CN101794812B - 自旋场效应逻辑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自旋场效应逻辑装置，所述逻辑装置包括：栅电极；沟道，在栅电极上方由磁材料形成，以选择性地传输自旋极化的电子；源极，在沟道上；漏极和输出电极，在沟道上，输出从源极传输的电子。栅电极可控制沟道的磁化状态，以选择性地传输从源极注入到沟道的电子。

Description

自旋场效应逻辑装置
技术领域
一个或多个示例实施例涉及电子自旋场效应逻辑装置。
背景技术
当半导体器件以纳米级(nano-scale)制造时，载流子迁移率的增加速度不能跟上器件集成程度(如，器件的数量)，因此，尽管器件的尺寸减小，但是功率需求量没有减少。为了解决上述问题，已提出使用电子自旋的技术。
自旋晶体管是通过基于自旋极化移动电子来操作的器件。用于移动电子的功耗可较小，并且导通速度可较高。例如，自旋晶体管可包括在沟道上的通过栅极隔开的源极和漏极。自旋晶体管可被构造为基于在沟道中是否存在场效应来在源极和漏极之间传输自旋极化的电子。场效应可调节在漏极检测到的自旋极化电流的量。
使用晶体管的传统逻辑电路需要大量的晶体管并具有复杂的结构。当制造使用自旋场效应的逻辑装置时，与传统逻辑电路相比，逻辑装置可具有不同的、更简单的结构，并且逻辑电路中的元件的数量会减少。
发明内容
一个或多个示例实施例包括自旋场效应逻辑装置。
一个或多个示例实施例可包括利用自旋场效应的逻辑装置，所述逻辑电路装置包括：第一沟道，包括磁材料，第一沟道被构造为选择性地传输自旋极化的电子；源极，在第一沟道上；第一栅电极，在第一沟道上；第一漏极，被构造为输出从源极传输的电子；输出电极，被构造为输出从源极传输的电子。
第一栅电极可被构造为控制第一沟道的磁化状态以选择性地传输从源极注入到第一沟道中的电子，当第一沟道是第一磁化状态时，第一沟道被构造为选择性地传输沿第一方向自旋极化的自旋极化电子，第一漏极和输出电极包括磁材料，第一漏极沿第二方向磁化，输出电极沿第一方向磁化。所述逻辑装置还可包括：隧道阻挡件，在第一沟道上，其中，源极、第一漏极和输出电极在隧道阻挡件上。
逻辑装置还可包括形成在第一沟道上的第一隧道阻挡件和形成在第一沟道上的第二隧道阻挡件，其中，源极、第一漏极和输出电极中的两个可形成在第一隧道阻挡件上，源极、第一漏极和输出电极中的剩余的一个可形成在第二隧道阻挡件上。第一沟道可以是半金属，第一沟道的能带间隙可以是第一方向。第一漏极和输出电极中的每个可包括在隧道阻挡件上的铁磁层和在铁磁层上的金属层。第一漏极和输出电极中的每个还可包括在铁磁层和金属层之间的反铁磁层。
输入端可连接到第一栅电极，输出端可连接到输出电极，当输入端的电势大致大于或等于阈值电压时，第一沟道可处于第二磁化状态以选择性地传输沿第二方向自旋极化的电子，且输出端的输出电压可以为低，当在输入端为地电压时，可从输出端检测输出电极的高电压，逻辑电路装置可以是逆变电路装置。
第二沟道可在第一沟道上，源极可在第一沟道上且第一漏极可在第二沟道上。第二栅电极可在第二沟道上，输出电极可连接在第一漏极和第一电压源之间，源极和第一漏极可沿第一方向磁化，第一栅电极可被构造为控制第一沟道的磁化状态，第二栅电极可被构造为控制第二沟道的磁化状态，以选择性地传输从源极注入到第一沟道中的电子，第一沟道和第二沟道可传输沿第二方向磁化的自旋极化的电子。第一隧道阻挡件可在第一沟道和源极之间并可在第一沟道和第二沟道之间，第二隧道阻挡件可在第二沟道和第一漏极之间并可在第二沟道和输出电极之间。
当第一沟道和第二沟道中的至少一个沿第二方向磁化时，源极和输出电极之间的电阻是第一电阻，当第一沟道和第二沟道都沿第一方向磁化时，所述电阻为第二电阻，第一电压源和输出电极之间的电阻是具有在第一电阻的大小和第二电阻的大小之间的大小的第三电阻。
第一栅电极可电连接到第一输入端，第二栅电极可电连接到第二输入端，输出电极可连接到输出端，所述逻辑装置可被构造为使得当将大致大于或等于对应的第一沟道的阈值电压的电压施加到第一输入端且将大致大于或等于对应的第二沟道的阈值电压的电压施加到第二输入端时，第一沟道和第二沟道传输沿第一方向自旋极化的电子，且在输出端输出与来自源极的第一电流相关的第一电压，当将小于对应的第一沟道的阈值电压的电压施加到第一输入端和/或将小于对应的第二沟道的阈值电压的电压施加到第二输入端时，可输出与来自第一电压源的第二电流相关的第二电压，第二电压可以大于第一电压，逻辑装置可以是NAND电路装置。
根据示例实施例，第二沟道和第三沟道可在第一沟道上，在第二沟道上的第一栅电极被构造为控制第二沟道的磁化方向，在第三沟道上的第二栅电极被构造为控制第三沟道的磁化方向，第一漏极在第二沟道上，第二漏极在第三沟道上，源极、第二沟道和第三沟道可分开地形成在第一沟道上，第一电压源可并联地连接到第一漏极和第二漏极，输出电极可连接在第一电压源和第一漏极之间。
逻辑装置还可包括在第一沟道上的控制第一沟道的磁化方向的第三栅电极。第一沟道、第二沟道和第三沟道可沿第一方向磁化。当第二沟道和第三沟道中的至少一个沿第一方向磁化时，源极和输出电极之间的电阻是第一电阻，当第二沟道和第三沟道都沿第二方向磁化时，所述电阻为第二电阻，第一电压源和输出电极之间的电阻可具有在第一电阻的大小和第二电阻的大小之间的大小。
