CN103794224A - 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 - Google Patents
一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103794224A CN103794224A CN201410039670.4A CN201410039670A CN103794224A CN 103794224 A CN103794224 A CN 103794224A CN 201410039670 A CN201410039670 A CN 201410039670A CN 103794224 A CN103794224 A CN 103794224A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- logic
- magnetic
- magnetic field
- logical
- phase transformation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 title claims abstract description 78
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 191
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 36
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 89
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 23
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 8
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 8
- 208000012978 nondisjunction Diseases 0.000 claims description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 6
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910002909 Bi-Te Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910018979 CoPt Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910005335 FePt Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910005936 Ge—Sb Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052689 Holmium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910020836 Sn-Ag Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910020923 Sn-O Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910020988 Sn—Ag Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 chalcogenide compound Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 abstract 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 39
- 239000010408 film Substances 0.000 description 19
- 229910005900 GeTe Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 229910005872 GeSb Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004166 TaN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010037 TiAlN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008599 TiW Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000035800 maturation Effects 0.000 description 1
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000005388 metamagnetism Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/08—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/02—Recording, reproducing, or erasing methods; Read, write or erase circuits therefor
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/165—Auxiliary circuits
- G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/165—Auxiliary circuits
- G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
- G11C13/0004—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements comprising amorphous/crystalline phase transition cells
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
- G11C13/0021—Auxiliary circuits
- G11C13/004—Reading or sensing circuits or methods
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
- G11C13/0021—Auxiliary circuits
- G11C13/0097—Erasing, e.g. resetting, circuits or methods
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/173—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using elementary logic circuits as components
- H03K19/177—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using elementary logic circuits as components arranged in matrix form
- H03K19/17748—Structural details of configuration resources
- H03K19/1776—Structural details of configuration resources for memories
