МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2024 года по МПК G11C11/15 

Изобретение относится к магнитоэлектрической оперативной памяти и может быть использовано для обработки сигналов в различных магнитоэлектрических устройствах.

Известны принципы построения энергонезависимых устройств магнитоэлектрической оперативной памяти (ЭМП). Они основаны на взаимодействии спиновой системы с кристаллической решеткой посредством магнитоупругой связи, что приводит к значительным изменениям свойств магнетиков вблизи фазового перехода, а именно значительное увеличение восприимчивости структуры. В работе (Tiercelin N., Talbi A., Giordano S., et al., From non-linear magnetoacoustics and spin reorientation transition to magnetoelectric micro/nano-systems // Proc. SPIE 10357, Spintronics X. - 2017. - V. 10357. - P. 103571T) описана ячейка ЭМП. Она представляет собой многослойную структуру, состоящую из N слоев TbCo₂/FeCo, нанесенную на пьезоэлектрический или сегнетоэлектрический кристалл. Слои TbCo₂/FeCo представляют собой мультиферроики, состоящие из магнитного материала в сочетании с материалами с сильно выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Внешнее магнитное поле приложено в плоскости образца и его направление перпендикулярно относительно оси анизотропии. Несмотря на перспективы такой ячейки, она работает при больших магнитных внешних полях (порядка полей анизотропии >200 Э), Переход вблизи неустойчивости присущ не только ферромагнетикам, но и антиферромагнетикам типа "легкая плоскость" (α-Fe₂O₃, MnCO₃, IrMn и др.). Причем среди антиферромагнетиков (АФМ) есть такие материалы как, например, MnO и Cr₂O₃, в которых магнитные подрешетки M₁ и М₂ имеют скомпенсированные магнитные моменты (полная намагниченность равна 0), а также материалы с некомпенсированными подрешетками (обладающие слабым ферромагнетизмом), например, α-Fe₂O₃. Последние имеют ряд преимуществ, связанных с перемагничиванием при разной ориентации магнитного поля.

Из заявки (CN 113206190 (А) - Beihang University, 11.10.2022) известна ЭМП, которая состоит из слоев пьезоэлектрического материала, проводящего оксида, мультиферроидного материала и электродов, управляющих поляризацией слоя пьезоэлектрического материала посредством электрических полей. Устройство обладает высокой повторяемостью и детерминированным, 180-градусным переворотом намагниченности, управляемым электрическим полем, которое управляет переключением электрической поляризации слоя мультиферроика и вызывает искажение решетки слоя пьезоэлектрического материала. Такая ячейка позволяет реализовать два энергонезависимых высокоповторяемых состояния намагничивание на 180° без внешнего магнитного поля. Под действием переключающего электрического поля вектор намагниченности поворачивается на 90° по часовой стрелке, когда на слой мультиферроика действует прямое электрическое поле, и на 90° против часовой стрелки, когда было подано обратное поле. К недостаткам устройства можно отнести большие величины полей (200 Э), необходимых для перемагничивания, так как для такой ячейки необходимо подобрать такое поле, чтобы его было достаточно для поворота легкой оси.

В заявке (US 2019198754 A1, Intel Corporation, 27.06.2021) описана ячейка ЭМП на основе гетероструктуры ферромагнетик-пьезоэлектрик (ФМ-ПЭ). Электроды такой ячейки расположены вдоль слоев.

Многослойная структура подключена к источнику напряжения. Намагниченность в ферромагнитном материале направлена вдоль "трудной" оси ввиду комбинации пьезоэлектрических и магнитострикционных эффектов. Кроме того, присутствует обменное взаимодействие между слоями магнитоэлектрика и ферромагнетика, которое направляет результирующую намагниченность вдоль или против оси X. Таким образом, вектор намагниченности имеет два стабильных состояния, которыми можно управлять с помощью внешнего напряжения. Для такой ячейки основным состоянием является направление намагниченности вдоль "трудной" оси, а другое состояние не является абсолютно стабильным, а является результатом воздействия пьезоэлектрических эффектов, что представляет собой существенный недостаток. Для фиксирования и затем считывания второго состояния требуется прикладывание постоянного магнитного поля. При снятии внешнего напряжения суммарный вектор намагниченности возвращается в свое изначальное положение. Данный недостаток усложняет управление ячейкой при создании многокомпонентного устройства, содержащего несколько десятков или сотни элементов в матрице.