第一栅电极可连接到第一输入端，第二栅电极可连接到第二输入端，输出电极可连接到输出端，所述逻辑装置可被构造为使得当将大于或等于对应的第二沟道的阈值电压的电压施加到第一输入端且将大于或等于对应的第三沟道的阈值电压的电压施加到第二输入端时，第二沟道和第三沟道可传输沿第二方向自旋极化的电子，且在输出端输出与来自第一电压源的第一电流相关的第一电压，当将小于对应的第二沟道的阈值电压的电压施加到第一输入端和/或将小于对应的第三沟道的阈值电压的电压施加到第二输入端时，在输出端输出与来自源极的第二电流相关的第二电压，第一电压可大于第二电压，逻辑装置可以是AND逻辑装置。
第一沟道可沿第一方向磁化，第二沟道和第三沟道可沿与第一方向相反的第二方向磁化。当第二沟道和第三沟道中的至少一个沿第一方向磁化时，源极和输出电极之间的电阻是第一电阻，当第二沟道和第三沟道都沿第二方向磁化时，所述电阻为第二电阻，第一电压源和输出电极之间的电阻是具有可以在第一电阻的大小和第二电阻的大小之间的大小的第三电阻。
第一栅电极可连接到第一输入端，第二栅电极可连接到第二输入端，输出电极可连接到输出端，所述逻辑装置可被构造为使得当将大致大于或等于对应的第二沟道的阈值电压的电压施加到第一输入端和/或将大致大于或等于对应的第三沟道的阈值电压的电压施加到第二输入端时，第二沟道和第三沟道中的被施加大致大于或等于对应的阈值电压的电压的对应的沟道传输沿第一方向自旋极化的电子，并且从源极输入的自旋电子与在输出端的低电压对应，当将小于对应的第二沟道的阈值电压的电压施加到第一输入端且将小于对应的第三沟道的阈值电压的电压施加到第二输入端时，来自第一电压源的电流与输出端的高电压对应，逻辑装置可以是NOR电路装置。
根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置操作快速和/或以改进的速度操作，并具有低的和/或改进的能量消耗。该逻辑电路可具有简单的构成。
附图说明
通过下面结合附图的简要描述，示例实施例将会被更加清楚地理解。图1至图20表示在此所描述的非限制性的示例实施例。
图1是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置的剖视图。
图2至图5是示出图1中示出的逻辑装置的驱动原理的示图。
图6是图1中示出的逻辑装置的示出逆变器特性的真值表。
图7是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置的剖视图，并示出该装置的逆变器操作。
图8至图10是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置的剖视图，并示出该装置的NAND操作。
图11是图8至图10中示出的逻辑装置的示出NAND特性的真值表。
图12至图14是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置的透视图，并示出该装置的AND操作。
图15是图12至图14中示出的逻辑装置的示出AND特性的真值表。
图16至图18是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置的透视图，并示出该装置的NOR操作。
图19是图16至图18中示出的逻辑装置的示出NOR特性的真值表。
图20是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置的透视图，并示出该装置的AND操作和NOR操作。
应该注意，这些图意在对特定的示例实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性进行举例说明，并对下文所提供的书面描述进行补充说明。然而，这些图不是按比例绘制的，并可以不准确地反映任何给出的实施例的准确结构或性能特性，而且这些图不应该被解释为限定或限制示例实施例包含的值或性质的范围。例如，为了清楚，可减小或夸大分子、层、区域和/或结构元件的相对的厚度和定位。在各种图中相似的或相同的标号的使用意图表示存在相似的或相同的元件或特征。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施例，在附图中示出了示例实施例。然而，示例实施例可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在这里所提出的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将使示例实施例的构思充分地传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清晰起见，夸大了层和区域的厚度。附图中相同的标号代表相同的元件，因此将省略对它们的描述。
应该理解的是，当元件被称作“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可以直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。相同的标号始终表示相同的元件。如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任意组合和所有组合。应当以相同的方式解释用于描述元件或层之间的关系的其它词语(例如“在……之间”与“直接在……之间”、“与……相邻”与“与……直接相邻”、“在……上”与“直接在……上”)。