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/18—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法，非易失性逻辑器件包括磁头以及依次附着于衬底上的底电极、绝缘层，相变磁性薄膜和顶电极；其中相变磁性材料由一种相变材料基质中掺杂铁磁性元素构成，材料的磁性能够通过非晶态-晶态相变来可逆调控。本发明基于材料的相变控磁特性实现“实质蕴涵”逻辑运算以及“与”、“或”、“与非”和“或非”四种布尔逻辑运算，其运算结果以材料的剩余磁化存储在器件中，从而实现在单个逻辑器件中同时进行信息的存储和处理的效果。本发明公开的逻辑器件能够作为基本单元应用于新型固态存储器、逻辑运算器、可编程门阵列和片上系统等领域。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法。
背景技术
面对大数据时代的海量信息挑战，存储与处理融合新型信息器件被认为是突破传统冯诺依曼计算机体系架构瓶颈的关键。纳米级兼具信息存储和处理功能的电子器件是未来大规模并行运算的基石。信息存储可以通过不同两种物理状态表征“0”“1”实现，如相变存储器的非晶态和晶态，磁存储器的电子自旋平行态和反平行态，阻变存储器的导电通道形成和断开两种状态等。数字式逻辑运算是已成熟应用于计算机信息处理方式。
相变磁性材料集相变材料与稀磁半导体材料特性于一体，不仅具有相变材料快速可逆的结构变化特点，而且将自旋有效引入到相变材料中。相变磁性材料的光、电、磁等特性会随着材料在晶态与非晶态之间发生可逆相变而发生变化，从而可实现通过光致相变或电致相变来调控材料的磁特性。这一新奇特性被展望可用于新型自旋电子器件中，应用于未来信息存储和逻辑运算领域中。然而，迄今而至，相变磁性材料的研究仍然停留在材料特性探索，而后续的器件制备以及功能设计仍然未见相关文献报道，而这些方面对于未来相变磁性材料的实际应用极为关键。因此，需要针对相变磁性材料的新奇特性，设计现有电子器件所不具备的新型器件功能和操作方法。
发明内容
针对现有技术的以上不足和迫切需求，本发明的目的在于提供了一种基于相变磁性材料的能同时实现逻辑运算和信息非易失性存储的逻辑器件。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，其中相变磁性材料由一种相变材料基质中掺杂铁磁性元素构成，材料的磁性能够通过非晶态-晶态相变来可逆调控。
本发明提供了一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，包括磁头以及依次附着于衬底上的底电极、绝缘层、相变磁性薄膜和顶电极；所述衬底包括硅衬底以及附着于所述硅衬底上的有源区；所述底电极包括N型硅层、P型硅层和加热层；所述N型硅层和所述P型硅层形成PN二极管结构；加热层的尺寸小于P型硅层的尺寸；所述相变磁性材料薄膜沉积在所述绝缘层上并与所述加热层形成电接触；所述顶电极和所述底电极均连接至外部的电脉冲信号；所述非易失性逻辑器件外部还存在一个磁场输入；所述磁场为与所述相变磁性薄膜的二维平面平行的均匀可变磁场，所述磁场的强度为0～12000Oe；所述磁头用于检测相变磁性材料的磁状态，所述磁头包括基底、依次附着于所述基底上的第一磁屏蔽层、磁阻传感器以及第二磁屏蔽层；当磁头检测某个器件的磁状态时，第一磁屏蔽层和第二磁屏蔽层用于屏蔽周围其他器件单元磁状态对磁头传感器的干扰，磁阻传感器用于检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并将其转换为读电流输出。
其中，所述相变磁性材料薄膜由一种相变材料基质掺杂铁磁性元素构成，组分表达式为AxB1-x，其中A为铁磁性元素，B为相变材料，0＜x≤30％。
其中，所述相变材料B为二元、三元或四元硫系化合物系列，包括Ge-Te、Sb-Te、Bi-Te、Ge-Sb、Sn-Te、Sb-Se、In-Se、Ge-Sb-Te、In-Sb-Te、As-Sb-Te、Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn、Sb-Se-Bi、Ga-Te-Se、Ge-Te-Ti、Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag或Ag-In-Sb-Te及其混合合金。
其中，所述相变磁性材料薄膜为Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、Ge1Sb4Te7、GeTe、GeSb、Sb2Te3、Sb70Te30、Ag5In5Sb60Te30、Bi2Te3或Sb2Se3。所述的铁磁性元素A包括但不局限于Co、Fe、Ni及其合金，如FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa等。A也包括Mn、Cr以及稀土元素Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm等。
其中，所述相变磁性材料薄膜为Fe0.02Ge0.98Te、Fe0.08Ge0.92Te、Fe0.14Ge0.86Te或Fe0.25Ge0.75Te。
本发明提供的逻辑器件，具有多种非易失性的物理状态，非晶态和晶态的相变磁性材料在物相结构、电学特性、光学特性和磁性特性等方面均存在差异，可以用于信息的存储。针对材料的这一特点，本发明以外加电脉冲以及磁场作为逻辑输入进行逻辑运算，以器件的剩余磁化强度这一磁特性物理量表征逻辑运算的结果。这一结果能够非易失性地存储在器件磁状态中，通过磁头检测器磁状态将信息读出，并通过施加一个矫顽磁场或非晶化电脉冲实现信息的擦除。此外，在不同的逻辑“0”和“1”的定义下，器件可以实现“实质蕴涵”逻辑、“或”、“或非”、“与”和“与非”布尔逻辑等多种逻辑运算，进而极大地促进非易失性逻辑器件的设计。
本发明提供了一种非易失性逻辑操作方法，包括以下步骤：通过给非易失性逻辑器件中的顶电极和有源区施加电脉冲信号，且给所述非易失性逻辑器件施加磁场；以电脉冲信号为一个逻辑输入Input A，以磁场为另一个逻辑输入Input B，以所述非易失性逻辑器件中的相变磁性材料的剩余磁感应强度Br为逻辑输出Output，实现逻辑运算。
其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑0；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场定义为逻辑1，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场定义为逻辑0；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，从而实现实质蕴涵逻辑运算。
其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET冲定义为逻辑0，电脉冲信号RESET定义为逻辑1；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场定义为逻辑1，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场定义为逻辑0；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，从而实现“或”布尔逻辑运算。
其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑0，电脉冲信号RESET定义为逻辑1；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑1，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场为逻辑0；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，从而实现“或非”布尔逻辑运算。
其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑0；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑0，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场为逻辑1；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，从而实现“与”布尔逻辑运算。
其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑0；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑0，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场为逻辑1；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，从而实现“与非”布尔逻辑运算。
