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CN109300495A - 基于人工反铁磁自由层的磁性结构及sot-mram - Google Patents

基于人工反铁磁自由层的磁性结构及sot-mram Download PDF

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CN109300495A CN201811088726.XA CN201811088726A CN109300495A CN 109300495 A CN109300495 A CN 109300495A CN 201811088726 A CN201811088726 A CN 201811088726A CN 109300495 A CN109300495 A CN 109300495A
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Abstract

本发明公开了一种基于人工反铁磁自由层的磁性结构及自旋轨道矩‑磁性随机存储装置(Spin‑orbit torque magnetic random access memory，SOT‑MRAM)，其包含一个电场调控的基于人工反铁磁装置的自由层的磁性隧道结和一个自旋轨道矩材料层；其中基于人工反铁磁装置的自由层可以通过电场调控，实现反铁磁态到铁磁态的转变。所述装置可以在电场和电流的共同作用下实现数据的稳定写入，结构简单，具有功耗低、速度快、抗辐射、非易失性的优点。

Description

基于人工反铁磁自由层的磁性结构及SOT-MRAM
技术领域
本发明涉及具有磁性/铁磁材料或结构的电路和器件及其应用，更具体地说，涉及一种电场调控的基于人工反铁磁装置的自由层以及使用自旋轨道矩进行数据擦写的自旋轨道矩-磁性随机存储器(Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory，SOT-MRAM)。
背景技术
磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)由两磁性金属层和夹在其间的超薄绝缘层组成。如果在两磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可通过隧穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流/隧穿电阻的大小取决于两铁磁层中磁化的相对取向(平行或反平行，分别对应二进制状态的“1”和“0”。)，这种现象称为隧穿磁阻(Tunneling Magnetoresistance，TMR)。两铁磁层中磁化的相对取向可通过施加磁场来改变。
与传统MRAM相比，SOT-MRAM装置利用由电流产生的自旋轨道矩(而不是由电流产生的磁场)来切换自由层与固定层磁化的相对取向，继而实现数据写入。同时，器件结构也不易在高电流密度下受到破坏。但这种SOT-MRAM的写入电流密度还是很高，限制了存储单元阵列的排列密度。
因此，提供一种电场调控的基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM，即利用电场调控一种人工反铁磁装置由反铁磁态转变为铁磁态，使其作为磁性隧道结的自由层，结合电流直接切换自由层与固定层磁化的相对取向，实现数据写入，能够减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种磁性结构，该磁性结构包含了基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结和自旋轨道矩材料层，将该磁性结构用于SOT-MRAM中，从而实现减小写入电流密度，提高存储单元阵列排列密度，节约能耗的效果。
本发明目的之二在于提供一种用于电场辅助SOT-MRAM数据写入的基于人工反铁磁自由层的磁性结构的自旋轨道矩-磁性随机存储装置，该装置利用电场辅助实现数据写入，具有写入响应快的优点。
本发明目的之三在于提供一种读写分离的自旋轨道矩-磁性随机存储装置的写入方法，该方法极大程度降低了电流密度对MRAM工作寿命的影响。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明给出了一种磁性结构，包括一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结及一个自旋轨道矩材料层。
优选的，所述磁性隧道结包括一个固定层、一个基于人工反铁磁装置的自由层和一个非磁性势垒层，非磁性势垒层位于固定层和基于人工反铁磁装置的自由层之间；所述固定层和基于人工反铁磁装置的自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
人工反铁磁装置处于反铁磁态，其直径为1nm～100nm，将其置于外电场中，外加电场的电压调控所需范围为0.1V～15V，其会由反铁磁态转变为铁磁态；去掉电场，所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态，即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
优选的，所述基于人工反铁磁装置的自由层为第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构；
所述第一层及第二层铁磁层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
优选的，所述铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；
所述非磁性间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.1nm～10nm。
优选的，所述固定层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种。
优选的，所述固定层或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co。
优选的，所述固定层或由半金属铁磁材料制成，包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种。
优选的，所述固定层或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