应该理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可被称作第二元件、组件、区域、层或部分。
为了便于描述，在这里可使用空间相对术语，如“在……之下”、“在……下方”、“下面的”、“在……上方”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应该理解的是，空间相对术语意在包含除了在附图中描述的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则描述为“在”其它元件或特征“下方”或“之下”的元件随后将被定位为“在”其它元件或特征“上方”。因而，示例性术语“在……下方”可包括“在……上方”和“在……下方”的方位。所述装置可被另外定位(旋转90度或者在其它方位)，并对在这里使用的空间相对描述符做出相应的解释。
这里使用的术语仅为了描述特定实施例的目的，而不意图限制示例实施例。如这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。还应理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
在此参照作为示例实施例的理想实施例(和中间结构)的示意图的剖面图来描述示例实施例。这样，预计会出现例如由制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，示例实施例不应该被解释为局限于在此示出的区域的具体形状，而将包括例如由制造导致的形状偏差。例如，示出为矩形的注入区域可在其边缘具有倒圆或弯曲的特征和/或具有注入浓度的梯度，而不是从注入区域到非注入区域的二元变化。同样，通过注入形成的埋区会导致在埋区和通过其发生注入的表面之间的区域中的一些注入。因此，在图中示出的区域本质上是示意性的，它们的形状并不意图示出装置的区域的实际形状，也不意图限制示例实施例的范围。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则术语(诸如在通用字典中定义的术语)应该被解释为具有与相关领域的上下文中它们的意思一致的意思，而将不以理想的或者过于正式的含义来解释它们。
图1是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置100的剖视图。参照图1，栅极氧化物112可在栅电极110上，沟道120可在栅极氧化物112上，隧道阻挡件(tunnel barrier)122可在沟道120上。源极130、漏极140和输出电极150可设置在隧道阻挡件122上并彼此分开。栅电极110可以是导体(如，铝(Al)和/或多晶硅)。栅极氧化物112可以是氧化物(如，氧化硅)。隧道阻挡件122的材料可与在隧穿磁电阻(tunneling magneto resistivity，TMR)装置中的磁化层之间的材料相同。例如，隧道阻挡件122可以是MgO或AlOx(如，Al2O3)。
源极130可以是金属层。当源极130是普通金属时，上自旋(即，上自旋极化的)电子和下自旋(即，下自旋极化的)电子的态密度(DOS)可大致相同。漏极140可以是磁材料，如铁磁材料。漏极140可包括在隧道阻挡件122上的铁磁层142和在铁磁层142上的金属层146。漏极140还可包括在铁磁层142和金属层146之间的反铁磁层(anti-ferromagnetic layer)144。反铁磁层144可固定铁磁层142中的自旋极化的电子的自旋方向。输出电极150可以是磁材料，例如，铁磁材料。输出电极150可包括在隧道阻挡件122上的铁磁层152和在铁磁层152上的金属层156。输出电极150还可包括在铁磁层152和金属层156之间的反铁磁层154。
例如，铁磁材料可以是NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金、Fe、Co、Mn和/或透磁合金(permalloy)。铁磁层142和152可具有DOS比下自旋电子的DOS高的上自旋电子。普通金属的上自旋电子和下自旋电子可具有相同的DOS，源极130可以是普通金属。反铁磁层144和154可以是反铁磁材料(如，FeMn，PtMn和/或PtCrMn)。在漏极140和输出电极150中的占多数的电子的自旋方向可以是沿彼此不同的方向。
例如，沟道120可以是半金属、磁半导体和/或铁磁材料。例如，沟道120可以是磁氧化物(如，CrO2、Fe3O4、NiO和/或TiO2)、磁双钙钛矿结构材料、磁赫斯勒合金(magnetic Heusler alloy)、磁半赫斯勒合金(magnetic halfHeusleralloy)和/或具有半金属特性的半导体。例如，磁性双钙钛矿结构材料可以具有表示为A2BB′O6的化学组成，其中，A从由Ca、Sr和Ba组成的组中选择，B是如Fe或Co的3d轨道过渡金属，B′是如Mo或Re的4d轨道过渡金属。磁双钙钛矿结构材料的示例可包括Sr2FeMoO6和/或Sr2FeReO6。