В патенте RU 2573207 (С2) - САНТР НАСЬОНАЛЬ ДЕ ЛЯ РЕШЕРШ СЬЯНТИФИК (FR), ЭКОЛЬ САНТРАЛЬ ДЕ ЛИЛЛЬ (FR), 20.01.2016), описана ячейка ЭМП, которая содержит магнитный элемент, имеющий два направления стабильных состояний намагниченности, причем эти направления не являются противоположными друг другу; пьезоэлектрическую подложку, механически связанную с магнитным элементом; и первый и второй электроды, выполненные с возможностью приложения электрического поля к пьезоэлектрической подложке таким образом, чтобы упомянутая подложка действовала на магнитный элемент за счет магнитострикционной связи. Ориентации намагниченности определяются сочетанием одноосной анизотропии вместе с магнитной поляризацией в направлении "трудной" оси. Однако реализация такой ячейки ЭПМ сложна по технологическим причинам. Необходимо добавить слой антиферромагнитного материала, нанесенного сверху или снизу на элемент, чтобы сохранять постоянным состояние намагниченности, или помещать ячейку во внешнее магнитное поле. Еще одним недостатком является то, что такая ячейка содержит два стабильных состояния, одно из которых может быть реализовано только при приложении механического напряжения к пьезоэлектрической или электрострикционной подложке. После прекращения действий механического напряжения система оказывается вдоль одного равновесного значения, независимо от своего текущего состояния. В таком случае без механического напряжения невозможно считывать два состояния, что, в свою очередь, усложняет реализацию таких устройств. Если реализовать ячейку ЭПМ на ферромагнитных материалах, то основным недостатком будет то, что потребуются большие магнитные поля (ок. 1000 Э) для переключения.

В патенте (ЕА 038296 (B1) - IP2IPO INNOVATIONS LTD, 05.08.2021) описана ячейка ЭПМ, которая состоит из ферромагнитного материала, который имеет магнитную поляризацию, пьезомагнитного слоя, состоящий из антиперовскитного пьезомагнитного материала (например, Mn₃SnN или Mn₃GaN), и вызывающего деформацию слой пьезоэлектрика. Деформации от прикладываемого напряжения передаются от слоя пьезоэлектрика в слой пьезомагнетика, который обладает сильной магнитоупругой связью. Принцип действия основан на изменении температуры Нееля у антиперовскитных пьезомагнетиков, с приложением деформаций. К недостаткам устройства можно отнести необходимость помещения ячейки в магнитное поле, что существенным образом усложняет реализацию и дает ограничение на размеры образца. К тому же принцип действия ячейки основан на роли деформаций для антиперовскитного материала. Для реализации необходимо подбирать между собой различные магнитные и немагнитные слои (антиперовскит /ферромагнетик/пьезоэлектрик) для согласования параметров решетки. В заявке указано рекомендуемое значение рассогласования ок. 1%.

В заявке (CN 115996625 (A), UNIV BEIHANG, 21.04.2023) описана ячейка ЭПМ. Она содержит антиферромагнитный оксидный материал и пьезоэлектрическую подложку, которая генерирует механическое напряжение при приложении внешнего электрического поля. Ось магнитного вращения ориентирована так, что сопротивление в функциональном слое антиферромагнитного оксида создает различные энергонезависимые состояния сопротивления. Принцип действия основан на том, что сопротивление в антиферромагнитном оксидном функциональном слое создает различные состояния энергонезависимого сопротивления, включая: состояние высокого сопротивления и состояние низкого сопротивления. Состояние высокого сопротивления обозначено как «1», а состояние низкого сопротивления используется как «0». Кроме пьезоэлектрической подложки предложена в заявке сегнетоэлектрическая подложка на основе мультиферроидного материала BiFeO₃. Толщина этого слоя может варьироваться от 500 нм до 1 мм. Недостатком такой ячейки является невозможность фиксации магнитного состояния "0" или "1" без приложения напряжения.