优选的，所述非磁性势垒层为氧化物、氮化物或氮氧化物，其组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种。
优选的，所述非磁性势垒层或为金属或合金，其组成元素选自Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo或V中的一种或多种。
优选的，所述非磁性势垒层或选自SiC、C或陶瓷材料。
优选的，所述自旋轨道矩材料层与自由层近邻并与非磁性势垒层相对；
所述自旋轨道矩材料层在通入电流时，利用自旋轨道矩使邻近自由层磁矩翻转。
优选的，所述自旋轨道矩材料层由重金属材料制成，选自但不限于Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi或Po中的一种或多种。
优选的，所述自旋轨道矩材料层或由拓扑绝缘体材料制成，选自但不限于CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1-xSbx、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、(Bi,Sb)2Te3、Bi2-xSbxTe3-ySey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S,Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7中的一种或多种。
本发明进而给出了一种基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩-磁性随机存储装置，包括一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结及一个自旋轨道矩材料层构成的磁性结构；
还包括四个电极，第一电极与第二电极分别置于自旋轨道矩材料层两侧，第三电极与第四电极分别置于磁性隧道结固定层外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与自旋轨道矩材料层近邻并与自由层相对；
第三电极与第四电极通过外接电源产生电场，所述人工反铁磁装置可以在电场作用下实现其反铁磁态到铁磁态的转变。
优选的，所述电极材料为金属或合金材料，选自但不限于Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种。
优选的，所述电极材料或为碳系导电材料，选自但不限于石墨、碳纳米管或竹炭。
进一步，本发明给出了一种自旋轨道矩-磁性随机存储装置的写入方法，通过向自旋轨道矩材料层单独施加横向电流来实现写入时，所述横向电流密度大于临界值jc；通过同时向自旋轨道矩材料层施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流来实现写入时，所述横向电流密度低于临界值jc，其中jc在1×102～1×107A/cm2；所述横向电流为直流，所述纵向电流为直流或交流。和现有技术相比，本发明的特点是：①写入电流密度更低，磁化翻转临界电流密度大约在1×102～1×107A/cm2，而自旋转移矩-磁性随机存储器磁化翻转临界电流密度大约为1×107A/cm2；②通过电场调控人工反铁磁装置反铁磁态与铁磁态的转变，从而通过减小磁性隧道结的厚度来减小器件体积，提高存储单元阵列排列密度，并且写入响应速度快；③读写分离的结构有助于保护磁性结构在反复操作中不易被高电流密度损坏。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1(a)-(d)展示出根据本发明公开的一种可以通过电场调控的人工合成反铁磁装置。
图2展示出一种磁性结构200的示意图，它和本发明的任何其它图示均未按比例画出。
图3展示出一种电场调控的基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM示意图。
图4(a)展示出一种在电场及电流共同作用下，基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM写入数据“0”的中间过程；图4(b)展示了去掉电场后，基于人工反铁磁装置的自由层由铁磁态变为反铁磁态，该SOT-MRAM完成数据“0”写入的示意图；图4(c)展示出在无电场作用下基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM数据读取示意图。
图5(a)展示出一种在电场及电流共同作用下，基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM写入数据“1”的中间过程；图5(b)展示了去掉电场后，基于人工反铁磁装置的自由层由铁磁态变为反铁磁态，该SOT-MRAM完成数据“1”写入的示意图；图5(c)展示出在无电场作用下基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM数据读取示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明技术方案做详细说明，以下实施例涉及一种通过电场调控人工反铁磁装置从反铁磁态到铁磁态转变的磁随机存储装置，但不构成对本发明做任何限制的依据。
图1(a)-(d)展示出根据本发明公开的一种可以通过电场调控的人工反铁磁装置10，图1(a)-(d)和本发明的任何其它图示未按比例画出。图1(a)-(b)为磁化方向大致垂直指向面外的人工反铁磁装置，图1(c)-(d)为磁化方向大致平行于面内的人工反铁磁装置。如图1(a)-(d)所示，该人工反铁磁装置10由“第一铁磁层11-非磁性间隔层12-第二铁磁层13”构成，其中第一、第二铁磁层11、13材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，非磁性间隔层12材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。如图1(a)及图1(c)所示，加电场前，人工反铁磁装置10处于反铁磁状态，其直径为1nm～100nm，将其置于外电场中，加电场后，外加电场的电压调控所需范围为0.1V～15V，如图1(b)及图1(d)所示，人工反铁磁装置10由反铁磁状态转变为铁磁状态，去掉电场，所述人工反铁磁装置10由铁磁态退回到反铁磁态，即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。图中电场由其它装置产生，这里用符号E表示。上述非磁性间隔层的厚度为0.1nm～10nm。
