабилизировать с помощью обменного соединения с антиферромагнитным материалом; если необходимо увеличить амплитуду передачи STT, то следует оптимизировать поляризующие слои; если необходимо уменьшить магнитные поля в области чувствительных слоев, следует использовать, например, искусственные сдвоенные антиферромагнитные слои; и т.д.

Отсюда следует, что обычные магнитные наборы слоев ячеек магниторезистивной оперативной памяти или логических компонентов могут содержать более 10 или 15 слоев из различных материалов. Это, следовательно, создает трудности на этапах структуризации и, в частности, на этапе травления, который является одной из наиболее блокирующих позиций, важных для интеграции магнитных наборов слоев.

Другим путем исследования является манипулирование намагничиванием посредством внешнего магнитного поля. Это может частично дополняться при изменении анизотропии материала с помощью внешнего электрического поля, причем инвертирование намагничивания на обратное осуществляется с помощью приложенного магнитного поля. Такая технология описана в статье T.MARUYAMA и сотрудников, названная «Large voltage-induced magnetic anisotropy charge in a few atomic layers of iron» (Nature Nanotechnology, vol.4, March 2009 - Macmillan Publishers Ltd.).

Эта техника позволяет в настоящее время только уменьшить магнитную анизотропию материала. Способы записи и считывания являются теми же, что описаны выше, как и их недостатки.

Краткое изложение существа изобретения

Объектом настоящего изобретения является магнитный элемент памяти, который для инверсии намагниченности требует только наличия магнитного слоя (имеющего параллельную или перпендикулярную своей плоскости намагниченность) и который функционирует без пропускания тока перпендикулярно плоскости слоев.

Изобретение касается также магнитозаписываемого элемента, содержащего набор слоев, включающий в себя записывающий магнитный слой, отличающийся тем, что набор слоев содержит один упомянутый магнитный записывающий слой, а именно центральный слой из по меньшей мере магнитного материала, имеющего направление намагничивания, параллельное или перпендикулярное плоскости центрального слоя, который размещен между первым и вторым наружными слоями из немагнитных материалов, при этом первый наружный слой выполнен из первого немагнитного материала, а второй наружный слой выполнен из второго немагнитного материала, отличающегося от первого немагнитного материала, причем второй немагнитный материал является электропроводным, а также тем, что он содержит устройство для пропускания тока записи только через второй наружный слой и центральный слой и, при необходимости, через первый наружный слой только в случае, когда последний является электропроводным, при этом ток записи проходит по меньшей мере в одном направлении тока, параллельном плоскости центрального слоя, и устройство для наложения магнитного поля, имеющего составляющую по направлению магнитного поля либо параллельно, либо перпендикулярно плоскости центрального слоя и направлению тока, а также тем, что направление намагничивания и направление магнитного поля перпендикулярны одно относительно другого.

В изобретении предлагается также устройство для пропускания тока записи и устройство, независимое от предыдущего, для наложения магнитного поля. Если первый наружный слой не является проводящим, через него не проходит никакой ток в процессе фазы записи. Если он является проводящим, то только в этом случае через него проходит ток записи.

Предпочтительно, магнитное поле является либо параллельным, либо перпендикулярным плоскости центрального слоя и направлению тока.

Возможны две конфигурации:

В соответствии с первой конфигурацией направление магнитного поля является параллельным направлению тока, а направление намагничивания является перпендикулярным плоскости центрального магнитного слоя.

В соответствии со второй конфигурацией направление намагничивания является параллельным направлению тока, а направление магнитного поля является перпендикулярным плоскости центрального магнитного слоя.

В этих двух конфигурациях электрический ток проходит параллельно магнитному слою и не пересекает набор слоев в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, он проходит через центральный магнитный слой и по меньшей мере через второй внешний слой по меньшей мере в направлении тока, параллельном плоскости слоев, а память может быть записана либо током, либо магнитным полем.

Центральный слой предпочтительно имеет толщину, составляющую от 0,1 нм до 5 нм. В первой конфигурации эта величина предпочтительно меньше или равна 2 нм. Во второй конфигурации эта величина меньше или равна 3 нм.