本发明还提供了一种逻辑运算结果的读取和擦除方法，包括下述步骤：
将逻辑运算结果存储在相变磁性材料的非易失性剩磁状态中；
通过磁头检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并转换成一个读电流输出，实现信息的读取；
通过施加一个反向矫顽磁场-Hc或者施加一个RESET脉冲将相变磁性材料非晶化，实现存储信息的擦除。
本发明基于材料的相变控磁特性实现“实质蕴涵”逻辑运算以及“或”、“或非”、“与”和“与非”四种布尔逻辑运算，其运算结果以材料的剩余磁化存储在器件中，从而实现在单个逻辑器件中同时进行信息的存储和处理的效果。本发明公开的逻辑器件有望用于构建下一代信息存储和处理融合的新型计算机体系架构，突破传统计算机架构中由于信息存储和处理分离造成的“冯诺依曼瓶颈”问题。本发明公开的逻辑器件能够作为基本单元应用于新型固态存储器、逻辑运算器、可编程门阵列和片上系统等领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件的器件结构示意图。
图2是本发明实施例制得的一系列晶态相变磁性材料FexGe1-xTe的X射线衍射图谱。
图3是本发明实施例制得的一系列晶态相变磁性材料FexGe1-xTe薄膜在2K低温-10KOe～10KOe面内磁场作用下的磁化曲线。
图4(a)是本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件的典型电流-电压(I-V)特性相变曲线。
图4(b)是本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件的典型脉冲模式相变特性。
图5是本发明实施例提供的基于Fe0.02Ge0.98Te相变磁性材料的逻辑器件的相变控磁特性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及其逻辑操作方法，可实现“实质蕴涵”逻辑、“与”逻辑、“或”逻辑、“与非”逻辑和“或非”逻辑；旨在实现信息的存储和处理融合的功能。
本发明与现有技术相比，能够基于相变磁性材料所具有的磁性随晶态-非晶态相变而同步发生非易失性变化的特性，在单个器件中进行“实质蕴涵”逻辑以及“或”、“或非”、“与”和“与非”等布尔逻辑运算，运算结果以材料的剩余磁化存储在器件之中，实现在一个逻辑器件中同时进行信息的存储和处理的有益效果，有望用于构建下一代信息存储和处理融合的新型计算机体系架构，突破传统计算机架构中信息存储和处理分离的“冯诺依曼瓶颈”。
现在将参考示出本发明的示范性实施例的附图，更全面地描述本发明。然而，可以用许多不同的形式实施本发明，并且本发明不应该理解为限制于这里列出的实施例；更确切地说，提供这些实施例以便本发明公开更彻底和全面，并且向本领域的技术人员充分地传达本发明的观念。
在本发明中，作为逻辑器件核心的相变磁性材料能在电流产生的焦耳热作用下产生可逆相变。一个中等强度的脉宽较宽的SET脉冲使相变磁性材料升温超过其晶化温度Tc，从高电阻的非晶态转变成低电阻的晶态；一个较大强度的脉宽较窄的RESET脉冲使相变磁性材料升温超过其熔化温度Tm，从低电阻的晶态转变成高电阻的非晶态。
相变磁性材料在非晶态和晶态之间可逆相变的同时，伴随着材料磁性的变化。非晶态相变磁性材料由于载流子浓度低不足以形成长程的铁磁交换作用，以一种局域的短程铁磁交换作用宏观产生磁矩，而晶态相变磁性材料的铁磁性来源于材料内大量自由载流子调控的长程铁磁交换作用。也就是说在材料相变过程中，结构的长短程序变化和铁磁交换作用的长短程序变化是一致的。因此，可以利用相变磁性材料的结构相变来调控其磁特性。材料非易失性的电阻状态和磁状态都能够用来表征“0”和“1”，用于信息的存储和处理。
图1是本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件的器件结构示意图。参考图1，逻辑器件包括：衬底101，底电极102，绝缘层103，相变磁性薄膜104，顶电极105和磁头106。具体的，衬底101由硅衬底101A及其上方的有源区101B构成，有源区可以通过对硅衬底掺杂形成，例如掺入磷(P)或砷(As)元素可形成N性有源区，掺入硼(B)元素可形成P型有源区，目的是降低有源区101B和底电极102之间的电势垒，增强两层之间的导电性以作为大规模阵列集成时的字线或位线。底电极102沉积在衬底101上方，由一层N型硅102A、一层P型硅102B和一个加热层102C构成，N型硅102A和P型硅102B形成一个PN二极管结构，可以作为大规模阵列集成时，与字线或位线连接选通管，以在外加电压下选通特定的器件进行操作。N型硅102A和P型硅102B的尺寸一致，加热层102C的尺寸小于P型硅102B的尺寸。绝缘层103覆盖了底电极102，以与其他器件绝缘隔离，绝缘层103可以是SiO2、Si3N4、SiON等。相变磁性材料薄膜104沉积在绝缘层103之上，与加热层102C形成电接触。为使加热层102C产生的电致焦耳热更集中，在低能耗下达到良好的电致相变效果，可以减小加热层102C的尺寸，其能达到的最小尺寸由光刻工艺的特征尺寸决定。顶电极105沉积在相变磁性薄膜104之上。加热层102C和顶电极105可以是导电性良好的金属或金属化合物，如Ti、Cu、Al、Ta、TiN、TiW、TaN、TiAlN等。器件顶电极和底电极连接至一个外加电源提供电脉冲输入。器件外部还存在一个磁场输入，其中磁场是一个与相变磁性薄膜的二维平面平行的均匀可变磁场，可以被局限在特定器件单元的尺寸范围内，其强度范围可为0～12000Oe。磁头106用来检测相变磁性材料的磁状态，由一层基底106A、两层磁屏蔽层106B、106D和磁阻传感器106C构成。磁屏蔽层106B、106D和磁阻传感器106C都制作在基底106A上，当磁头检测某个器件的磁状态时，磁屏蔽层106B和106D用来屏蔽周围其他器件单元磁状态对磁头传感器的干扰，磁阻传感器106C能够检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并转换成一个读电流输出。
所述的相变磁性材料薄膜层104由一种相变材料基质掺杂铁磁性元素构成，组分表达式为AxB1-x，其中A为铁磁性元素，B为相变材料，0＜x≤30％。所述的相变材料B可以为二元、三元或四元硫系化合物系列，包括但不局限于：Ge-Te、Sb-Te、Bi-Te、Ge-Sb、Sn-Te、Sb-Se、In-Se、Ge-Sb-Te、In-Sb-Te、As-Sb-Te、Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn、Sb-Se-Bi、Ga-Te-Se、Ge-Te-Ti、Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag、Ag-In-Sb-Te等及其混合合金，常见的化学计量比材料包括但不局限于：Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、Ge1Sb4Te7、GeTe、GeSb、Sb2Te3、Sb70Te30、Ag5In5Sb60Te30、Bi2Te3、Sb2Se3等。
所述的铁磁性元素A包括但不局限于Co、Fe、Ni及其合金，如FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa等。A也包括Mn、Cr以及稀土元素Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm等。
优选的，所述的相变磁性材料为Fe0.02Ge0.98Te、Fe0.08Ge0.92Te、Fe0.14Ge0.86Te、Fe0.25Ge0.75Te。非晶态和晶态的相变磁性材料都展示出良好的磁滞特性，且材料的饱和磁化强度、剩余磁化强度和矫顽场由于结晶度不同而存在较大差异。
图2是本发明实施例制得的一系列晶态相变磁性材料FexGe1-xTe的X射线衍射图谱。材料是在300℃衬底温度下采用脉冲激光沉积制备得到。从图2中可以看出，FexGe1-xTe薄膜在铁浓度x＜0.38时，均是一种高度择优(001)取向的斜方六面体结构，图2中只出现基体材料GeTe衍射峰，说明在此浓度条件下，薄膜材料均是一种单相。随着铁掺入量x增加，当x=0.25时，(202)(042)等斜方六面体GeTe晶面出现，当铁掺入量达到x=0.38时，FeTe二相出现，并且基体GeTe的衍射峰变得非常弱，第二相的存在压抑了GeTe晶粒的生长。由于材料的c轴择优取向，能确定随着铁掺入量的增加，FexGe1-xTe薄膜的晶胞沿c轴出现少量的膨胀，这说明掺入的铁进行了基体材料GeTe晶格里面。
