基于自旋极化多铁隧道结的多值存储研究

Multiferroic memories possess the excellent advantages of ferroelectric random access memory (FeRAM) and magnetoresistive random-access memory (MRAM) simultaneously (ferroelectric write and magnetic read operations), its key part in memory cell is the multiferroic tunnel junctions (MFTJs) which can encode the charge and spin at the same time to achieve multilevel data storage (more than four states, i.e. many folds), redouble information storage density greatly, ensure information security and has been increasingly focused by scientists and engineers all over the world. This application project is intended to carry out a systematic research on the microstructure, magnetoelectric coupling effect, spin transport mechanism, multilevel data storage property and the thermal stability of a series of MFTJs (Au/Co/Fe/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3(001)) and its array fabricated by pulsed laser deposition (PLD) combined with megnetron sputtering method. A first principles study is used to analyse and predict the spin electron trnsport mechanism of the MFTJs. On the basis of the above investigations, the array of MFTJs (4×4 cells, 2 bits/cell) and the peripheral control circuits, such as read/write circuits as well as sensing amplifiers etc, are designed and simulated by means of Cadence integrated circuit software and TCAD simulation, the SPICE model based multiferroic memories is also established. The MFTJ memory prototype chip is implemented in a 0.13 μm CMOS technology and the multilevel data storage functional verification and related characterization tests are performed in detail. Our study is expected to provide a beneficial theoretical and experimental scientific basis for developing multiferroic tunnel junction multistate memory with high performance and its practical large-scale applications.

多铁存储器同时具有铁电存储器和磁存储器的突出优点，其存储单元中最核心的多铁隧道结由于能同时对电荷和自旋进行编码，可以在一个存储单元上实现四个以上的多值存储状态，从而能成倍地提高信息存储密度、确保信息安全，已引起世界各国科学家和工程技术人员的高度关注。本申请项目拟利用脉冲激光沉积和磁控溅射方法制备一系列多铁隧道结及阵列，并对其微结构、磁电耦合性能、自旋输运机理、多值存储特性和热稳定性进行系统而深入的研究，用第一性原理计算对自旋电子输运机理进行分析和预测。在此基础上，用Cadence等集成电路设计软件对多铁隧道结阵列、读/写电路、灵敏放大电路等外围控制电路进行器件结构和工艺设计与仿真，建立基于多铁存储器的SPICE模型。采用0.13 μm的CMOS工艺制备出多铁隧道结存储器测试芯片，并进行多值存储功能验证及相关性能测试。研究成果可以为多铁隧道结多值存储器的真正实用化提供有益的理论和实验依据。

多铁存储器同时具有铁电存储器和磁存储器的突出优点，其存储单元中最核心的多铁隧道结由于能同时对电荷和自旋进行编码，可以在一个存储单元上实现四个以上的多值存储状态，从而能成倍地提高信息存储密度、确保信息安全，在高密度、低功耗信息存储器方面具有巨大的应用价值。.本项目利用化学溶液法、脉冲激光沉积和磁控溅射等方法，制备出一系列多铁隧道结，并对其微结构、磁电耦合性能、自旋输运机理、多值存储特性和热稳定性进行研究，并用第一性原理计算对自旋电子输运机理进行分析和预测。主要研究内容如下：.(1) 以Pb(Zr0.52Ti0.48)O3、Bi3.15Nd0.85Ti3O12和Polyvinylidene Fluoride (PVDF)为铁电相组元，以La0.67Sr0.33MnO3、La0.7Ca0.3MnO3和Co40Fe40B20为铁磁相组元，制备出多铁性复合薄膜，研究了多重铁性复合薄膜的制备及磁-力-电耦合性能，分析了其形成的物理机制。.(2) 通过光刻、化学气相沉淀(PECVD)、磁控溅射和去光刻胶等微加工手段制作了室温NiFe/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3多铁隧道，并对其进行相关性能表征。.(3) 探究了钕锰共掺的钛酸铋铁电薄膜的性能调控及其极化翻转疲劳机理。在此基础上，基于应变调控的电场调控机制，研究了电场对单层铁磁器件/铁电薄膜(NiFe铁磁条带/Bi3.15Nd0.85Ti2.99Mn0.01O12铁电薄膜异质结)以及磁性隧道结(CoFeB/MgO/CoFeB)/ PMN-PT压电衬底的异质结的磁电输运的影响。.(4) 通过第一性原理对Co2FeGa/BaTiO3多铁隧道结(MFTJ)的电磁特性进行研究，探究了MFTJ中不同界面结构的磁电耦合效应起源以及BaTiO3的铁电临界尺寸效应。在此基础上，对MFTJ的电导展开分析，研究了MFTJ中隧穿磁电阻(TMR)效应和隧穿电致电阻(TER)效应，探讨了该MFTJ的多值存储能力；研究了不同面内应变条件下的Fe/BaTiO3多铁隧道结的电磁特性，分析了不同面内压应变和张应变对MFTJ中铁电极化和磁电耦合特性的影响。.在基金的支持下，本项目共发表SCI收录论文26篇，培养博士研究生4名、硕士研究生4名，申请国家发明专利8项，其中已授权6项。.研究成果可以为多铁隧道结多值存储器的真正实用化提供有益的理论和实验依据。