В случае, когда направление намагничивания перпендикулярно плоскости слоя, центральный слой может быть выполнен из сплава, имеющего собственную перпендикулярную магнитную анизотропию, а именно в частности FePt, FePd, CoPt, либо также сплава редкоземельный металл/переходный металл, который также имеет собственную перпендикулярную магнитную анизотропию, такого как CdCo, TbFeCo. Центральный магнитный слой может быть также выполнен из металла или сплава, имеющего в наборе слоев перпендикулярную магнитную анизотропию, наведенную межфазными соединениями, в частности Co, Fe, CoFe, Ni, CoNi.

В случае, когда направление намагничивания находится в плоскости слоев, центральный слой может быть выполнен из металла или сплава, имеющего а наборе слоев планарную магнитную анизотропию, в частности Co, Fe, CoFe, Ni, NiFe, CoNi.

По меньшей мере один наружный проводящий слой является немагнитным металлом, предпочтительно Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Bi или немагнитным сплавом этих металлов. Толщина такого проводящего слоя может составлять от 1 нм до 10 нм и предпочтительно меньше или равна 5 нм. Величина этой толщины не связана с величиной, выбранной для толщины центрального слоя.

Внешний непроводящий слой выполнен из электроизолирующего материала, предпочтительно диэлектрического оксида, такого как SiOx, AlOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOx, либо из диэлектрического нитрида, такого как SiNx, BNx. Толщина этого внешнего слоя составляет, например, от 0,5 нм до 200 нм, в частности от 0,5 нм до 100 нм и предпочтительно менее 3 нм, в особенности, если считывание элемента памяти осуществляется с помощью магниторезистивного туннельного сигнала.

Два внешних слоя могут быть проводящими, но они, таким образом, выбираются из двух упомянутых различных немагнитных металлов или сплавов.

Плотность тока составляет, например, между 10⁴ А/см² и 10⁹ А/см² и предпочтительно между 10⁵ А/см² и 10⁸ А/см².

Прикладываемое магнитное поле может иметь величину, составляющую между 0,002 Тл и 1 Тл и предпочтительно между 0,005 Тл и 0,8 Тл.

Первый внешний слой (который не пересекается упомянутым током) может быть покрыт считываемым слоем из магнитного материала и считывающим электродом. В случае, когда первый внешний слой выполнен из немагнитного металла, он образует со считываемым слоем, считывающим электродом и центральным слоем затвор спина. В случае, когда первый внешний слой является диэлектрическим, он образует со считываемым слоем, считывающим электродом и центральным слоем магнитный туннельный электронно-дырочный переход. Толщина первого внешнего слоя является предпочтительно меньшей 3 нм.

Магнитный элемент может быть структурирован таким образом, чтобы первый внешний слой и центральный слой образовывали контакт, тогда как второй внешний слой образует дорожку. Второй внешний слой может содержать выступ, который является частью контакта.

Изобретение касается также магнитозаписываемого устройства, содержащего множество упомянутых контактов и второй внешний слой которого образован общей для них упомянутой дорожкой.

Альтернативно, первый внешний слой, центральный слой и второй внешний слой образуют контакт, и магнитозаписываемое устройство содержит множество упомянутых контактов, а также проводящую дорожку, окаймляющую второй внешний слой упомянутых контактов для инжекции упомянутого тока через второй внешний слой и центральный слой каждого из упомянутых контактов, причем второй внешний слой выполнен из электрически проводящего материала, отличного от материала проводящей дорожки.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1а-1f изображают первую конфигурацию осуществления изобретения;

фиг. 2а-2b изображают вариант осуществления, встроенный в ячейку магнитной памяти типа “MRAM”;

фиг. 3а-3d изображают варианты осуществления, в которых несколько элементов памяти представлены для иллюстрации структуры памяти;

фиг. 4а-4f изображают вторую конфигурацию осуществления изобретения;

фиг 5а и 5b изображают вариант осуществления, встроенный в ячейку магнитной памяти типа “MRAM”;

фиг.6а-6d изображают варианты осуществления, в которых несколько элементов памяти представлены для иллюстрации структуры памяти;