磁赫斯勒合金可以是组合物X2YZ、X2YZ′、X2Y′Z、X2Y′Z′中的至少一种，其中，X是Co、Fe和Ru中的至少一种，Y是Cr和Mn中的至少一种，Z是Si、Ge、Sn、Al、Ga、Sb和Pb中的至少一种。磁赫斯勒合金的示例可包括Co2CrAl和/或Co2MnSi。磁半赫斯勒合金可以是NiMnSb、PdMnSb、PtMnSb、CoMnSb、IrMnSb、NiCrSb、FeMnSb、CoCrSb、NiVSb、CoVSb、CoTiSb、NiMnSe、NiMnTe、CoFeSb、NiFeSb和/或RhMnSb中的至少一种。具有半金属特性的半导体可以是CrAs、MnAs和/或CrSe中的至少一种。
沟道120可以是稀磁半导体材料，该稀磁半导体材料是在半导体中掺杂过渡金属之后为磁性的。稀磁半导体可以是(In，Mn)As、(Ga，Mn)As、(Zn，Co)O、(Zn，V)O、(Ga，Mn)N、(Ga，Cr)N、(Cd，Mn)GeP2、(Zn，Mn)GeP2、(Ti，Cr)O2和/或(Zn，Cr)Se中的至少一种。在括号中，第一个列出的材料是主体(host)，第二个列出的材料是掺杂材料(或取代材料)。此外，如NiMnSb、La(1-x)AxMnO3(A＝Ca、Ba、Sr，0.2＜x＜0.3)的锰类半导体和如Cu掺杂GaN的过渡金属掺杂半导体也可具有半金属特性。
沟道120可以是在源极130和漏极140之间以及在源极130和输出电极150之间的自旋电子的通道。沟道120可用作过滤器，该过滤器选择性地传输可从源极130注入的具有特定方向(例如，上自旋方向或下自旋方向)的自旋电子。可将沟道120设置为使方向与输出电极150或漏极140的自旋电子的方向相同的自旋电子通过。可根据施加到栅电极110的栅极电压Vg来确定将通过沟道120传输的电子的自旋方向。当施加到栅电极110的栅极电压Vg大于或等于阈值电压时，沟道120的自旋方向会反转，且会改变通过沟道120传输的电子的自旋方向。隧道阻挡件122可帮助沟道120过滤出进入沟道120的具有不期望的自旋方向的电子，并过滤出从沟道120穿过到达漏极140或输出电极150的具有不期望的自旋方向的电子。
图1中示出的自旋场效应逻辑装置100可包括场效应晶体管(FET)。半金属可具有下自旋电子和/或上自旋电子。具有距费米能级(Fermi level)一定间隙(gap)的一种类型的自旋电子可显现半导体特性，另一种类型的自旋电子可具有金属特性。可选择沟道120，使得对在漏极140中的主要的和/或多数的自旋电子的自旋方向来说，存在能带间隙。
图2至图5是示出图1中示出的逻辑装置的驱动原理的示图。参照图2，当源极130是普通金属层时，上自旋电子的DOS和下自旋电子的DOS可以彼此大致相等。可选择漏极140，使得上自旋电子在漏极140中占多数。因为对上自旋电子来说存在能带间隙，所以沟道120可选择性地传输下自旋电子。
当将第一电压V1(如，约1V)施加到漏极140时，来自源极130的下自旋电子可穿过沟道120。因为上自旋电子在漏极140中占多数，所以电流减小和/或电流几乎不流动到漏极140。参照图1，沟道120中的电子的自旋沿箭头A指示的方向，在沟道120中的电子的自旋方向和在漏极140中的电子的自旋方向可彼此反向平行。
参照图3，当将阈值电压(如，约0.5V)施加到栅电极110时，沟道120的上自旋电子的导带可与费米能级EF对齐。参照图1，在沟道120中的电子的自旋方向可以沿箭头B指示的方向，沟道120的电子的自旋方向和漏极140的电子的自旋方向可彼此平行。可通过沟道120来传输上自旋电子，上自旋电子可流动到漏极140。
参照图4，下自旋电子在输出电极150中可以占多数。在沟道120中，对上自旋电子来说可存在能级间隙，使得可通过沟道120来选择性传输下自旋电子。当将第二电压V2(如，约1V)施加到输出电极150时，来自源极130的下自旋电子可穿过沟道120并可流动到输出电极150。参照图1，在沟道120中的电子的自旋方向为沿箭头A指示的方向。沟道120的电子自旋方向和输出电极150的电子自旋方向可彼此平行。参照图5，当将阈值电压(如，约0.5V)施加到栅电极110时，在沟道120中的上自旋电子的导带可与费米能级EF对齐。参照图1，在沟道120中的电子的自旋方向是沿箭头B指示的方向。沟道120的电子自旋方向和输出电极150的电子自旋方向彼此反向平行。可通过沟道120来传输源极130的上自旋电子。上自旋电子流减小和/或几乎不流动到输出电极150，但是上自旋电子可流动到漏极140。在输出电极150处测得的电流可以为低。
图6是图1中示出的逻辑装置的示出逆变器特性的真值表。栅电极110可电连接到输入端，输出电极150可电连接到输出端。在输出电极150处检测的电流为输出电流(Iout)。将输出电流Iout转化为输出电压Voutput(在括号中示出)。当栅极电压Vg大于或等于阈值电压Vth时，在沟道120中来自源极130的自旋电子可与漏极140的自旋电子平行，并可流动到漏极140。从输出电极150检测的输出电流Iout可以是相对低的和/或减小的电流Ilow。当栅极电压Vg小于阈值电压Vth(如，地电压V0)时，在沟道120中来自源极130的自旋电子可与输出电极150的自旋方向平行。从输出电极150检测的输出电流Iout可以是增大的和/或相对高的电流Ihigh。本实施例的逻辑装置100可以是逆变器电路装置。逆变器逻辑装置100可具有改进的和/或简化的结构。