图3是本发明实施例制得的一系列晶态相变磁性材料FexGe1-xTe薄膜在2K低温-10KOe～10KOe面内磁场作用下的磁化曲线(M-H)。从图3中可以看出，Fe的浓度含量从x=0.02，x=0.08增加到x=0.14时，磁滞回线中出现的矫顽场均高于1200Oe，说明FexGe1-xTe薄膜中存在着铁磁交换作用。当Fe浓度为x=0.02时，薄膜整体的磁化强度和剩余磁化强度都达到最大。不同浓度Fe含量时，薄膜磁化强度和剩余磁化强度存在差异，但是其磁特性随材料相变特性的变化规律一致。
图4(a)是本发明实施例制得的基于Fe0.02Ge0.98Te相变磁性材料的逻辑器件的典型电流-电压(I-V)特性相变曲线。器件中各层薄膜在室温下沉积得到。参考图4(a)，器件初始态为高阻非晶态，当施加电压超过其阈值，其状态转变成低阻晶态。高阻非晶态和低阻晶态都是非易失性的电阻态。
图4(b)是本发明实施例制得的基于Fe0.02Ge0.98Te相变磁性材料的逻辑器件的典型脉冲模式相变特性。参考图4(b)，当对器件施加脉冲幅值为0.8V，脉冲宽度为200ns的SET脉冲，器件从高阻态切换到低阻态；当对器件施加脉冲幅值为2V，脉冲宽度为30ns的RESET脉冲，器件从低阻态切换到高阻态。
图5是本发明实施例提供的基于Fe0.02Ge0.98Te相变磁性材料的逻辑器件的相变控磁特性。图中C代表是300℃衬底温度下沉积的晶态相变磁性材料样品，A代表室温下沉积的非晶态样品，Ca代表非晶态样品晶化后的样品。左上插图是三种薄膜状态下样品所对应的电导，右下插图是三种不同薄膜状态的X射线衍射图谱。从图5中可以看出，C-A-Ca三种状态的薄膜都具有磁滞回线，说明这三种结构相中都存在着Fe离子之间的铁磁交换作用。非晶态A的饱和磁化强度只为2.5emu／cc，晶态Ca态样品的饱和磁化强度为13.9emu／cc。制备的晶态C态的饱和磁化强度与晶态Ca非常接近，约为14.9emu／cc。观察到的饱和磁化强度随着C-A-C的变化说明相变磁性材料Fe0.02Ge0.98Te薄膜的磁性随着结构相的改变而发生变化。图中两种晶态C和Ca样品之间饱和磁化强度和矫顽场的变化主要是由晶态样品结晶度的差异引起的，这与图中XRD结果一致。因此，在基于Fe0.02Ge0.98Te相变磁性材料的逻辑器件中，材料的磁性将随着电脉冲导致的相变而发生可逆变化，就如同电导一样，电致相变可以有效调控材料磁性。
表1为本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件实现实质蕴涵逻辑(IMP)的原理真值表。利用非晶态下和晶态下磁特性的差异：非晶态磁滞回线较小，晶态则具有明显的磁滞特性，存在较大的剩余磁感应强度Br。外加电脉冲为输入Input A，SET脉冲为逻辑1，RESET为逻辑0；外加磁场为输入Input B，磁场范围为0～500Oe(如图5中的100Oe，Oe为磁场单位奥斯特)的弱磁场为逻辑1，磁场范围为2500～10000Oe(如图5中的5000Oe)的强磁场为逻辑0。逻辑输出Output为相变磁性材料的剩余磁感应强度Br，可以用磁头106检测剩磁状态并读出。范围为2.5～20emu／cc的较强的Br为逻辑输出0，范围为0～1emu／cc的较微弱的Br为逻辑输出1。
存储的信息擦除，可施加一个反向矫顽磁场-Hc(如图5中的1500Oe)或者施加一个RESET脉冲将相变磁性材料非晶化。根据以上原理可知：当施加SET脉冲将相变磁性材料操作至晶态，且具有较大外磁场使材料达到饱和磁化强度后，器件才会具有剩磁状态Br。也就是说，只有InputA为1，Input B为0时，Output才为0，符合实质蕴涵逻辑真值表。当改变逻辑输入和输出“0”和“1”的编码定义时，器件还能实现更多的布尔逻辑操作。
表1
表2为本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件实现“或”布尔逻辑的原理真值表。外加电脉冲为输入InputA，RESET脉冲为逻辑1，SET为逻辑0；外加磁场为输入Input B，磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑1，磁场范围为2500～10000Oe的强磁场为逻辑0。逻辑输出Output为相变磁性材料的剩余磁感应强度Br，可以用磁头检测剩磁状态并读出。范围为2.5～20emu／cc的较强的Br为逻辑输出0，范围为0～1emu／cc的微弱的Br为逻辑输出1。
表2
表3为本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件实现“或非”布尔逻辑的原理真值表。外加电脉冲为输入InputA，RESET脉冲为逻辑1，SET为逻辑0；外加磁场为输入Input B，磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑1，磁场范围为2500～10000Oe的强磁场为逻辑0。逻辑输出Output为相变磁性材料的剩余磁感应强度Br，可以用磁头检测剩磁状态并读出。范围为2.5～20emu／cc的较强的Br为逻辑输出1，范围为0～1emu／cc的微弱的Br为逻辑输出0。
表3
表4为本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件实现“与”布尔逻辑的原理真值表。外加电脉冲为输入InputA，SET脉冲为逻辑1，RESET为逻辑0；外加磁场为输入Input B，磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑0，磁场范围为2500～10000Oe的强磁场为逻辑1。逻辑输出Output为相变磁性材料的剩余磁感应强度Br，可以用磁头检测剩磁状态并读出。范围为2.5～20emu／cc的较强的Br为逻辑输出1，范围为0～1emu／cc的微弱的Br为逻辑输出0。
表4
表5为本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件实现“与非”布尔逻辑的原理真值表。外加电脉冲为输入InputA，SET脉冲为逻辑1，RESET为逻辑0；外加磁场为输入Input B，磁场范围为0～500Oe的若磁场为逻辑0，磁场范围为2500～10000Oe的强磁场为逻辑1。逻辑输出Output为相变磁性材料的剩余磁感应强度Br，可以用磁头检测剩磁状态并读出。范围为2.5～20emu／cc的较强的Br为逻辑输出0，范围为0～1emu／cc的微弱的Br为逻辑输出1。
表5
本发明的逻辑器件的逻辑运算实现基于器件的稳定可逆的相变控磁特性，其运算结果可以直接非易失性的以材料的磁状态存储在器件中，从而具有计算和存储在单个单元中融合的特点。通过对电脉冲、磁场两种输入和相变磁性材料剩磁状态输出与逻辑0和1之间对应关系进行不同定义，可以实现“实质蕴涵”、“或”、“或非”、“与”和“与非”等五种逻辑基本运算，且几种逻辑都为并行运算，仅需一步操作即可完成，高效简洁。更复杂的布尔逻辑运算如异或XOR、同或等，可以基于本发明提供的五种逻辑基本运算进行扩展实现，从而实现全套完整的布尔逻辑运算。本发明利用单个器件能够实现多种逻辑运算功能，在实际应用中更能够根据所需的逻辑功能灵活地定义逻辑0和1，将极大地促进非易失性逻辑器件的设计和应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，其特征在于，包括磁头(106)以及依次附着于衬底(101)上的底电极(102)、绝缘层(103)，相变磁性薄膜(104)和顶电极(105)；
所述衬底(101)包括硅衬底(101A)以及附着于所述硅衬底(101A)上的有源区(101B)；
所述底电极(102)包括N型硅层(102A)、P型硅层(102B)和加热层(102C)；所述N型硅层(102A)和所述P型硅层(102B)形成PN二极管结构；加热层(102C)的尺寸小于P型硅层(102B)的尺寸；
所述相变磁性材料薄膜(104)沉积在所述绝缘层(103)上并与所述加热层(102C)形成电接触；
所述顶电极(105)和所述底电极(102)均连接至外部的电脉冲信号；所述非易失性逻辑器件外部还存在一个磁场输入；所述磁场为与所述相变磁性薄膜(104)的二维平面平行的均匀可变磁场，所述磁场的强度为0～12000Oe；