фиг. 7 изображает пример встраивания магнитного элемента по изобретению, образующего ячейку памяти, для формирования одно- или двухмерной сети.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Выполненный в рамках изобретения набор слоев, а именно центральный магнитный слой, размещенный между двумя наружными немагнитными слоями, по меньшей мере один из которых является электропроводным, при этом оба наружных слоя выполнены из различных материалов, предназначен для создания асимметрии инверсии, которая генерирует электрическое поле, не компенсируемое в центральном магнитном слое. Электроны, распространяющиеся в этом магнитном поле, подвержены в своей системе координат воздействию, присущему магнитному полю, называемому полем Рашбы H_R, направление которого перпендикулярно одновременно току и магнитному полю. Это магнитное поле воздействует, таким образом, на электроны проводимости. Заявитель установил, что эффективное магнитное поле, результирующее этого поля Рашбы, и обменное взаимодействие, связывающие спин перемещающихся и локализованных электронов, используются для локального намагничивания. Так, статья Ioan MIRON с сотрудниками под названием «Current-driven spin torque inducted by the Rashba effect in а ferromagnetic metal layer», опубликованная в Nature Materials, том 9, стр. 230-234 (2010), описывает набор слоев, содержащий слой Pt (3 нм), слой Со (0,6 нм), имеющий намагничивание, перпендикулярное его плоскости и, таким образом, параллельное оси z, и слой AlOx (2 нм), по которому проходит ток, протекающий параллельно оси х. Такое расположение имеет эффективное магнитное поле H_eff по третьей оси прямоугольной системы координат, оси у. Вследствие этого такая конфигурация является неприспособленной к осуществлению запоминания, так как магнитное поле не является коллинеарным для намагничивания слоя.

Заявитель показал, что это теоретическое препятствие можно обойти путем использования того, что, в соответствии с его толкованием, вытекает из динамики намагничивания, вызванного взаимодействием поля H_eff и внешнего магнитного поля, составляющая которого перпендикулярна H_eff, когда ток поступает в структуру, имеющую асимметрию инверсии, при этом направление составляющей, перпендикулярное H_eff магнитного поля, является коллинеарным направлению поступления тока (первая конфигурация), либо перпендикулярным упомянутому направлению (вторая конфигурация).

Фиг. 1a-1f изображают первую конфигурацию осуществления изобретения, в соответствии с которой направление прикладываемого магнитного поля параллельно направлению тока, а направление намагничивания перпендикулярно плоскости центрального магнитного слоя. Прикладываемое магнитное поле, таким образом, перпендикулярно одновременно намагничиванию и направлению эффективного магнитного поля H_eff.

Позицией 15 обозначена подложка, являющая электрически изолирующей, чтобы не было короткого замыкания структуры. Она может быть выполнена, в частности, из диэлектрического оксида (например, SiOx, AlOx, MgOx), или из нитрида, например, SiNx. Она может быть отдельной или нанесена на другую подложку, например, из кремния.

Позицией 13 обозначен плоский магнитный слой, намагничивание которого перпендикулярно его плоскости. Позицией 16 обозначено направление намагничивания, которое может быть в одном или противоположном направлении.

Позициями 12 и 14 обозначены соответственно первый и второй наружные немагнитные слои. Вторым наружным слоем 14 является слой, по которому проходит ток в процессе записи.

Позицией 11 обозначено направление тока записи, который может быть ориентирован в прямом или обратном направлении, а позицией 17 обозначено направление прикладываемого магнитного поля, которое является коллинеарным направлению тока и которое может быть ориентировано в прямом или обратном направлении.

Фиг. 1а и 1b изображают неструктурированный набор слоев, в котором слои 12, 13 и 14 набора слоев образуют дорожку.

Фиг. 1с-1f изображают структурированный набор слоев, в котором слой 14 (названный вторым наружным слоем) является проводящим, а магнитный 13 и немагнитный 12 (названный первым наружным слоем) слои являются единственно структурированными для формирования контактов (фиг. 1с и 1d), и в котором три слоя 12, 13, 14 являются структурированными для образования контакта, включая в контакт выступ 14' по толщине проводящего слоя 14 так, чтобы контакт содержал часть толщины немагнитного материала слоя 14 (фиг. 1е и 1f). Принимаемой в расчет толщиной второго наружного слоя является собственно толщина слоя 14 и толщина выступа 14'.

