CN100477316C - 基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，包括：三条输入信号线、两条输出信号线和磁性多层膜，所述的磁性多层膜环状闭合型，三条输入信号线中每条输入线中流过的电流强度均相同，且均穿过磁性多层膜；或是所述的磁性多层膜为环状闭合型含金属芯的磁性多层膜，其中的两条输入信号线穿过磁性多层膜，每条输入线中流过的电流强度均相同，另一条输入信号线为环状闭合型磁性多层膜中间的金属芯线。本发明的磁逻辑元件采用了环状闭合型结构的磁性多层膜单元，能有效减小退磁场和形状各向异性能，从而减小磁性自由层的反转场，进而降低逻辑操作所需的电流和功耗；另外也有利于逻辑元件工作性能的稳定和器件寿命的延长。

Description

基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件
技术领域
本发明属于磁逻辑领域，具体地说是涉及一种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件。
背景技术
自20世纪80年代末期Baibich等人在磁性多层膜系统中观察到巨磁电阻效应以来，由磁性层/非磁性层/磁性层构成的层叠结构体系的研究一直是科研人员普遍关注的重要课题。这种具有高磁电阻效应的磁性单元不仅可以广泛应用于磁传感器、磁记录读出磁头等领域，而且可开发出具有抗辐射、非易失性的磁性随机存取存储器(MRAM)。近年来，一些研究小组提出，磁记忆单元也可设计用来进行计算，即提出了磁逻辑概念。逻辑功能的实现通常通过逻辑运算的选择和执行两个步骤，这种磁逻辑装置既可成为可编程的逻辑装置，也可成为通常的瞬态电子输出的记忆装置。如2000年依阿华州立大学的William C.Black，Jr.与B.Das提出一种基于磁阻效应的磁逻辑，两年后，德国西门子研究公司通过实验演示一种可重配置的磁逻辑元件。紧接着，柏林Paul Drude研究所提出了一种更简单的方法来实现各种计算元件在不同逻辑状态之间的切换(A.Ney，C.Pampuch，R.Koch和K.H.Pioog，《自然》第425卷第485-487页)。其逻辑核心单元由磁性隧道结构成，其工作模式图和剖面结构图分别如图1(a)和(b)所示，在这种磁阻元件中虽然只有两种输出数值(0和1)，但却有四种不同的初始状态，其中两种为平行状态，两种为反平行状态，这样就可以配置出不同的逻辑状态。这样的一个单个磁逻辑元件可表示以下的基本逻辑函数，“与”函数(AND)、“或”函数(OR)、“与非”函数(NAND)和“或非”函数(NOR)。
然而，现有技术中输入信号线均设置在磁性多层膜之上，其作用在磁性多层膜单元上的有效磁场比较小，因而需要较大的操作电流，同时，由于磁场空间分布不均匀会带来的不利影响。另外，现有技术使用的磁性多层膜单元的几何结构均采用非闭合结构，如方形、矩形、圆形和椭圆形等，这种结构在高密度小尺寸下将会带来较大的退磁场和形状各向异性，从而增大磁性自由层的反转场，进而增大逻辑元件工作的电流和功耗；同时，在这种图型之中也可能存在涡流磁畴，这些给逻辑单元的磁电性能的均匀性和一致性也带来许多不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术使用非闭合结构的磁性多层膜使得磁逻辑单元的磁电性能的均匀性和一致性不利以及所需较大操作电流的缺陷，从而采用新的几何结构的磁性多层膜单元来消除磁性多层膜自身的退磁场和减小形状各向异性，提供一种无退磁场和弱形状各向异性的、闭合型的磁性多层膜的逻辑元件。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明提供的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其工作模式图如图2所示，包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和磁性多层膜，三条输入信号线中每条输入线中流过的电流强度均相同，且均穿过磁性多层膜，分别将“0”和“1”分配给它们，利用输入信号A、B、C的组合，决定磁性多层膜中各磁性层的磁化方向，将通过磁性多层膜单元的磁电阻效应的大小作为输出信号，其特征在于：所述的磁性多层膜为环状闭合型。
所述的环状闭合型磁性多层膜如在申请号200510135365.6的专利申请中所公开的，其包括常规的磁性多层膜的各层，且该磁性多层膜的横截面呈闭合的矩形环或者椭圆环，其中矩形内环的宽度为10～100000nm，矩形外环的宽度为20～200000nm，矩形内环的宽度与长度的比值为1∶1～5；椭圆内环的短轴为10～100000nm，短轴与长轴的比值为1∶1.1～5，椭圆外环的短轴为20～200000nm。