图7是根据示例实施例的可被作为逆变器操作的自旋场效应逻辑装置的剖视图。参照图7，在栅极氧化物212上的栅电极210和在第一隧道阻挡件221上的漏极240可以在沟道220的第一表面上。第二隧道阻挡件222可以在沟道220的第二表面上。源极230和输出电极250可以在第二隧道阻挡件222上，并且可以彼此分开。漏极240和输出电极250的位置与源极230和漏极240的位置可以不同(如，可以交换)。
栅电极210可以是导体(如，Al和/或多晶硅)。栅极氧化物212可以是氧化物(如，氧化硅)。第一隧道阻挡件221和第二隧道阻挡件222可以是与TMR装置中的两个磁化层之间的材料相同的材料。例如，第一隧道阻挡件221和第二隧道阻挡件222可以是MgO或AlOx(如，Al2O3)。源极230可以是金属层。当源极230是普通金属时，上自旋电子和下自旋电子的态密度(DOS)可以相同。
漏极240可以是磁材料(如铁磁材料)。漏极240可包括在第一隧道阻挡件221上的铁磁层242和在铁磁层242上的金属层246。漏极240还可包括在铁磁层242和金属层246之间的反铁磁层244。反铁磁层244可固定铁磁层242的自旋极化的电子的自旋方向。输出电极250可以是磁材料，例如，铁磁材料。输出电极250可包括在第二隧道阻挡件222上的铁磁层252和在铁磁层252上的金属层256。输出电极250还可包括在铁磁层252和金属层256之间的反铁磁层254。
漏极240中和输出电极250中的占多数的电子的自旋方向可以是沿彼此以不同的方向。例如，沟道220可以是半金属。图7中所示的自旋场效应装置200可包括场效应晶体管。自旋场效应装置200的操作可以与自旋场效应装置100的操作相同，并且省略了操作的详细描述。
图8至图10是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置300的剖视图，并示出该装置的NAND操作。图11是图8至图10中示出的逻辑装置的示出NAND特性的真值表。参照图8，栅极氧化物312可以在第一栅电极310上，第一沟道320可以在栅极氧化物312上，第一隧道阻挡件322可以在第一沟道320上。源极330和第二沟道360可以在第一隧道阻挡件322上，源极330和第二沟道360可彼此分开。栅极氧化物372和第二隧道阻挡件362可以在第二沟道360上，栅极氧化物372和第二隧道阻挡件362可彼此分开。第二栅电极370可以在栅极氧化物372上，漏极340可以在第二隧道阻挡件362上。
可将地电压施加到源极330。第一电压源390可连接到漏极340。输出线380可连接在漏极340和第一电压源390之间。可在输出线380处测量从源极330流动到漏极340的输出电流Iout。可将第一栅极电压Vg1施加到第一栅电极310，可将第二栅极电压Vg2施加到第二栅电极370。
源极330可包括在第一隧道阻挡件322上的铁磁层332、在铁磁层332上的反铁磁层334和在反铁磁层334上的金属层336。漏极340可包括在第二隧道阻挡件362上的铁磁层342、在铁磁层342上的反铁磁层344和在反铁磁层344上的金属层346。源极330的铁磁层332和漏极340的铁磁层342可包括沿相同的方向(如，第一方向)磁化的主自旋电子。第一沟道320和第二沟道360可以是选择性地传输沿与第一方向相反的第二方向磁化的自旋电子的半金属。当将阈值电压Vth1施加到第一栅电极310时，第一沟道320可以选择性地传输沿第一方向磁化的自旋电子。当将第二阈值电压Vth2施加到第二栅电极370时，第二沟道360可以选择性地传输沿第一方向磁化的自旋电子。当将第一电压V1施加在源极330和漏极340之间时，从源极330注入的电子可经第一沟道320和第二沟道360移动到漏极340。
源极330和漏极340之间的电阻可以是源极330和第一沟道320之间的电阻与漏极340和第二沟道360之间的电阻之和。当在源极330和第一沟道320之间的电子自旋方向是彼此反向平行时，源极330和第一沟道320之间的电阻的为第一电阻R1，当所述电子自旋方向彼此平行时，所述电阻为第二电阻R2。当在漏极340和第二沟道360之间的电子自旋方向彼此反向平行时，漏极340和第二沟道360之间的电阻为第三电阻R3，当所述电子自旋方向彼此平行时，所述电阻为第四电阻R4。第一电阻R1可以大于第二电阻R2。第三电阻R3可以大于第四电阻R4。第一电压源390的电阻392可以大于第二电阻R2和第四电阻R4之和，小于第一电阻R1和第四电阻R4之和，并小于第二电阻R2和第三电阻R3之和。
参照图8，可将第一电压V1(如，1V)施加在源极330和漏极340之间，可将地电压施加到第一栅电极310和第二栅电极370。因为源极330和漏极340之间的电阻是第一电阻R1和第三电阻R3之和，此和大于第一电压源390的电阻392，所以从源极330流动到漏极340的第一电流可小于从第一电压源390流动的第二电流，在输出线380处检测的电流可以是来自第一电压V1的第二电流。参照图11，第一栅电极310可电连接到第一输入端，第二栅电极370可电连接到第二输入端，且输出线380可电连接到输出端。第一输入电压Vinput1和第二输入电压Vinput2可以是低电压Vlow，输出电压Voutput可以是高电压Vhigh。
当将大于或等于第一阈值电压Vth1的第一栅极电压Vg1施加到第一栅电极310时，第一沟道320的自旋方向可以反转，如图9中所示。在源极330和漏极340之间的电阻可以是第二电阻R2和第三电阻R3之和，此和大于电阻392。可以在输出线380处检测作为大电流的第二电流。参照图11，第一输入电压Vinput1可以是高电压Vhigh，第二输入电压Vinput2可以是低电压Vlow，输出电压Voutput可以是高电压Vhigh。
当将地电压施加到第一栅电极310并将大于或等于第二阈值电压Vth2的第二栅极电压Vg2施加到第二栅电极370(未示出)时，第二沟道360的自旋方向可以反转。源极330和漏极340之间的电阻可以是第一电阻R1和第四电阻R4之和，此和可大于电阻392。可以在输出线380处检测作为大电流的第二电流。参照图11，第一输入电压Vinput1可以是低电压Vlow，第二输入电压Vinput2可以是高电压Vhigh，输出电压Voutput可以是高电压Vhigh。
参照图10，可将大于或等于第一阈值电压Vth1的第一栅极电压Vg1施加到第一栅电极310，可将大于或等于第二阈值电压Vth2的第二栅极电压Vg2施加到第二栅电极370。通过第一沟道320和第二沟道360传输的电子的自旋方向可以与源极330和漏极340的主自旋电子的自旋方向平行。源极330和漏极340之间的电阻可以是第二电阻R2和第四电阻R4之和，此和小于电阻392，从源极330流动到漏极340的第一电流可在输出线380检测。第一电流(Ilow)可大于第二电流。参照图11，第一输入电压Vinput1可以是高电压Vhigh，第二输入电压可Vinput2可以是高电压Vhigh，输出电压Voutput可以是低电压Vlow。
第一栅电极310可电连接到第一输入端，第二栅电极370可电连接到第二输入端，输出线380可电连接到输出端，并可得到如图11所示的真值表。可提供图8中所示的NAND逻辑装置300的操作。
图12至图14是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置400的透视图，并示出该装置的AND操作。图15是图12至图14的逻辑装置的示出AND特性的真值表。参照图12，第一沟道420和第一隧道阻挡件422可在绝缘基底402上。源极430、第二沟道442和第三沟道452可在第一隧道阻挡件422上。源极430、第二沟道442和第三沟道452可彼此分开。第二隧道阻挡件444和第一栅极氧化物412可在第二沟道442上。第二隧道阻挡件444和第一栅极氧化物412可彼此分开。第一漏极440可在第二隧道阻挡件444上。第一栅电极410可在第一栅极氧化物412上。第三隧道阻挡件454和第二栅极氧化物472可在第三沟道452上。第三隧道阻挡件454和第二栅极氧化物472可彼此分开。第二漏极450可在第三隧道阻挡件454上。第二栅电极470可在第二栅极氧化物472上。第一电压源490可并联地连接在第一漏极440和第二漏极450之间。输出线480可电连接在第一电压源490和第一漏极440之间。标号492可代表第一电压源490和输出线480之间的电阻。当在输出线480处测量的电流是来自源极430的电流时，该测量的电流可以是第一电流。当在输出线480处测量的电流是来自第一电压源490的电流时，该测量的电流可以是第二电流。
当第二沟道442的自旋方向或第三沟道452的自旋方向与第一沟道420的自旋方向平行时，第一沟道420与沟道442或452之间的电阻可以是第一电阻。当第二沟道442的自旋方向和第三沟道452的自旋方向与第一沟道420的自旋方向反向平行时，第一沟道420与沟道442或452之间的电阻可以是第二电阻。第一电流可设置为小于第二电流。第一沟道420可以为半金属并可以被磁化，从而传输沿第一方向的自旋电子。第二沟道442和第三沟道452可传输具有第一方向的自旋电子。现在将参照图12至图15描述逻辑装置的操作。
参照图12和图15，当将地电压施加到源极430，将地电压V0或Vlow施加到第一栅电极410和第二栅电极470，并将第一电压V1施加到第一电压源490时，来自源极430的电子可传输通过沟道420、442和452并流动到漏极440和450。当源极430是普通金属时，具有第一方向的自旋电子的量和具有第二方向的自旋电子的量可以彼此大致相等。具有第一方向的自旋电子可经沟道420、442和452流动到第一漏极440和第二漏极450，并流动到输出线480。可在输出线480处检测第一电流(低电流Ilow)。输出线480可被称为输出电极。
当将大于或等于第一阈值电压Vth1的第一栅电极Vg1施加到第一栅电极410时，第二沟道442的自旋电子的方向可与如图13所示的第一沟道420的自旋电子的方向反向平行。第三沟道452的自旋电子的方向可与第一沟道420的自旋电子的方向平行。当将第一电压V1施加到第一电压源490时，来自源极430的具有第一方向的自旋电子可经具有低电阻的第三沟道452流动到第二漏极450，可在输出线480处检测第一电流。相反地，当将大于或等于第二阈值电压Vth2的第二栅极电压Vg2施加到第二栅电极470并将地电压施加到第一栅电极410时(未示出)，来自源极430的具有第一方向的自旋电子可经具有低电阻的第二沟道442流动到第一漏极440，可在输出线480处检测第一电流。
参照图14，当将大于或等于第一阈值电压Vth1的电压施加到第一栅电极410并将大于或等于第二阈值电压Vth2的电压施加到第二栅电极470时，具有第一方向的自旋电子可不在第一沟道442和第二沟道452中流动。来自第一电压源490的电流可流动到输出线480，可检测第二电流。第二电流可大于第一电流。
参照图15，第一栅电极410和第二栅电极470可电连接到第一输入端和第二输入端，输出线480可电连接到输出端，可得到如图15中所示的真值表。可提供图12中示出的AND逻辑装置400的操作。
图16至图18是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置500的透视图，并示出该装置的NOR操作。图19是图16至图18中的逻辑装置的示出NOR特性的真值表。参照图16，第一隧道阻挡件522可在第一沟道520上，第一沟道520可在绝缘基底502上。源极530、第二沟道542和第三沟道552可在第一隧道阻挡件522上。源极530、第二沟道542和第三沟道552可彼此分离。第二隧道阻挡件544和第一栅极氧化物512可在第二隧道542上。第二隧道阻挡件544和第一栅极氧化物512可彼此分离。第一漏极540可在第二隧道阻挡件544上。第一栅电极510可在第一栅极氧化物512上。第三隧道阻挡件554和第二栅极氧化物572可在第三沟道552上。第三隧道阻挡件554和第二栅极氧化物572可彼此分离。第二漏极550可在第三隧道阻挡件554上。第二栅电极570可在第二栅极氧化物572上。第一电压源590可并联地连接在第一漏极540和第二漏极550之间。输出线580可连接在第一电压源590和第一漏极540之间。标号592可代表第一电压源590和输出线580之间的电阻。当在输出线580处测量的电流是来自源极530的电流时，测得的电流可以是第一电流。当在输出线580处测量的电流是来自第一电压源590的电流时，测量的电流可以是第二电流。
当第二沟道542的自旋方向和第三沟道552的自旋方向与第一沟道520的自旋方向反向平行时，第一沟道520与沟道542或552之间的电阻是第一电阻。当第二沟道542的自旋方向或第三沟道552的自旋方向与第一沟道520的自旋方向平行时，第一沟道520与沟道542或552之间的电阻可以是第二电阻。第一电流可小于第二电流。第一沟道520可以为半金属并可以被磁化，从而传输沿第一方向的自旋电子。形成第二沟道542和第三沟道552以传输具有第二方向的自旋电子。
现在将参照图16至图19来描述图16至图18中示出的逻辑电路装置500的操作。参照图16和图19，当将地电压施加到源极530，将地电压V0或Vlow施加到第一栅电极510和第二栅电极570，并将第一电压V1施加到第一电压源590时，来自源极530中的电子可未传输通过沟道520、542和552。当源极530是普通金属时，具有第一方向的自旋电子的量和具有第二方向的自旋电子的量可以彼此大致相等。因为第一沟道520的自旋电子与第二沟道542和第三沟道552的自旋电子反向平行，所以源极530与漏极540和550之间的电阻可大于电阻592。可在输出线580处检测来自第一电压源590的第二电流。
当将大于或等于第一阈值电压Vth1的第一栅电极Vg1施加到第一栅电极510时，第二沟道542的自旋电子的方向可与如图17所示的第一沟道520的自旋电子的方向平行。当将第一电压V1施加到第一电压源590时，来自源极530的具有第一方向的自旋电子可经具有低电阻的第二沟道542流动到第一漏极540，可在输出线580处检测第一电流。第一电流可大于第二电流。当将大于或等于第二阈值电压Vth2的第二栅极电压Vg2施加到第二栅电极570并将地电压施加到第一栅电极510时(未示出)，来自源极530的具有第一方向的自旋电子可经具有低电阻的第三沟道552流动到第二漏极550，可在输出线580处检测第一电流。
参照图18，当将大于或等于第一阈值电压Vth1的电压施加到第一栅电极510并将大于或等于第二阈值电压Vth2的电压施加到第二栅电极570时，具有第一方向的自旋电子可在第二沟道542和第三沟道552中流动，可在输出线580处检测第一电流。参照图19，第一栅电极510和第二栅电极570可电连接到第一输入端和第二输入端，输出线580可电连接到输出端，可得到如图19中所示的真值表。可提供图16中示出的NOR逻辑装置500的操作。
图20是根据示例实施例的自旋场效应逻辑装置的透视图，并示出该装置的AND操作和NOR操作。参照图20，第三栅极氧化物604可在控制栅电极602上。第一沟道620可在第三栅极氧化物604上，第一隧道阻挡件622可在第一沟道620上。源极630、第二沟道642和第三沟道652可在第一隧道阻挡件622上。源极630、第二沟道642和第三沟道652可彼此分开。第二隧道阻挡件644和第一栅极氧化物612可在第二沟道642上。第二隧道阻挡件644和第一栅极氧化物612可彼此分开。第一漏极640可在第二隧道阻挡件644上。第一栅电极610可在第一栅极氧化物612上。第三隧道阻挡件654和第二栅极氧化物672可在第三沟道652上。第三隧道阻挡件654和第二栅极氧化物672可彼此分开。第二漏极650形成在第三隧道阻挡件654上。第二栅电极670形成在第二栅极氧化物672上。第一电压源690可并联地连接到第一漏极640和第二漏极650。输出线680可连接在第一电压源690和第一漏极640之间。标号692可代表第一电压源690和输出线680之间的电压。
第一沟道620可以是半金属并可以被磁化，从而传输沿第一方向的自旋电子。第二沟道642和第三沟道652可传输具有第一方向的自旋电子。可将大于或等于第三阈值电压的第三栅极电压Vg3施加到控制栅电极602。第一沟道620的自旋电子的方向可反转以传输具有第二方向的自旋电子。第一沟道620的电子自旋方向可与第二沟道642和第三沟道652的电子自旋方向反向平行。逻辑装置600可以是与图16中所示的逻辑装置500相同的NOR逻辑装置。当将小于第三阈值电压的第三栅极电压Vg3施加到控制栅电极602时，第一沟道620的电子自旋方向可与第二沟道642和第三沟道652的电子自旋方向平行。逻辑装置600可以是与图12中所示的逻辑装置400相同的AND逻辑装置。逻辑装置600可根据第三栅极电压Vg3在AND逻辑装置和NOR逻辑装置之间转换。
尽管已经具体地示出并描述了示例实施例，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可在此做出形式和细节的改变。

Claims (12)

1.一种自旋场效应逻辑装置，包括：
第一沟道，包括磁材料，第一沟道被构造为选择性地传输自旋极化的电子；
源极，在第一沟道上；
第一栅电极，在第一沟道上；
第一漏极，被构造为输出从源极传输的电子；
输出电极，被构造为输出从源极传输的电子；
输入端，连接到第一栅电极；
输出端，连接到输出电极，
其中，第一栅电极被构造为控制第一沟道的磁化状态以选择性地传输从源极注入到第一沟道中的电子，
当第一沟道是第一磁化状态时，第一沟道被构造为选择性地传输沿第一方向自旋极化的自旋极化电子，
第一漏极和输出电极包括磁材料，第一漏极沿第二方向磁化，输出电极沿第一方向磁化，
所述逻辑装置被构造成为使得当输入端的电势大于或等于阈值电压时，第一沟道处于第二磁化状态并选择性地传输沿第二方向自旋极化的电子，且输出端的输出电压为低，以及
当输入端处于地电压时，输出端的输出电压为高。
2.如权利要求1所述的逻辑装置，所述逻辑装置还包括：
隧道阻挡件，在第一沟道上，
其中，源极、第一漏极和输出电极在隧道阻挡件上。
3.如权利要求1所述的逻辑装置，所述逻辑装置还包括：
第一隧道阻挡件和第二隧道阻挡件，在第一沟道上，
其中，源极、第一漏极和输出电极中的两个形成在第一隧道阻挡件上，源极、第一漏极和输出电极中的剩余的一个形成在第二隧道阻挡件上。
4.如权利要求1所述的逻辑装置，其中，第一沟道是半金属，第一沟道的能带间隙是第一方向。
5.如权利要求2所述的逻辑装置，其中，第一漏极和输出电极中的每个包括在隧道阻挡件上的铁磁层和在铁磁层上的金属层。
6.如权利要求5所述的逻辑装置，其中，第一漏极和输出电极中的每个还包括在铁磁层和金属层之间的反铁磁层。
7.一种自旋场效应逻辑装置，包括：
第一沟道，包括磁材料，第一沟道被构造为选择性地传输自旋极化的电子；
源极，在第一沟道上；
第一栅电极，在第一沟道上；
第一漏极，被构造为输出从源极传输的电子；
输出电极，被构造为输出从源极传输的电子；
第一电压源，连接到第一漏极；
第二沟道，在第一沟道上，第一漏极在第二沟道上；
第二栅电极，在第二沟道上，
其中，源极在第一沟道上，
输出电极连接在第一漏极和第一电压源之间，
源极和第一漏极沿第一方向磁化，
第一栅电极被构造为控制第一沟道的磁化状态，第二栅电极被构造为控制第二沟道的磁化状态，以选择性地传输从源极注入到第一沟道中的电子，
第一沟道和第二沟道传输沿第二方向磁化的自旋极化的电子。
8.如权利要求7所述的逻辑装置，所述逻辑装置还包括：
第一隧道阻挡件，在第一沟道和源极之间，并在第一沟道和第二沟道之间；
第二隧道阻挡件，在第二沟道和第一漏极之间，并在第二沟道和输出电极之间。
9.如权利要求8所述的逻辑装置，其中，第一沟道和第二沟道是半金属。
10.如权利要求9所述的逻辑装置，其中，源极包括在第一隧道阻挡件上的铁磁层和形成在铁磁层上的金属层，第一漏极包括在第二隧道阻挡件上的铁磁层和形成在铁磁层上的金属层。
11.如权利要求8所述的逻辑装置，其中，所述逻辑装置被构成为使得当第一沟道和第二沟道中的至少一个沿第二方向磁化时，源极和输出电极之间的电阻是第一电阻，当第一沟道和第二沟道都沿第一方向磁化时，所述电阻为第二电阻，第一电压源和输出电极之间的电阻是具有在第一电阻的大小和第二电阻的大小之间的大小的第三电阻。
12.如权利要求11所述的逻辑装置，所述逻辑装置还包括：
第一输入端，连接到第一栅电极；
第二输入端，连接到第二栅电极；
输出端，连接到输出电极，
其中，所述逻辑装置被构造为使得当将大于或等于对应的第一沟道的阈值电压的电压施加到第一输入端且将大于或等于对应的第二沟道的阈值电压的电压施加到第二输入端时，第一沟道和第二沟道传输沿第一方向自旋极化的电子，且在输出端输出与来自源极的第一电流相关的第一电压，
当将小于对应的第一沟道的阈值电压的电压施加到第一输入端和／或将小于对应的第二沟道的阈值电压的电压施加到第二输入端时，输出与来自第一电压源的第二电流相关的第二电压，
第二电压大于第一电压。
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