图2展示出一种磁性结构200的示意图，该磁性结构200包括一个基于人工反铁磁自由层21的磁性隧道结20及一个自旋轨道矩材料层24。
磁性隧道结20包括一个基于人工反铁磁装置的自由层21、一个固定层23和一个位于基于人工反铁磁装置的自由层21和固定层23之间的非磁性势垒层22。一个基于人工反铁磁装置的自由层21和固定层23的磁化方向大致垂直指向面外或平行于面内，此处以垂直指向面外的情况为例。自旋轨道矩材料层24与基于人工反铁磁装置的自由层21近邻并与非磁性势垒层22相对，当通入电流时，利用自旋轨道矩使邻近自由层磁矩翻转。
在本实施例中，固定层23由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种。
在本实施例中，固定层23和基于人工反铁磁装置的自由层21都是导电的。
在其他实施例中，固定层23或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co；
或由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种。
或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
在本实施例中，非磁性层22是绝缘隧道势垒层，可以为氧化物，氮化物，或氮氧化物，组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种。
在另一些实施例中，非磁性层22是导电层，可以为金属或合金，组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo或V中的一种或多种。
在另一些实施例中，非磁性层22选自但不限于SiC、C或陶瓷材料。
在另一些实施例中，非磁性层22还可以为其它结构，例如在“Method and systemfor providing a magnetic tunneling junction using spin-orbit interactionbased switching and memories utilizing the magnetic tunneling junction”(US9076537B2)中提出的在绝缘体系中加入导电通道的粒状层。
上述实施例采用不同材料制成的基于人工反铁磁装置的自由层21和固定层23是铁磁性的，而势垒层22是非磁性的。
在本实施例中，自旋轨道矩材料层24由重金属材料制成，选自但不限于Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi或Po中的一种或多种。
在其他实施例中，自旋轨道矩材料层24由拓扑绝缘体材料制成，选自但不限于CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1-xSbx、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、(Bi,Sb)2Te3、Bi2-xSbxTe3-y Sey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S,Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7中的一种或多种。
图3展示出一种电场调控的基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM。由磁性结构200、第一电极31、第二电极32、第三电极33、第四电极34和绝缘层所组成的磁性随机存储装置，该装置包括一个基于人工反铁磁自由层21的磁性隧道结20，其包括一个固定层23、一个基于人工反铁磁装置的自由层21和一个位于固定层23和基于人工反铁磁装置的自由层21之间的非磁性势垒层22；固定层23和基于人工反铁磁装置的自由层21的磁化方向垂直指向面外或平行于面内，人工反铁磁装置通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
第一电极31与第二电极32分别与自旋轨道矩材料层24左右两端接触，第三电极33与第四电极34分别与磁性隧道结固定层23上侧、绝缘层下侧接触，其中绝缘层与自旋轨道矩材料层24近邻并与基于人工反铁磁装置的自由层21相对。
第三电极33与第四电极34通过外接电源产生电场，所述基于人工反铁磁装置的自由层21可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
通过向自旋轨道矩材料层24单独施加横向电流来实现写入时，所述横向电流密度大于临界值jc；通过同时向自旋轨道矩材料层施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流来实现写入时，所述横向电流密度低于临界值jc，其中jc在1×102～1×107A/cm2；所述横向电流为直流，所述纵向电流为直流或交流。
本实施例中，电极材料为金属或合金材料，选自但不限于Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种；
在一些实施例中，电极材料为碳系导电材料，选自但不限于石墨、碳纳米管或竹炭。
图4(a)展示了一种在电场及电流共同作用下，基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM写入数据“0”的中间过程：在电场E调控下，基于人工反铁磁装置的自由层21由反铁磁态变为铁磁态，同时向自旋轨道矩材料层24施加横向未临界电流和向磁性隧道结施加纵向辅助电流来实现数据写入时，基于人工反铁磁装置的自由层21的磁矩在横向未临界电流和纵向辅助电流的共同作用下发生翻转，开始写入数据“0”，其中VDD1、VDD2为高电平，且VDD1>VDD2，GND为低电平，写电流从VDD1流入后经磁性结构从GND和VDD2流出；图4(b)展示出去掉电场后，人工反铁磁自由层21由铁磁态变为反铁磁态，此时完成数据“0”的写入；图4(c)展示出在无电场作用下一种方向电流读取该磁性隧道结数据的示意图，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构从GND流出，此时磁性隧道结中铁磁层11与固定层23相对磁化方向相反，读出当前数据“0”。