Наиболее близким к патентуемому устройству является ЭПМ, описанное в статье (Yan Н., Feng Z., Shang S.A., et.al. A piezoelectric, strain-controlled antiferromagnetic memory insensitive to magnetic fields // Nature Nanotechnology. - 2019. - V. 14. - P. 131-136. Рис. 5 (a) - прототип). Ячейка ЭПМ содержит высокотемпературный антиферромагнетик MnPt и пьезоэлектрическую подложку состава 0,72PbMg1/3Nb₂/3O₃-0,28PbTiO₃, а для считывания двух состояний используется метод туннельного сопротивления с добавлением буферного слоя MgAl₂O₄ и слоя платины Pt. Для такой структуры существуют два энергонезависимых состояния при комнатной температуре в отсутствии электрического поля. Эти состояния стабильны в магнитных полях до 60 Т. Таким образом, в статье демонстрируется пьезоэлектрическая антиферромагнитная память, которая полностью работоспособна в сильных магнитных полях и имеет потенциал для приложений памяти с низким энергопотреблением и высокой плотностью записи информации. Однако ячейка ЭПМ использует два состояния с разными сопротивлениями и отсутствие оптимизации переключения между двумя состояниями, что создает технологическую сложность.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы - повышение скорости переключения между состояниями "0" и "1".

Патентуемый магнитоэлектрический элемент для энергонезависимых запоминающих устройств представляет собой гетероструктуру, размещенную на пьезоэлектрической подложке, с электродами, подключенными к источникам постоянного и импульсного напряжения.

Отличие состоит в том, гетероструктура образована слоями антиферромагнитного и мультиферроидного материалов таким образом, что слой антиферромагнитного материала нанесен на поверхность пьезоэлектрической подложки через слой мультиферроидного материала.

Источник постоянного напряжения присоединен к электродам, один из которых размещен на свободной поверхности пьезоэлектрической подложки, а другой - на свободной поверхности слоя антиферромагнитного материала, а источник импульсного напряжения присоединен к электродам, размещенным по боковым поверхностям гетероструктуры, перпендикулярным направлению поляризации пьезоэлектрической подложки.

Магнитоэлектрический элемент может характеризоваться тем, что слой антиферромагнитного материала выполнен из α-Fe₂O₃ или IrMn и имеет вид анизотропии типа легкая плоскость, а слой мультиферроидного материала выполнен из BiFeO₃, при этом толщина слоя выбрана из условия проявления у него антиферромагнитных и ферроэластичных свойств.

Пьезоэлектрическая подложка может быть выполнена из LiNbO₃.

Гетероструктура на основе спин-переориентационного перехода в АФМ имеет ряд преимуществ перед другими ячейками памяти. Например, в антиферромагнетиках имеется малый вектор намагниченности (сумма векторов намагниченности подрешеток), а значит и малая величина размагничивающего поля. Наличие малой величины вектора намагниченности для ячейки памяти открывает перспективы в области электроники быстрых процессов, процесс переключения может проходить быстрее, чем в других структурах.

Технический результат - повышение скорости переключения между состояниями "0" и "1" при малых величинах прикладываемого напряжения ~0,06-0,08 В.

Существо изобретения поясняется на фигурах, где:

Фиг. 1 - структура ячейки ЭМП, где введено обозначение: слой антиферромагнетика (1) с анизотропией "легкая плоскость", слой мультиферроика (2), пьезоэлектрическая подложка (3), электроды (4, 5, 6), источник постоянного напряжения (7), источник импульсного напряжения (8). Напряжение приложено вдоль оси х.