Следует отметить, что область выступа 14' необязательно выполнена из того же электропроводящего материала, что и слой 14, и в этом случае этот выступ 14' выполняет функцию второго немагнитного наружного слоя и его материал в наборе материалов выполняет функцию получения асимметрии инверсии. Таким образом, металлический материал слоя 14 может быть любым.

Формирование контактов позволяет осуществлять перемагничивание только в контактах, в противном случае перемагничивание осуществлялось бы по всей длине дорожки.

Магнитный слой 13 имеет перпендикулярное намагничивание и имеет весьма малую толщину для того, чтобы электрическое поле на переходах не было отрицательным. Его толщина не превышает обычно 2 нм и максимально составляет 5 нм.

Все магнитные материалы имеют перпендикулярное намагничивание, вызванное, например, их собственной перпендикулярной магнитной анизотропией (сплавы FePt, FePd, CoPt...; сплавы редкоземельных/переходных металлов CdCo, TbFeCo...), либо могут быть использованы с эффектом перпендикулярной магнитной анизотропии, вызванной межфазными границами (Со, Fe, CoFe, Ni,CoNi,...). Можно также использовать неметаллические магнитные материалы, как, например, магнитные полупроводники, такие как GaMnAs (GaAs, легированный Mn). Следует отметить, что известные магнитные полупроводники являются магнитными только при температурах ниже температуры окружающей среды.

В случае, когда перпендикулярная анизотропия магнитного материала наводится границами раздела, можно получить намагничивание, перпендикулярное плоскости, воздействуя на толщину центрального слоя и/или на степень окисления наружного слоя из оксида, например, путем изменения параметров осаждения этого наружного слоя или с помощью отжига после изготовления набора слов.

Пример: набор слоев, содержащий проводящий слой 14 из Pt (толщиной 3 нм), центральный слой 13 из Со (толщиной 1 нм) и слой 12 из AlOx, имеет для данного состояния окисления слоя AlOx перпендикулярное намагничивание, тогда как если толщина слоя Со равна 1,5 нм, то имеет место намагничивание в плоскости. Если набор слоев подвергается отжигу при 300°С в течение 60 минут в вакууме, то намагничивание центрального слоя 13 из Со становится перпендикулярным плоскости.

При толщине слоя Со выше 3 нм нельзя получить намагничивание вне плоскости независимо от отжига или параметров окисления, если слой 12 выполнен из AlOx. Если, напротив, диэлектриком, используемым для слоя 12, является MgOx, можно получить перпендикулярное намагничивание при толщине центрального слоя, превышающего или равного 3 нм.

Влияние толщины слоя кобальта на магнитные свойства для различных оксидов (AlOx, MgOx, SiOx) описано в статье “Domain Patterns and Magnetisation revercal in Oxide/Co/Pt Films” Jae Chul LEE и сотрудники, появившейся в IEEE Transfction on Magnetics, том 46 № 6 за июнь 2010.

Влияние окисления и отжига на магнитные свойства трехслойных соединений Pt/Co/AlOx было описано в статье “Influence of Thermal annealing on the perpendicular magnetic anisotropy of Pt/Co/AlOx trilayers” B. RODMACQ и сотрудники, появившейся в Phisical Review B 79 024423, (2009).

Влияние состояния окисления слоя оксида на магнитные свойства слоя кобальта в трехслойном наборе слоев платина/кобальт/окисел металла было описано в статье “Analysis of oxygen induced anisotropy crossover in Pt/Co/MOx trilayers” автора A.MANCHON и сотрудников, появившейся в Journal of Applied Physics 104, 043914 (2008).

Два немагнитных слоя 12 и 14 должны быть различными для того, чтобы создать асимметрию инверсии в общей структуре. Предпочтительно выбирают два различных материала для каждого из этих слоев, например диэлектрик для одного из двух и металл для другого, но можно выбрать один металл для каждого из них. Случай, когда два слоя 12 и 14 являются диэлектрическими, возможен, только если структурируют дорожку, а не выступ. Можно заставить протекать ток непосредственно в центральном слое 13.