所述磁头(106)用于检测相变磁性材料的磁状态，所述磁头(106)包括基底(106A)、依次附着于所述基底上的第一磁屏蔽层(106B)、磁阻传感器(106C)以及第二磁屏蔽层(106D)；
当磁头(106)检测某个器件的磁状态时，第一磁屏蔽层(106B)和第二磁屏蔽层(106D)用于屏蔽周围其他器件单元磁状态对磁头传感器的干扰，磁阻传感器(106C)用于检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并将其转换为读电流输出。
2.如权利要求1所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变磁性材料薄膜(104)由一种相变材料基质掺杂铁磁性元素构成，组分表达式为AxB1-x，其中A为铁磁性元素，B为相变材料，0＜x≤30％。
3.如权利要求2所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变材料B为二元、三元或四元硫系化合物系列，包括Ge-Te、Sb-Te、Bi-Te、Ge-Sb、Sn-Te、Sb-Se、In-Se、Ge-Sb-Te、In-Sb-Te、As-Sb-Te、Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn、Sb-Se-Bi、Ga-Te-Se、Ge-Te-Ti、Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag或Ag-In-Sb-Te及其混合合金。
4.如权利要求2所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述铁磁性元素A为Co、Fe、Ni及其合金或Mn、Cr以及稀土元素Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm；包括FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa。
5.如权利要求2或3所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变磁性材料薄膜(104)为Fe0.02Ge0.98Te、Fe0.08Ge0.92Te、Fe0.14Ge0.86Te或Fe0.25Ge0.75Te。
6.一种非易失性逻辑操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过给非易失性逻辑器件中的顶电极(105)和有源区(101B)施加电脉冲信号，且给所述非易失性逻辑器件施加磁场；以电脉冲信号为一个逻辑输入Input A，以磁场为另一个逻辑输入Input B，以所述非易失性逻辑器件中的相变磁性材料的剩余磁感应强度Br为逻辑输出Output，实现逻辑运算。
7.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑0；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场定义为逻辑1，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场定义为逻辑0；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，从而实现实质蕴涵逻辑运算。
8.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET冲定义为逻辑0，电脉冲信号RESET定义为逻辑1；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场定义为逻辑1，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场定义为逻辑0；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，从而实现“或”布尔逻辑运算。
9.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑0，电脉冲信号RESET定义为逻辑1；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑1，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场为逻辑0；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，从而实现“或非”布尔逻辑运算。
10.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑0；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑0，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场为逻辑1；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，从而实现“与”布尔逻辑运算。
11.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑0；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场为逻辑0，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场为逻辑1；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，从而实现“与非”布尔逻辑运算。
12.一种逻辑运算结果的读取和擦除方法，其特征在于，包括下述步骤：
将逻辑运算结果存储在相变磁性材料的非易失性剩磁状态中；
通过磁头检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并转换成一个读电流输出，实现信息的读取；
通过施加一个反向矫顽磁场-Hc或者施加一个RESET脉冲将相变磁性材料非晶化，实现存储信息的擦除。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410039670.4A CN103794224B (zh) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 |
| PCT/CN2014/076115 WO2015109676A1 (zh) | 2014-01-27 | 2014-04-24 | 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 |
| US14/849,621 US9543955B2 (en) | 2014-01-27 | 2015-09-10 | Non-volatile logic device based on phase-change magnetic materials and logic operation method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410039670.4A CN103794224B (zh) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103794224A true CN103794224A (zh) | 2014-05-14 |
| CN103794224B CN103794224B (zh) | 2017-01-11 |
Family
ID=50669809
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410039670.4A Active CN103794224B (zh) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9543955B2 (zh) |
| CN (1) | CN103794224B (zh) |
| WO (1) | WO2015109676A1 (zh) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105206742A (zh) * | 2015-08-18 | 2015-12-30 | 清华大学 | 一种室温可编程磁逻辑器件 |