在本发明提供的上述基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件的结构中，磁性多层膜单元有两种数值输出(0，和1)，但有4种不同的初始状态，其中两种平行态，两种完全的反平行状态，这样可以配置出4种不同的逻辑状态。具体过程分两步，第一步，让电流流过两条、或三条输入线，从而把逻辑元件的极性设定为上述4种状态中的某一种。第二步，则是通过只激活上面两条输入线(即A和B)或三条输入线(A、B和C)来执行这项逻辑操作。值得注意的是，只有当两条或三条输入线通过电流时产生了极性相同的磁场，一种选定的初始状态才会被翻转，使输出值从“1”变“0”，从而得到多种逻辑状态。
本发明提供的另一种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和磁性多层膜，所述的磁性多层膜为一环状闭合型含金属芯的磁性多层膜；其中的两条输入信号线A和B穿过磁性多层膜，每条输入线中流过的电流强度均相同，分别将“0”和“1”分配给它们，另一条输入信号线C为磁性多层膜的环状闭合型磁性多层膜中间的金属芯线；利用输入信号A、B和功能线C的组合，决定磁性多层膜中各磁性层的磁化方向，将通过磁性多层膜单元的磁电阻效应的大小作为输出信号。
所述的环状闭合型含金属芯的磁性多层膜如在申请号200510135370.7的专利申请中所公开的，其包括常规的磁性多层膜的各层，还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该磁性多层膜的横截面呈闭合的矩形环或者椭圆环，其中矩形内环的宽度为10～100000nm，矩形外环的宽度为20～200000nm，矩形内环的宽度与长度的比值为1∶1～5；椭圆内环的短轴为10～100000nm，短轴与长轴的比值为1∶1.1～5，椭圆外环的短轴为20～200000nm；还包括位于该闭合环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该金属芯的横截面为矩形或椭圆形，其中，矩形的宽度为5～50000nm，宽度与长度的比值为1∶1～5；椭圆形的短轴为5～50000nm，椭圆形的短轴与长轴比值为1∶1.1～5，金属芯的形状与闭合形状的磁性多层膜的形状相匹配，即若为矩形环则金属芯为矩形，若为椭圆环则金属芯为椭圆形。
所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等。该金属芯的作用是从外部施加电流，通过电流产生的环形磁场操控磁性多层膜的磁化状态，从而可以更方便的进行磁性多层膜逻辑单元的逻辑操作。
与前述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件相比，输入信号线C在此方案中为功能线，由于其没有直接穿过磁性多层膜，允许通过的电流极限较大，会产生一个较强的环状磁场，因此可以方便控制环状闭合型磁性多层膜的磁化状态。在这种结构中，磁性多层膜单元有两种数值输出(0，和1)，但有4种不同的初始状态，其中两种平行态，两种完全的反平行状态，这样可以配置出多种不同的逻辑状态。具体过程分两步，第一步，让电流流过两条、或三条输入线，从而把逻辑元件的极性设定为上述4种状态中的某一种。第二步，则是通过只激活上面两条输入线(即A和B)或三条输入线(A、B和C)来执行这项逻辑操作。值得注意的是，只有当两条或三条输入线通过电流时产生了极性相同的磁场，一种选定的初始状态才会被翻转，使输出值从“1”变“0”，从而得到多种逻辑状态。
本发明所述的用做逻辑单元的环状磁性多层膜或环状含金属芯的磁性多层膜，按照形成的材料分类，包括无钉扎型的和钉扎型的。
对于无钉扎型的，其磁性多层膜的第一种核心结构包括：下部硬磁层(以下简称HFM)、隔离层(I1)、上部软磁层(以下简称SFM)。
对于无钉扎型的，其磁性多层膜的第二种核心结构包括：下部硬磁性层(HFM1)、第一隔离层(I1)、中间软磁性层(SFM)、第二隔离层(I2)、上部硬磁性层(HFM2)。
所述的硬磁层HFM材料由Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo等铁磁材料构成，厚度为2～20nm；
所述的中间层I1由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层材料如Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；
所述的软磁层SFM的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，包括：Co，Fe，Ni或它们的金属合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或Heusler合金，如Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al；软磁层材料优选Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21；所述的软磁层的厚度为1～20nm；
对于钉扎型的，其磁性多层膜的第一种核心结构包括：下部反铁磁钉扎层(以下简称AFM)、被钉扎磁性层(FM1)、隔离层(I1)、自由软磁层(FM2)。
对于钉扎型的，其磁性多层膜的第二种核心结构包括：下部反铁磁钉扎层(AFM)、人工反铁磁耦合磁性层(FM11/Ru/FM12)、隔离层(I1)、自由软磁层(FM2)。
对于钉扎型的，其磁性多层膜的第三种核心结构包括：下部反铁磁钉扎层(AFM1)、被钉扎磁性层(FM1)、第一隔离层(I1)、中间磁性层(FM2)、第二隔离层(I2)、上部被钉扎磁性层(FM3)、上部反铁磁性层(AFM2)。
对于钉扎型的，其磁性多层膜的第四种核心结构包括：下部反铁磁钉扎层(AFM1)、人工反铁磁耦合磁性层(FM11/Ru/FM12)、第一隔离层(I1)、中间磁性层(FM2)、第二隔离层(I2)、人工反铁磁耦合磁性层(FM21/Ru/FM22)、上部反铁磁性层(AFM2)。
所述的反铁磁性层(AFM1和AFM2)的组成材料包括由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd与Mn的合金材料制成的、或CoO、NiO、PtCr等反铁磁性材料，其厚度为7～20nm；
所述的钉扎磁性层和中间磁性层的组成材料为铁磁性材料、半金属磁性材料或磁性半导体材料，各磁性层的厚度均为2～10nm；
所述的Ru层的厚度为0.7～0.9nm。
上述铁磁性材料包括：Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Co-Fe-Ni、Gd-Y等铁磁性合金，Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er等稀土金属及其铁磁合金；
上述半金属磁性材料包括：Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3和Co2MnSi等Heussler合金；
上述磁性半导体材料包括：Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO2、HfO2和SnO2，也包括：Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe；
所述的隧道势垒层I1和I2的组成材料为MgO、Al2O3、AlN、Ta2O5或HfO2等绝缘氧化物，其厚度为0.8～3.0nm。
本发明提供的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件的优点在于：磁性多层膜单元采用环状闭合型结构，能有效减小高密度小尺寸下带来的较高的退磁场和形状各向异性能，从而减小磁性自由层的反转场，进而降低逻辑操作所需的电流和功耗；另外，由于输入线直接穿过磁性多层膜，避免了由于磁场空间分布不均匀而带来的不利影响，有利于逻辑元件工作性能的稳定和器件寿命的延长。
附图说明
图1是现有技术的磁逻辑元件的工作模式图(a)和剖面结构图(b)；
图2是本发明的基于无芯环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件的工作模式图；
图3是本发明的基于无芯环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件的核心结构处(无芯环状闭合型磁性多层膜)的剖面结构图。
具体实施方式
实施例1
如图2和图3a所示，本发明的第一种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和环状闭合型磁性多层膜单元。该环状闭合型磁性多层膜单元的核心结构为：一个由厚度为4nm Co构成的下部硬磁层(HFM)，一个由厚度为2.2nm Cu构成的隔离层(I1)，一个厚度为4nm NiFe构成的软磁层(FM2)。环状闭合型结构的制备已于另案申请的专利中详细给出，环状闭合型为矩形环，其短边内宽度为500nm，短边外宽度为800nm，长边内宽度为500nm，长边外宽度为800nm，矩形环的短边与长边内宽度的比值为1∶1。
三条输入信号线(A、B和C)均穿过环状闭合型磁性多层膜单元，每条输入线中流过的电流强度均相同，分别将“0”和“1”分配给它们，利用输入信号A、B、C的组合，决定磁性多层膜中各磁性层的磁化方向，将通过磁性多层膜单元的磁电阻效应的大小作为输出信号。在这一方案中，实现逻辑功能分两步，第一步进行逻辑设定；第二步进行逻辑操作。如果只有输入线A有输入电流，其各层的磁化均不变化；当输入线A和B同时有电流输入时，软磁性层SFM的磁化方向可以翻转；当输入线A、B和C同时有电流输入时，硬磁性层HFM的磁化方向可以翻转。
首先说明一下最基本的两种逻辑函数——“与”函数(AND)和“非”函数(OR)。对于AND函数，第一步，逻辑设定：给输入线(A、B和C)均施加上负电流，磁性HFM、SFM的磁化方向均是逆时针方向。第二步，进行逻辑功能，只有当正向电流(即产生一个顺时针磁场的电流)同时施加在输入线A和B上时，才能把磁性层SFM的磁化方向从逆时针方向切换到顺时针方向。OR门通过类似的操作，但在开始时，磁性层HFM的磁化方向是逆时针方向，而磁性层SFM的磁化方向则是顺时针方向。切换HFM和SF3层的磁化方向可以实现另两种基本的逻辑函数，即NOTAND(NAND，与非)或NOT OR(NOR，或非)。所有三条输入线(A、B和C)都有电流就可以使HFM和SFM层的磁化方向切换。切换磁性层SFM的磁化方向所需的磁场小于切换HFM的磁化方向所需的磁场，因此，上、下两层的极性可以相互独立地切换。
通过适当的组合，可以构造出任何公知的已知逻辑。
要说明的是，在现有技术中采用非闭合结构，如方形、矩形、圆形和椭圆形等，这种结构在高密度小尺寸下将会带来较大的退磁场和形状各向异性能。而本发明的采用环状闭合型结构有利于减小这种磁逻辑元件的退磁场和形状各向异性能，从而减小磁性自由层的反转场，进而降低逻辑操作所需的电流和功耗。另外，在现有技术中，输入信号线直接设置在磁性多层膜之上，其作用在磁性多层膜单元上的有效磁场比较小，因而需要较大的操作电流。而本发明中输入信号线直接穿过磁性多层膜，产生的是一个环形的磁场，避免了由于磁场空间分布不均匀而带来的不利影响，有利于器件工作性能的稳定和器件寿命的延长。
实施例2
如图2和图3a所示，本发明的第二种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和环状闭合型磁性多层膜单元。该环状闭合型磁性多层膜单元的核心结构为：一个由厚度为10nm的反铁磁性材料IrMn和3nm厚CoFeB组成的下部磁性层(FM1)，一个厚度为1.0nm Al2O3构成的隔离层(I1)，一个由厚度为3nm CoFeB的磁性层(FM2)。环状闭合型结构的制备已于另案申请的专利中详细给出，环状闭合型为圆，其内环的尺寸为100nm，外环的尺寸为300nm nm。
基于这种结构的磁逻辑元件的操作模式类似于实施例1。
实施例3
如图2和图3a所示，本发明的第三种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和环状闭合型磁性多层膜单元。该环状闭合型磁性多层膜单元的核心结构为：一个由结构PtPdMn(12nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(4nm)构成的下部磁性层(FM1)，一个厚度为2.0nm MgO(001)的隔离层(I1)，一个厚度为4nm CoFeB组成的磁性层(FM2)。闭合结构的制备已于另案申请的专利中详细给出，环状闭合型为椭圆，其内环的长轴和短轴尺寸分别为400nm和600nm，其外环的长轴和短轴尺寸分别为800nm和1000nm。
基于这种结构的磁逻辑元件的操作模式类似于实施例1。
实施例4
如图2和图3b所示，本发明的第四种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和环状闭合型磁性多层膜单元。该环状闭合型磁性多层膜单元的核心结构为：一个由厚度为4nm CoFe构成的下部硬磁层(HFM1)，一个由厚度为2.4nm Ru构成的第一隔离层(I1)，一个厚度为4nmNiFeSiB构成的软磁层(SFM)，一个由厚度为2.2nm Au构成的第二隔离层(I2)，一个形成第二隔离层之上的由厚度为4nm CoFe构成的下部硬磁层(HFM2)。环状闭合型结构的制备已于另案申请的专利中详细给出，环状闭合型为方形环，内环边长为1000nm，外环边长为2000nm。
在这种方案中，核心结构为双伪自旋阀结构，中间磁性层(SFM)的矫顽力较小，称为自由层，其磁化方向容易改变。上、下两硬磁性层HFM1和HFM2的矫顽力较大，它们的磁化方向相对固定，它们的翻转场也一样的，相当于一层磁性层，所以，基于这种结构的磁逻辑元件的操作模式类似于实施例1。
实施例5
如图2和图3b所示，本发明的第五种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和环状闭合型磁性多层膜单元。该环状闭合型磁性多层膜单元的核心结构为：：一个由结构PtPdMn(12nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(4nm)构成的下部磁性层(FM1)；一个厚度为1.8nm的MgO构成的第一隔离层(I1)；一个厚度为6nm CoFeB构成的中间磁性层(FM2)；一个厚度为2.0nm MgO构成的第二隔离层(I2)；一个由CoFeB(4nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(4nm)/PtMn(12nm)构成的上部磁性层(FM3)。闭合结构的制备已于另案申请的专利中详细给出，环状闭合型为矩形，环的内矩形长边和短边分别为1000nm和2000nm，环的外矩形长边和短边分别为1500nm和2500nm。
在这种方案中，核心结构为双势垒磁性隧道结，中间磁性层(FM2)的矫顽力较小，称为自由层，其磁化方向容易改变。磁性层FM1和FM3由反铁磁性PtPdMn钉扎，这两层的磁化方向相对固定，它们的翻转场是一样的，相当于一层磁性层，所以，基于这种结构的磁逻辑元件的操作模式类似于实施例1。
实施例6
在上述实施例中，我们从磁性多层膜的结构组成和元件核心单元的形状进行了分析讨论，采用这种闭合形状的结构有利用克服现有技术缺点。在上述各种结构中，如果在环的中间布置一条金属线，与上述实施例相比，由于输入线C没有直接穿过磁性多层膜，其电流允许通过的电流极限较大，会产生一个较强的环状磁场，因此可以方便控制环状闭合型磁性多层膜的磁化状态。
如图2所示，本发明的第六种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和闭合椭圆环状磁性多层膜单元，其中，一条输入线C布置在闭合环的中间，即为中间金属芯线。该环状磁性多层膜的核心结构为：一个厚度为12nm的反铁磁性FeMn，在反铁磁性上形成一个厚度为15nm的被钉扎磁性层(FM1)Co2MnSi，厚度为2.5nm的中间层(I2)AlN，一个由厚度为Ni79Fe21(3nm)/Ru(0/85nm)/Ni79Fe21(3nm)构成的人工耦合自由软磁层(FM2)。该椭圆环的短轴内径为500nm，短轴外径为800nm，长轴内径为2500nm，长轴外径为2800nm，椭圆环的短轴与长轴内径的比值为1∶5。布置在环状闭合型磁性多层膜的几何中心的金属芯为直径300nm的Al金属芯，环状闭合型含金属芯的磁性多层膜的制备已于另案申请的专利中详细给出。
在这一方案中，输入线A、B穿过磁性多层膜单元，每条输入线中流过的电流强度均相同，中间金属芯线Al充当输入线C，此输入线为功能线，不参与磁逻辑操作。当只有一条输入线有电流时，磁性多层膜的磁化状态不变；当同时有两条线有输入电流时，自由层FM2的磁化方向会翻转；当三条输入线均有电流时，被钉扎磁性层FM1的磁化方向也可以改变。与现有技术和实施例1-5相比，由于输入线C没有直接穿过磁性多层膜，其电流允许通过的电流极限较大，会产生一个较强的环状磁场，有利于实现逻辑操作，进而降低元件的功耗。
这方案中，实现逻辑功能分两步，第一步进行逻辑设定；第二步进行逻辑操作。首先说明一下两种逻辑函数——“与”函数(AND)和“非”函数(OR)。
对于AND函数，第一步，输入线A、B和C均通以负向电流，即均给“0”信号，此时，FM1、FM2的磁化方向均逆时针方向，这就是AND逻辑的初始状态，此时，输出为0。其逻辑操作类似于第一实施例，在此略去详细过程。其他逻辑函数如OR(非)、NOT AND(NAND，与非)和NOT OR(NOR，或非)也类似于实施例1。
另外，这种方案还可实现XOR函数功能，在此函数逻辑操作中输入线C充当功能线。当输入线C中有电流经过时，由于它会产生一个环状的磁场，使得输入线在磁性多层膜上产生的有效作用磁场较大，从而有利于磁性层FM1的磁化方向的反转。因此，当有输入线A、B同时作用时磁性层FM1的磁化方向也随之翻转。具体操作过程如下：
第一步，逻辑设定：输入线C施加电流，同时，输入线A、B通以负向电流，即均给“0”信号，此时，磁性层FM1和FM2的磁化方向均呈逆时针方向排列；然后再给输入线A和B以“1”信号，输入线C不通电流，此时，自由层FM2的磁化方向呈顺时针方向排列，这就是XOR逻辑的初始状态。
第二步，逻辑过程：首先，给输入线C施加电流信号，当输入线A和B的信号均为-I(0)，输出为低阻态，即为“0”；当输入线A和B的信号只有一个-I(0)时，此时输出为高阻态，即为“1”；当输入线A和B信号“1”，输出为低阻态，即为“0”。
从本实施例可知，基于环状闭合型且含芯线的磁性多层膜的磁逻辑元件不仅能实现更多的逻辑功能，还有利于多层膜磁化状态的操作，进而降低元件的功耗。
实施例7
如图2所示，本发明的第七种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和闭合矩形环状磁性多层膜单元，其中，一条输入线C布置在闭合环的中间。该环状磁性多层膜的核心结构为：一个厚度为20nm的反铁磁性CrFeMn，在反铁磁性上形成一个厚度为15nm的被钉扎磁性层(FM1)GaMnAs，厚度为2.5nm的中间层(I2)AlAs，一个由厚度为CoFe(10nm)构成的自由软磁层(FM2)。该矩形环的内径为200nm×800nm，外径为500nm×1100nm。布置在环状闭合型磁性多层膜的几何中心的金属芯为方形的Au芯，尺寸为50nm×50nm。环状闭合型含金属芯的磁性多层膜的制备已于另案申请的专利中详细给出。
基于这种结构的磁逻辑元件的操作模式类似于实施例6。
值得注意的是，本实施例中环状也可以是方形环、圆环，本实施例中的磁性多层膜也可以是如前所述的其他结构。另外，环的尺寸、芯的直径大小以及环所构成的材料均已申请专利，在此不一一赘述。

Claims (10)

1、一种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，包括：三条输入信号线，两条输出信号线和磁性多层膜，三条输入信号线中每条输入线中流过的电流强度均相同，且电流均穿过所述磁性多层膜，分别将“0”和“1”分配给它们，利用输入信号的组合，决定磁性多层膜中各磁性层的磁化方向，将通过磁性多层膜的磁电阻效应的大小作为输出信号，其特征在于：所述的磁性多层膜为一环状闭合型的磁性多层膜。
2、如权利要求1所述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其特征在于：所述的环状闭合型磁性多层膜包括常规的磁性多层膜的各层，该磁性多层膜的横截面呈闭合的矩形环或者椭圆环。
3、如权利要求2所述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其特征在于：所述的矩形环的内环的宽度为10～100000nm，外环的宽度为20～200000nm，矩形内环的宽度与长度的比值为1∶1～1∶5。
4、如权利要求2所述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其特征在于：所述的椭圆环的内环的短轴为10～100000nm，短轴与长轴的比值为1∶1.1～1∶5，椭圆外环的短轴为20～200000nm。
5、一种基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，包括：三条输入信号线，两条输出信号线和磁性多层膜单元，其中的两条输入信号线中流过的电流强度均相同，且该两条输入信号线中的电流均穿过所述磁性多层膜，分别将“0”和“1”分配给它们，其特征在于：所述的磁性多层膜为环状闭合型含金属芯的磁性多层膜，另一条输入信号线为磁性多层膜的环状闭合型磁性多层膜中间的金属芯线；利用输入信号的组合，决定磁性多层膜中各磁性层的磁化方向，将通过磁性多层膜单元的磁电阻效应的大小作为输出信号。
6、如权利要求5所述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其特征在于：所述的环状闭合型含金属芯的磁性多层膜包括常规的磁性多层膜的各层，该磁性多层膜的横截面呈闭合的矩形环或者椭圆环，还包括位于该闭合环状多层膜的几何中心位置的、且与其形状相匹配的一个金属芯，该金属芯的横截面为矩形或椭圆形。
7、如权利要求6所述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其特征在于：所述磁性多层膜的矩形环的内环的宽度为10～100000nm，矩形外环的宽度为20～200000nm，矩形内环的宽度与长度的比值为1∶1～1∶5；所述的金属芯横截面的矩形的宽度为5～50000nm，宽度与长度的比值为1∶1～1∶5。
8、如权利要求6所述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其特征在于：所述磁性多层膜的椭圆环的内环的短轴为10～100000nm，短轴与长轴的比值为1∶1.1～1∶5，椭圆外环的短轴为20～200000nm；所述的金属芯横截面的椭圆形的短轴为5～50000nm，椭圆形的短轴与长轴比值为1∶1.1～1∶5。
9、如权利要求6所述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其特征在于：所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料。
10、如权利要求9所述的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其特征在于：所述的电阻率较小的金属材料为Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al。
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