Так, каждый из двух слоев 12 и 14 может быть выполнен из следующих материалов при условии, чтобы эти слои были различными для того, чтобы общий набор слоев (слои 12, 13 и 14) имел перпендикулярное намагничивание: диэлектрический оксид (SiO_x, AlOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOx...), диэлектрический нитрид (SiN_X, BN_X...), немагнитный материал (Pt, Pd, Cu, Au, Bi...), немагнитный сплав этих металлов, органический или неорганический полупроводниковый компонент (например, GaAs, Si,Ge, Graphene), связанный, при необходимости, усилительным буфером, например, таким металлом, как иридий.

В случае, когда один или другой немагнитные слои являются проводящими, то есть в случае металла или сплава, оба внешних слоя не должны иметь одинаковый состав.

Толщина слоев 12 и 14 может быть выбрана в широком диапазоне величин, обычно от 0,5 до 200 нм толщины, и в частности от 5 до 100 нм. В случае, когда слой 12 является изолирующим, отсутствуют неудобства, связанные с тем, что его величина достигает верхней обозначенной величины, а именно 200 нм, за исключением случаев, когда считывание точки памяти осуществляется с помощью магниторезистивного туннельного сигнала с добавлением, например, магнитного слоя и электрода над этим изолирующим слоем, изображенным на фиг. 2а и 2b. В этом случае толщина этого изолирующего слоя будет предпочтительно выбрана меньшей 3 нм. Напротив, в случае металлических слоев 12 и/или 14 предпочтение отдается тонким слоям, обычно меньшим 5 нм, и, в общем, меньшим 10 нм, чтобы не уменьшать эффективный ток, проходящий в магнитном слое вследствие параллельных проводящих каналов. В случае, когда слой 12 является металлическим и считывание точки памяти осуществляется с помощью сигнала большого магниторезистивности с добавлением, например, магнитного слоя и электрода над этим металлическим слоем, как изображено на фиг. 2а и 2b, толщина этого проводящего слоя 12 будет выбираться обычно меньшей 10 нм и предпочтительно меньшей 5 нм.

Эти различные слои могут быть нанесены любой известной технологией, такой как: испарение, распыление, электрохимическое нанесение, химическое выращивание...

Слой 14 может быть выполнен в определенных геометрических размерах. Магнитный слой 13, таким образом, наносится непосредственно на изолирующую подложку 15, а немагнитный слой 12 выбран так, чтобы иметь асимметрию инверсии из материала, отличного от материала подложки 15. Тем не менее, следует отметить, что в случае, когда контакты структурированы, слой 14 должен иметься и быть образован из электропроводного материала так, чтобы иметь возможность инжектировать ток в центральный слой 13 структурированных контактов (в данном случае 18а и 18b). В этом случае выступающая часть 14' также должна быть проводящей, чтобы генерировать в комбинации со слоем 12 асимметрию инверсии, которая необходима для генерирования поля Рашбы и обеспечения инжекции тока в центральный магнитный слой 13.

Инвертируемый элемент, будь-то дорожка, изображенная на фиг. 1а и 1b, или контакт, установленный или структурированный на дорожке (фиг. 1с - фиг. 1f), соединен известным образом с проводящими электродами так, чтобы инжектировать в проводящий слой ток в направлении 11, указанном на фиг.1, что позволяет осуществить токовую инжекцию в центральный магнитный слой 13. Магнитное поле накладывается на структуру 17 коллинеарно в направлении 11 тока инжекции. Ток может быть приложен в направлении 11 по направлению стрелки I₊ или в направлении, противоположном направлению стрелки I_-. Таким же образом магнитное поле может быть наложено в направлении 17 по направлению стрелки Н₊ или в противоположном направлении по стрелке Н_-.

Пара направлений тока и поля стабилизирует направление намагничивания.

Например, момент вращения I₊, H₊ стабилизирует конфигурацию намагничивания вверх, как изображено на фиг. 1а-1f.