| CN105304812A (zh) * | 2015-06-08 | 2016-02-03 | 清华大学 | 相变自旋非易失存储单元 |
| CN105514266A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-04-20 | 江苏理工学院 | 稀土掺杂Sb基相变薄膜材料及薄膜制备方法 |
| CN105514271A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-04-20 | 江苏理工学院 | 用于相变存储器的铒掺杂Sn15Sb85基相变薄膜材料及薄膜制备方法 |
| CN105845173A (zh) * | 2016-03-23 | 2016-08-10 | 华中科技大学 | 一种基于磁场触发的超晶格相变单元的逻辑门电路 |
| CN106448729A (zh) * | 2016-09-19 | 2017-02-22 | 华中科技大学 | 一种基于相变存储器实现双向数字运算的电路及方法 |
| CN106960904A (zh) * | 2016-01-09 | 2017-07-18 | 清华大学 | 全相变自旋非易失存储单元 |
| CN109255264A (zh) * | 2018-09-12 | 2019-01-22 | 苏州三拓冷链技术有限公司 | 一种相变热驱动实现布尔逻辑方法和装置 |
| CN109904311A (zh) * | 2017-12-08 | 2019-06-18 | 江苏理工学院 | 一种用于相变存储器的Sb-Se-Ti系列纳米复合相变薄膜及其制备方法 |
| CN110418973A (zh) * | 2017-06-12 | 2019-11-05 | 西部数据技术公司 | 使用自旋霍尔效应的磁传感器 |
| CN110931633A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-03-27 | 北京航空航天大学 | 磁隧道结存储单元及存储器 |
| CN112397644A (zh) * | 2019-08-15 | 2021-02-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种相变材料、相变存储单元及其制备方法 |
| CN112420922A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-02-26 | 湖北大学 | 一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 |
| CN113138747A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-20 | 清华大学 | 一种可实现半加器运算功能的磁算术逻辑器件 |
| CN113224234A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 杭州电子科技大学 | 一种基于磁相变逻辑信号源的运算器 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10586922B1 (en) * | 2018-08-21 | 2020-03-10 | International Business Machines Corporation | Symmetric tunable PCM resistor for artificial intelligence circuits |
| CN113628653B (zh) * | 2021-07-12 | 2023-11-10 | 华中科技大学 | 基于相变材料的全光布尔逻辑器件及其二元逻辑实现方法 |
| US11915751B2 (en) | 2021-09-13 | 2024-02-27 | International Business Machines Corporation | Nonvolatile phase change material logic device |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007103945A (ja) * | 2005-10-06 | 2007-04-19 | Samsung Electronics Co Ltd | 磁気抵抗効果を利用した相変化メモリ素子とその動作及び製造方法 |
| CN1983615A (zh) * | 2005-11-26 | 2007-06-20 | 尔必达存储器株式会社 | 相变存储器件及其制造方法 |
| CN101630559A (zh) * | 2009-07-03 | 2010-01-20 | 北京工业大学 | 一种用于信息存储的(GeTe)a(Sb2Te3)b基稀磁半导体材料 |
| CN102737649A (zh) * | 2011-03-31 | 2012-10-17 | 日立环球储存科技荷兰有限公司 | 磁阻传感器结构及电流垂直于平面型磁阻读头 |
| CN102779940A (zh) * | 2011-05-11 | 2012-11-14 | 海力士半导体有限公司 | 相变随机存取存储器件及其制造方法 |
Family Cites Families (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3780312A (en) * | 1971-12-30 | 1973-12-18 | Ibm | Threshold logic using magnetic bubble domains |
| US5596555A (en) * | 1993-07-29 | 1997-01-21 | Canon Kabushiki Kaisha | Magnetooptical recording medium having magnetic layers that satisfy predetermined coercive force relationships, and recording/reproduction method for the medium |
| US5515314A (en) * | 1994-05-27 | 1996-05-07 | Fujitsu Limited | Storage device |
| FR2771511B1 (fr) * | 1997-11-25 | 2000-02-04 | Thomson Csf | Capteur de champ magnetique et procede de fabrication de ce capteur |
| EP0973169B1 (en) * | 1998-05-13 | 2005-01-26 | Sony Corporation | Element exploiting magnetic material and addressing method therefor |
| JP3675262B2 (ja) * | 1999-11-24 | 2005-07-27 | セイコーエプソン株式会社 | 時計の検査機能を備えた電子時計及びその検査方法 |
| CN1269011C (zh) * | 2001-04-19 | 2006-08-09 | 旭化成电子材料元件株式会社 | 指向装置 |
| JP4367281B2 (ja) * | 2004-08-03 | 2009-11-18 | ソニー株式会社 | 演算回路 |
| US7379321B2 (en) * | 2005-02-04 | 2008-05-27 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Memory cell and programmable logic having ferromagnetic structures exhibiting the extraordinary hall effect |
| US7598512B2 (en) * | 2005-06-17 | 2009-10-06 | Macronix International Co., Ltd. | Thin film fuse phase change cell with thermal isolation layer and manufacturing method |