Фиг.2 - Изменение порога энергии магнитной гетероструктуры ячейки ЭМП с приложением давления вдоль оси х. Схема эксперимента: а) высокий порог энергии для переориентации вектора намагниченности; б) уменьшение порога энергии при приложении напряжения к пьезоэлектрическому слою для изменения положения равновесия; в) после снятия напряжения порог энергии возвращается к начальному значению и затрудняет процесс перемагничивания. Для наглядности были использованы параметры гематита (α-Fe₂O₃).

Фиг. 3 - Динамика вектора намагниченности в гетероструктуре при приложении внешнего напряжения, а также импульсное напряжение, прикладываемое к ячейке ЭМП, которое меняет тип анизотропии антиферромагнетика. Переход осуществляется при полях больших поля анизотропии.

Фиг. 4 - Импульсное напряжение, приложенное к ячейке ЭМП, которое меняет тип анизотропии антиферромагнетика. Переход осуществляется при полях больше поля анизотропии.

Фиг. 5 - Структура ячейки ЭМП с возможностью считывания состояния вектора намагниченности путем измерения туннельного сопротивления.

Многослойная структура ЭПМ представлена на Фиг. 1, которая содержит слой антиферромагнетика 1, слой мультиферроика 2, пьезоэлектрическую подложку 3, электроды 4, 5, 6, источник 7 постоянного напряжения и источник 8 импульсного напряжения.

Слой 1 должен быть выполнен из антиферромагнитного материала со слабым ферромагнетизмом, предпочтительно с анизотропией типа "легкая плоскость" (например, гематита α-Fe₂O₃). Для такого типа антиферромагнетиков характерно взаимодействие Дзялошинского-Мория, определяющее величину скоса магнитных подрешеток. Для гематита величина скоса или отношение поля Дзялошинского-Мории к обменному полю составляет ~ 0.2%. Толщина слоя 1 варьируется от 1 нм до 50 нм.

Запись информации осуществляется в слое антиферромагнетика посредством взаимодействия с соседствующим электрочувствительным слоем мультиферроика. При этом слой мультиферроика должен иметь определенную толщину. В тонких (<500 нм) слоях 2 мультиферроика, например, феррита висмута BiFeO₃, манганата (YMnO₃, LuMnO₃) и других, пространственная структура подавляется. При этом реализуется антиферромагнитное упорядочение со слабым ферромагнетизмом, обусловленным взаимодействием Дзялошинского-Мория. Пленка феррита висмута обладает свойствами ферроэластика, поэтому в свободном слое при изменении направления спонтанной поляризации под действием электрического поля 7 происходит изменение спонтанной деформации слоя. Прикладывая напряжение 7 к мультиферроидному слою 2 (причем знак поля не имеет значения), происходит разворот вектора поляризации и связанного с ним вектора антиферромагнетизма в слое мультиферроика 2. Это в свою очередь приводит к развороту намагниченности антиферромагнитного слоя 1 на 90 градусов за счет обменного взаимодействия на границе раздела антиферромагнетик - мультиферроик (Фиг. 1).

В качестве подложки 3 должен быть использован диэлектрический пьезоэлектрик. Пьезоэлектрик выполняет роль подложки для антиферромагнетика, поэтому параметры слоев должны быть хорошо подобраны. Подложка 3 может быть реализована из пьезоэлектрического диэлектрика без магнитных свойств, например, кристаллического кварца, ниобата или танталата лития или других материалов. Толщина подложки 3 варьируется в диапазоне от 100 нм до 1 мм.

Электроды 4, 5 и 6 могут быть реализованы из металла высокой проводимости, например меди или платины. Толщина электрода может варьироваться от 50 нм до 1 мкм. Электроды 5 и 6 предназначены для понижения порога энергии антиферромагнетика, а электрод 4 предназначен для управления гетероструктурой.

Токопроводы 9 могут быть реализованы из металла высокой проводимости, например меди, или платины. Предпочтительно, чтобы материалы токопроводов и слоя электродов 4, 5 и 6 совпадали.

Устройство работает следующим образом.

При приложении к гетероструктуре потенциала от источника 7 и 8, деформации, возникающие в слое 3 пьезоэлектрика, передаются в слой 2 мультиферроика. В слое 2 происходит разворот вектора поляризации и связанного с ним вектора антиферромагнетизма в слое мультиферроика. Изменение магнитной системы мультиферроика влияет на магнитную систему слоя 1 антиферромагнетика. В антиферромагнетике такие деформации влияют на магнитную подсистему через магнитоупругое взаимодействие, индуцируя поля наведенной магнитной анизотропии. С помощью обратной магнитострикции понижается порог энергии для перемагничивания (Фиг. 2 (б)), а значит при приближении давления к пороговому значению (преодолению энергии анизотропии) будет происходить изменение равновесного состояния (поворот на 180°). Процесс перемагничивания можно описать, как приближение напряжением от источника 8 к процессу фазового перехода, когда ось "трудного" намагничивания становится осью "легкого" намагничивания. В таком случае происходит фазовый переход антиферромагнетика типа "легкая плоскость" - "легкая ось" (Фиг. 3). "Легкая плоскость", согласно Фиг. 3, расположена в плоскости - YZ, а "легкая ось" будет располагаться по оси X. К тому же поле размагничивания "закрепляет" вектор намагниченности вдоль оси Y. Поскольку два состояния вдоль оси Y симметричны по энергии АФМ, суммарная намагниченность под напряжением, примерно равным полю анизотропии, принимает значения либо вдоль, либо против "легкой оси". При этом можно получить разные состояния, соответствующие углам θ=±180, которые можно условно обозначить как "0" и "1". Если приложить к гетероструктуре постоянное напряжение (так чтобы вектор поляризации был направлен вдоль оси X), согласно Фиг. 1, перпендикулярно направленное к плоскости слоев, то слой мультиферроика будет определять направления движения и перемагничивание будет происходить однозначно в другое равновесное состояние (из "0" в "1" и наоборот) (Фиг. 4).

Необходимо отметить, что каждое положение намагниченности является стабильным, так как после снятия напряжения порог энергии возвращается к прежнему высокому значению и процесс самопроизвольного перемагничивания становится невозможным (Фиг. 2 (в)).

Для считывания состояния вектора намагниченности для гетероструктуры ЭПМ использован метод туннельного магнетосопротивления (MTJ) путем нанесения ферромагнитного слоя 10, разделенного диэлектрической прослойкой 11 (фиг. 5). Параллельная ориентация намагниченностей двух слоев служит для записи значения информации, например, "0", а взаимно перпендикулярная ориентация намагниченностей используется для записи "1". Поскольку таким состояниям соответствуют различные величины туннельного сопротивления, считывание информации происходит путем измерения его значения. Время переключения ячейки памяти тем меньше, чем больше прикладываемое механическое напряжение, а также время может быть сокращено с добавлением слоя 2 мультиферроика, так как обладает к тому же ферроэластичными свойствами. Таким образом, интенсивность механического напряжения и скорость записи будут прямо пропорциональны, что дает возможность контролировать скорость переключения.

Усовершенствование ячейки ЭМП направлено на управление фазовым переходом в слое 1 антиферромагнетика со слабым ферромагнетизмом, совмещенным со слоем 2 мультиферроика посредством механических деформаций от пьезоэлектрической подложки 3 и приложением к ячейке ЭПМ постоянного напряжения от источника 7. Дополнительный тонкий слой 2 мультиферроика проявляет ферримагнитные свойства, что позволяет зафиксировать намагниченность в свободном слое 1 антиферромагнетика и осуществлять однозначный перевод состояния из "0" в "1".

В общем случае для конфигурации, приведенной на Фиг. 1, плотность свободной энергии с учетом внешнего давления (магнитострикция) и однонаправленной анизотропии можно записать в виде:

При этом было введено обозначение: M - полная намагниченность, ϕ - угол между проекцией намагниченности на плоскость YZ и осью Y, θ - угол между намагниченностью и осью X, H_A - поле анизотропии, H_ms - поле магнитострикции, - обменное поле и P - вектор поляризации.

Для учета влияния внешнего давления на фазовый переход второго рода оценена свободная энергия по модели Ландау:

где η - параметр порядка, , и . При этом параметр зависит и от магнитострикции, т.е. от приложенного давления. Исходя из этой модели, восприимчивость, которая определяется как будет возрастать при приложении давления на образец. При этом порог энергии антиферромагнетика будет уменьшаться, и соответственно переключение будет происходить при меньших полях. Уменьшение порога энергии отмечено на Фиг. 2(б). Каждое положение намагниченности является стабильным, в результате обеспечивается переключение между состояниями в отсутствии внешнего поля с возрастанием восприимчивости, согласно формуле (2).

Пример 1. Все слои наносятся магнетронным распылением на изоляционную пьезоэлектрическую подложку из LiNbO₃. Используется антиферромагнетик α-Fe₂O₃ толщиной 50 нм, в качестве мультиферроика - феррит висмута BiFeO₃ толщиной 300 нм. Электроды выполняются из платины и имеют толщину 1 мкм. При приложении импульсного внешнего потенциала ~0,08-0,1 В и постоянного напряжения ~100 В (поле анизотропии для α-Fe₂O₃ составляет Н_А=23,8 mT) происходит перемагничивание.

Пример 2. Все слои наносятся магнетронным распылением на изоляционную пьезоэлектрическую подложку LiNbO₃. В качестве антиферромагнитного слоя используется антиферромагнетик IrMn толщиной 50 нм. В качестве мультиферроика - BiFeO₃ толщиной 100 нм. Электроды выполнены из платины и толщиной 1 мкм. При прикладывании импульсного внешнего потенциала ~0,06-0,08 В и постоянного напряжения ~100 В (поле анизотропии составляет Н_А=13,6 mT) происходит перемагничивание.

Расчеты показывают, что в описанных структурах возможно повышение скорости переключения между состояниями "0" и "1" за времена порядка 40-60 нсек.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Магнитоэлектрический элемент для энергонезависимых запоминающих устройств представляет собой гетероструктуру, образованную слоями антиферромагнитного и мультиферроидного материалов таким образом, что слой антиферромагнитного материала нанесен на поверхность пьезоэлектрической подложки через слой мультиферроидного материала. Источник постоянного напряжения присоединен к электродам, один из которых размещен на свободной поверхности пьезоэлектрической подложки, а другой - на свободной поверхности слоя антиферромагнитного материала, а источник импульсного напряжения присоединен к электродам, размещенным по боковым поверхностям гетероструктуры, перпендикулярным направлению поляризации пьезоэлектрической подложки. Технический результат - повышение скорости переключения между состояниями "0" и "1" при малых величинах прикладываемого напряжения. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Магнитоэлектрический элемент для энергонезависимых запоминающих устройств, представляющий собой гетероструктуру, размещенную на пьезоэлектрической подложке, с электродами, подключенными к источникам постоянного и импульсного напряжения,

отличающий тем, что

гетероструктура образована слоями антиферромагнитного и мультиферроидного материалов таким образом, что слой антиферромагнитного материала нанесен на поверхность пьезоэлектрической подложки через слой мультиферроидного материала, при этом

источник постоянного напряжения присоединен к электродам, один из которых размещен на свободной поверхности пьезоэлектрической подложки, а другой - на свободной поверхности слоя антиферромагнитного материала, а источник импульсного напряжения присоединен к электродам, размещенным по боковым поверхностям гетероструктуры, перпендикулярным направлению поляризации пьезоэлектрической подложки.

2. Магнитоэлектрический элемент по п. 1, отличающий тем, что слой антиферромагнитного материала выполнен из α-Fe₂O₃ или IrMn и имеет вид анизотропии типа "легкая плоскость".

3. Магнитоэлектрический элемент по п. 1, отличающий тем, что слой мультиферроидного материала выполнен из BiFeO₃, при этом толщина слоя выбрана из условия проявления у него антиферромагнитных и ферроэластичных свойств.

4. Магнитоэлектрический элемент по п. 1, отличающий тем, что пьезоэлектрическая подложка выполнена из LiNbO₃.