Исходя из конфигурации, в которой намагничивание элемента осуществлялось только вверх, можно его инвертировать при сохранении направления электрического тока I₊, изменяя направление приложенного магнитного поля Н_-.

Другое решение заключается в сохранении направления магнитного поля Н₊ и изменении направления электрического поля I_- Это решение является предпочтительным, так как оно позволяет использовать статическое магнитное поле, образуемое, например, постоянными магнитами и не потребляющими никакой энергии.

Можно инвертировать намагничивание вниз, воздействуя на направление приложенного магнитного поля, что приводит к вращающему моменту (I₊,H_-), или воздействуя на направление приложенного тока, что приводит к вращающему моменту (I_-,H₊), при этом вращающий момент (I_-,H₊) является предпочтительным, как указывалось выше. Как только намагничивание инвертировано, оно становится стабильным даже при отсутствии инжектированного тока и при наличии или отсутствии статического магнитного поля.

Одновременное изменение направления тока и направления намагничивания приводит к вращающему моменту (I_-,H_-), который стабилизирует также намагничивание вверх.

В общем, следует отметить, что нет необходимости в том, чтобы внешнее поле было точно параллельно направлению тока. Следует иметь внешнее магнитное поле в плоскости, перпендикулярной намагничиванию, это внешнее магнитное поле имеет ненулевой компонент, параллельный току. Наблюдают расхождение до угла в 60° между приложенным полем и током.

Типичные значения плотностей тока, инжектируемых в слой 14, составляют от 10⁴ А/см² до 10⁹ А/см² и они предпочтительно составляют от 10⁵ А/см² до 10⁸ А/см².

Обычные величины компонента магнитного поля, приложенного вдоль направления тока, составляют от 20 Ое-10 кОе, то есть от 0,002 Тл и 1 Тл. Предпочтительно, следует выбирать величину, составляющую от 50 Ое(0,005 Тл) и 8000 Ое(0,8 Тл). Следует удерживать эту величину достаточно слабой для того, чтобы не индуцировать очень большое уменьшение энергетического барьера, разделяющего две ориентации намагничивания, что могло бы вызвать нежелательные инверсии.

Для этого величина приложенного магнитного поля выбирается значительно меньшей эффективного поля анизотропии магнитного слоя.

Например, центральный слой из Со между слоем 14 из Pt и слоем 12 из MgO имеет эффективное поле анизотропии в 0,8 Тл (8000 Ое), и можно без проблем наложить магнитное поле в 0,008 Тл (800 Ое).

Величина наложенного магнитного поля может быть на практике выбрана с учетом от 3 до 10 раз меньшей эффективного поля анизотропии и в особенности от 4 до 10 раз меньшей этой величины.

Магнитное поле может быть наложено различными способами, например просто с помощью тока, проходящего по одной или нескольким катушкам для генерирования общего поля на все устройство; либо с помощью дорожек, по которым проходит ток, как осуществлено в магниторезистивной оперативной памяти с инверсией, вызванной магнитным полем; либо, предпочтительно, с помощью постоянных магнитов, размещенных вблизи по меньшей мере одного инвертируемого контакта. Это решение имеет значительное преимущество в том, что не требует энергетического потребления для генерирования магнитного поля. Эти постоянные магниты могут быть получены путем структурирования магнитного покрытия, что облегчает встраивание этой техники инверсии в функциональные устройства, например, типа памяти или логики.

Можно также использовать один или несколько постоянных магнитов, расположенных снаружи системы контактов для того, чтобы генерировать поле на всю структуру.

Фиг. 2а и 2b представляют пример набора слоев, используемых в ячейке записывающей памяти MRAM.

Позицией 53 обозначен центральный магнитный слой, размещенный между двумя немагнитными материалами 52 и 54 для изготовления описанного выше набора слоев на электрически изолированной подложке 55.

Позицией 57 обозначено направление вешнего накладываемого поля.

Над набором слоев для считывания расположен слой 58 магнитного материала и верхний электрод 59, который может содержать один или несколько проводящих слоев (магнитных или немагнитных).

Функцией слоя 58 является обеспечение того, чтобы структура 53, 52, 58 имела различные величины электрического сопротивления в зависимости от направления намагничивания 56 слоя 53 (магниторезистивный сигнал). Она используется только для считывания и не оказывает никакого влияния на изменение намагничивания слоя 53.

Другими словами запись и считывание осуществляется независимо, и могут быть оптимизированы раздельно.

Электрод 59 может содержать один слой или известным образом набор различных функциональных слоев. Он, например, может содержать:

- набор слоев, выполненный из синтетического антиферромагнетика для того, чтобы ограничить поля, излучаемые на слой 53, которым стремятся манипулировать, например набор слоев, содержащий слой ферромагнетика, отделенный от слоя ферромагнетика 58 очень тонким слоем немагнитного металлического материала, обычно 0,3 нм рутения (Ru), при этом величины намагничиваний двух ферромагнитных слоев выбираются наиболее возможно близкими для того, чтобы антиферромагнитное взаимодействие, наличие которого обязано слою рутения, являлось следствием общего поля, излучаемого этими тремя слоями на слой 53, которое является нулевым или квазинулевым;

- либо антиферромагнитный магнитный материал, взаимодействующий путем обмена со слоем 58 так, чтобы стабилизировать этот слой 58, называемый опорным;

- либо проводящие немагнитные материалы для изготовления электрических контактов;

- или комбинации этих различных возможностей, например, антиферромагнитного материала, расположенного рядом с ферромагнитным материалом так, чтобы стабилизировать намагничивание последнего путем взаимодействия между двумя этими материалами, причем этот ферромагнитный материал отделен от слоя 58 тонким металлическим слоем, обычно 0,03 нм Ru, для того, чтобы магнитное взаимодействие между этими двумя ферромагнитными слоями стало антиферромагнитным. Наконец, первый магнитный материал покрыт одним или несколькими немагнитными проводящими слоями, например, 5 нм Та, покрытого 7 нм Ru. Примеры таких комбинаций, например, можно найти в магнитных наборах слоев, используемых для инверсии STT, описанных в B. DIENY et al.,Int.J.Nanotechnology, vol.7,591 (2010).

Две основных конфигурации могут быть отличны в соответствии с природой слоя 52: если он является немагнитным металлическим, структура 53, 52, 58 представляет собой затвор спина, а если слой 52 является диэлектрическим, то структура 53, 52, 58 представляет собой магнитный туннельный электронно-дырочный переход. Так как магниторезистивный сигнал является гораздо более значимым для этих структур, то они будут наиболее подходящими. Кроме того, для большей оптимизации магниторезистивного сигнала в том и другом случаях больше подходит конфигурация, в которой намагничивание слоя 58 является коллинеарным, или параллельным, или антипараллельным намагничиванию слоя 53.

А, В и С (фиг. 2а и 2b) обозначают три электрических соединительных зажима. В фазе записи ток записи инжектируется между зажимами А и В (эквивалентным образом напряжение прикладывается между этими зажимами так, чтобы заставить протекать ток). Ток записи проходит в магнитный слой 53 и вызывает в этом слое эффективное магнитное поле, вызванное полем Рашбы и обменным взаимодействием s-d, воздействующим на локальное намагничивание (см. указанную статью MIRON и сотрудники). Это эффективное поле H_eff далее будет называться эквивалентным образом спин-орбитальным полем или эффективным полем H_eff. Это спин-орбитальное поле в комбинации с внешним приложенным полем позволяет осуществить по изобретению манипулирование намагничиванием. В случае, когда слой 52 образован диэлектрическим материалом, инжектированный сбоку ток не проходит через этот слой и не нарушает его. Считывание сохраненной информации, обычно ориентации намагничивания в поле 53, осуществляется как для структуры типа туннельного электронно-дырочного перехода, так и затвора спина, инжектируя ток малой плотности (например, порядка нескольких мкА или нескольких десятков мкА в случае туннельного электронно-дырочного перехода) между зажимами С и В (или эквивалентным образом между зажимами С и А), и измеряя напряжение между этими зажимами; либо прикладывая постоянное напряжение между зажимами В и С (или эквивалентным образом между зажимами С и А) и измеряя ток, который протекает между этими заж