| US7642539B2 (en) * | 2005-12-13 | 2010-01-05 | Macronix International Co., Ltd. | Thin film fuse phase change cell with thermal isolation pad and manufacturing method |
| US20080007995A1 (en) * | 2006-07-10 | 2008-01-10 | Schwerin Ulrike Gruening-Von | Memory cell having a switching active material, and corresponding memory device |
| US20080314738A1 (en) * | 2007-06-19 | 2008-12-25 | International Business Machines Corporation | Electrolytic Device Based on a Solution-Processed Electrolyte |
| JP2009130216A (ja) * | 2007-11-26 | 2009-06-11 | Tdk Corp | 磁気デバイス及び周波数検出器 |
| JP4516137B2 (ja) * | 2008-03-27 | 2010-08-04 | 株式会社東芝 | 半導体集積回路 |
| US8295082B2 (en) * | 2008-08-15 | 2012-10-23 | Qualcomm Incorporated | Gate level reconfigurable magnetic logic |
| CN101447551A (zh) * | 2008-09-05 | 2009-06-03 | 北京工业大学 | 一种相变存储器单元的结构及其实现方法 |
| JP5388525B2 (ja) * | 2008-09-25 | 2014-01-15 | 株式会社東芝 | プログラマブル論理回路 |
| CN101572291B (zh) * | 2009-06-12 | 2010-09-15 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种实现多级存储的存储器单元结构及其制作方法 |
| CN102237489A (zh) * | 2010-04-22 | 2011-11-09 | 黄欢 | 一种新型的相变存储器单元结构及制备方法 |
| US8822970B2 (en) * | 2011-02-21 | 2014-09-02 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology (Kaist) | Phase-change memory device and flexible phase-change memory device insulating nano-dot |
| JP5796349B2 (ja) * | 2011-05-23 | 2015-10-21 | ソニー株式会社 | 記憶素子の製造方法 |
| JP5902025B2 (ja) * | 2012-04-23 | 2016-04-13 | 株式会社日立製作所 | マイクロ波アシスト磁気記録によるサーボパターン、垂直磁気記録媒体、磁気記憶装置、及びその製造方法 |
| US9495899B2 (en) * | 2013-09-25 | 2016-11-15 | Qualcomm Incorporated | Contactless data communication using in-plane magnetic fields, and related systems and methods |
-
2014
- 2014-01-27 CN CN201410039670.4A patent/CN103794224B/zh active Active
- 2014-04-24 WO PCT/CN2014/076115 patent/WO2015109676A1/zh active Application Filing
-
2015
- 2015-09-10 US US14/849,621 patent/US9543955B2/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007103945A (ja) * | 2005-10-06 | 2007-04-19 | Samsung Electronics Co Ltd | 磁気抵抗効果を利用した相変化メモリ素子とその動作及び製造方法 |
| CN1983615A (zh) * | 2005-11-26 | 2007-06-20 | 尔必达存储器株式会社 | 相变存储器件及其制造方法 |
| CN101630559A (zh) * | 2009-07-03 | 2010-01-20 | 北京工业大学 | 一种用于信息存储的(GeTe)a(Sb2Te3)b基稀磁半导体材料 |
| CN102737649A (zh) * | 2011-03-31 | 2012-10-17 | 日立环球储存科技荷兰有限公司 | 磁阻传感器结构及电流垂直于平面型磁阻读头 |
| CN102779940A (zh) * | 2011-05-11 | 2012-11-14 | 海力士半导体有限公司 | 相变随机存取存储器件及其制造方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| WEN-DONG SONG: "Synthesis and Characteristics of a Phase-Change Magnetic Material", 《ADVANCED MATERIALS》 * |
| 童非: "锗锑基相变磁性材料的制备及性能研究", 《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊）》 * |
Cited By (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105304812A (zh) * | 2015-06-08 | 2016-02-03 | 清华大学 | 相变自旋非易失存储单元 |
| CN105304812B (zh) * | 2015-06-08 | 2018-01-23 | 清华大学 | 相变自旋非易失存储单元 |
| CN105206742A (zh) * | 2015-08-18 | 2015-12-30 | 清华大学 | 一种室温可编程磁逻辑器件 |
| CN105206742B (zh) * | 2015-08-18 | 2017-08-11 | 清华大学 | 一种室温可编程磁逻辑器件 |
| CN105514266B (zh) * | 2015-12-03 | 2018-04-20 | 江苏理工学院 | 稀土掺杂Sb基相变薄膜材料及薄膜制备方法 |
| CN105514266A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-04-20 | 江苏理工学院 | 稀土掺杂Sb基相变薄膜材料及薄膜制备方法 |
| CN105514271A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-04-20 | 江苏理工学院 | 用于相变存储器的铒掺杂Sn15Sb85基相变薄膜材料及薄膜制备方法 |
| CN105514271B (zh) * | 2015-12-31 | 2018-06-08 | 江苏理工学院 | 用于相变存储器的铒掺杂Sn15Sb85基相变薄膜材料及薄膜制备方法 |
| CN106960904B (zh) * | 2016-01-09 | 2019-05-31 | 清华大学 | 全相变自旋非易失存储单元 |
| CN106960904A (zh) * | 2016-01-09 | 2017-07-18 | 清华大学 | 全相变自旋非易失存储单元 |
| CN105845173B (zh) * | 2016-03-23 | 2018-11-30 | 华中科技大学 | 一种基于磁场触发的超晶格相变单元的逻辑门电路 |
| CN105845173A (zh) * | 2016-03-23 | 2016-08-10 | 华中科技大学 | 一种基于磁场触发的超晶格相变单元的逻辑门电路 |