图5(a)一种在电场及电流共同作用下，基于人工反铁磁自由层的SOT-MRAM写入数据“1”的中间过程：在电场E调控下，基于人工反铁磁装置的自由层21由反铁磁态变为铁磁态，同时向自旋轨道矩材料层24施加横向未临界电流和向磁性隧道结施加纵向辅助电流来实现数据写入时，基于人工反铁磁装置的自由层21的磁矩在横向未临界电流和纵向辅助电流的共同作用下发生翻转，开始写入数据“1”，其中VDD1、VDD2为高电平，且VDD2>VDD1，GND为低电平，写电流从VDD2流入后经磁性结构从GND和VDD1流出；图5(b)展示出去掉电场后，基于人工反铁磁装置的自由层21由铁磁态变为反铁磁态，此时完成数据“1”的写入；图5(c)展示出在无电场作用下一种方向电流读取该磁性隧道结数据的示意图，其中VDD为高电平，GND为低电平，读电流从VDD流入后经磁性结构从GND流出，此时磁性隧道结中铁磁层11与固定层23相对磁化方向相同，读出当前数据“1”。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁性结构，其特征在于：包括一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结及一个自旋轨道矩材料层。
2.根据权利要求1所述的磁性结构，其特征在于：
所述磁性隧道结包括一个固定层、一个基于人工反铁磁装置的自由层和一个非磁性势垒层，非磁性势垒层位于固定层和基于人工反铁磁装置的自由层之间；所述固定层和基于人工反铁磁装置的自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
人工反铁磁装置处于反铁磁态，其直径为1nm～100nm，将其置于外电场中，外加电场的电压调控所需范围为0.1V～15V，其会由反铁磁态转变为铁磁态；去掉电场，所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态，即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变。
3.根据权利要求2所述的磁性结构，其特征在于：
所述基于人工反铁磁装置的自由层为第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构；
所述第一层及第二层铁磁层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；
所述铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；
所述非磁性间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.1nm～10nm。
4.根据权利要求2所述的磁性结构，其特征在于：
所述固定层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种；
或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co；
或由半金属铁磁材料制成，包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；
或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m或(Co/Pt)n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的磁性结构，其特征在于：
所述非磁性势垒层为氧化物、氮化物或氮氧化物，其组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；
或为金属或合金，其组成元素选自Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo或V中的一种或多种；
或选自SiC、C或陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的磁性结构，其特征在于：
所述自旋轨道矩材料层与自由层近邻并与非磁性势垒层相对；
所述自旋轨道矩材料层在通入电流时，利用自旋轨道矩使邻近自由层磁矩翻转。
7.根据权利要求1或6所述的磁性结构，其特征在于：
所述自旋轨道矩材料层由重金属材料制成，选自但不限于Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta、β-Ta、W、β-W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi或Po中的一种或多种；
或由拓扑绝缘体材料制成，选自CaTe、HgTe、CdTe、AlSb、InAs、GaSb、AlSB、Bi1-xSbx、Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Te2Se、(Bi,Sb)2Te3、Bi2-xSbxTe3-y Sey、Sb2Te2Se、TlBiSe2、TlBiTe2、TlBi(S,Se)2、PbBi2Te4、PbSb2Te4、GeBi2Te4、PbBi4Te7、SnTe、Pb1-xSnxTe、Ag2Te、SmB6、Bi14Rh3I9、LuBiPt、DyBiPt、GdBiPt或Nd2(Ir1-xRhx)2O7中的一种或多种。
8.一种基于人工反铁磁自由层的自旋轨道矩-磁性随机存储装置，其特征在于：
包括一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结及一个自旋轨道矩材料层构成的磁性结构；
还包括四个电极，第一电极与第二电极分别置于自旋轨道矩材料层两侧，第三电极与第四电极分别置于磁性隧道结固定层外侧与绝缘层外侧，其中绝缘层与自旋轨道矩材料层近邻并与自由层相对；
第三电极与第四电极通过外接电源产生电场，所述人工反铁磁装置可以在电场作用下实现反铁磁态到铁磁态的转变。
9.根据权利要求8所述的自旋轨道矩-磁性随机存储装置，其特征在于：
所述电极材料为金属或合金材料，选自Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种；
或为碳系导电材料，选自于石墨、碳纳米管或竹炭。
10.一种基于权利要求8所述的自旋轨道矩-磁性随机存储装置的写入方法，其特征在于：
通过向自旋轨道矩材料层单独施加横向电流来实现写入时，所述横向电流密度大于临界值jc；通过同时向自旋轨道矩材料层施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流来实现写入时，所述横向电流密度低于临界值jc，其中jc在1×102～1×107A/cm2；
所述横向电流为直流，所述纵向电流为直流或交流。
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