| WO2017161960A1 (zh) * | 2016-03-23 | 2017-09-28 | 华中科技大学 | 一种基于磁场触发的超晶格相变单元的逻辑门电路 |
| CN106448729A (zh) * | 2016-09-19 | 2017-02-22 | 华中科技大学 | 一种基于相变存储器实现双向数字运算的电路及方法 |
| CN106448729B (zh) * | 2016-09-19 | 2019-09-27 | 华中科技大学 | 一种基于相变存储器实现双向数字运算的电路及方法 |
| CN110418973A (zh) * | 2017-06-12 | 2019-11-05 | 西部数据技术公司 | 使用自旋霍尔效应的磁传感器 |
| CN110418973B (zh) * | 2017-06-12 | 2022-04-29 | 西部数据技术公司 | 使用自旋霍尔效应的磁传感器 |
| CN109904311A (zh) * | 2017-12-08 | 2019-06-18 | 江苏理工学院 | 一种用于相变存储器的Sb-Se-Ti系列纳米复合相变薄膜及其制备方法 |
| CN109255264A (zh) * | 2018-09-12 | 2019-01-22 | 苏州三拓冷链技术有限公司 | 一种相变热驱动实现布尔逻辑方法和装置 |
| CN112397644A (zh) * | 2019-08-15 | 2021-02-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种相变材料、相变存储单元及其制备方法 |
| CN112397644B (zh) * | 2019-08-15 | 2023-07-14 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种相变材料、相变存储单元及其制备方法 |
| CN110931633A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-03-27 | 北京航空航天大学 | 磁隧道结存储单元及存储器 |
| CN112420922A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-02-26 | 湖北大学 | 一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 |
| CN112420922B (zh) * | 2020-11-20 | 2023-12-19 | 湖北大学 | 一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 |
| CN113138747A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-20 | 清华大学 | 一种可实现半加器运算功能的磁算术逻辑器件 |
| CN113224234A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 杭州电子科技大学 | 一种基于磁相变逻辑信号源的运算器 |
| CN113224234B (zh) * | 2021-04-21 | 2022-12-16 | 杭州电子科技大学 | 一种基于磁相变逻辑信号源的运算器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9543955B2 (en) | 2017-01-10 |
| CN103794224B (zh) | 2017-01-11 |
| WO2015109676A1 (zh) | 2015-07-30 |
| US20150381181A1 (en) | 2015-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103794224A (zh) | 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 | |
| Slesazeck et al. | Nanoscale resistive switching memory devices: a review | |
| Le Gallo et al. | An overview of phase-change memory device physics | |
| Fong et al. | Phase-change memory—Towards a storage-class memory | |
| Sarwat | Materials science and engineering of phase change random access memory | |
| TW587347B (en) | Multiple data state memory cell | |
| US9019777B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device and operating method of the same | |
| CN107104123A (zh) | 存储器件 | |
| EP3703113A2 (en) | Magnetoresistance element and non-volatile semiconductor storage device using same magnetoresistance element | |
| EP2375464B1 (en) | Magnetoresistive element and memory device using same | |
| CN105355784B (zh) | 相变自旋非易失存储单元 | |
| CN110544742B (zh) | 一种铁电相变混合存储单元、存储器及操作方法 | |
| CN105428526A (zh) | 一种三维存储器及其制备方法 | |
| Zheng et al. | Nanoscale phase-change materials and devices | |
| US7615771B2 (en) | Memory array having memory cells formed from metallic material | |
| EP2355142B1 (en) | Magnetic memory element and nonvolatile storage device | |
| Song et al. | What lies ahead for resistance-based memory technologies? | |
| Lu et al. | Logic gates realized by nonvolatile GeTe/Sb2Te3 super lattice phase-change memory with a magnetic field input | |
| CN102945683B (zh) | 一种相变存储的快速擦写操作方法 | |
| Spiga et al. | Role of resistive memory devices in brain-inspired computing | |
| Muller et al. | Emerging memory concepts: materials, modeling and design | |
| Shi et al. | Phase change random access memory | |
| Pellizzer et al. | Non-volatile semiconductor memories for nano-scale technology | |
| Pellizzer et al. | Phase-change memories for nano-scale technology and design | |
| Muller et al. | Design challenges for prototypical and emerging memory concepts relying on resistance switching |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |