CN104157297A - 一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件 - Google Patents

Abstract

一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件，它是由磁性斯格明子信号生成器，用于磁性斯格明子信号传输的磁纳米轨道以及用于检测磁性斯格明子的信号读取装置组成；磁性斯格明子信号生成器位于磁纳米轨道发送端，磁性斯格明子信号读取装置位于磁纳米轨道接受端，磁纳米轨道起到连接整个器件的作用；系统工作时由磁性斯格明子信号生成器将需要传输的信号转换为磁性纳米带上的斯格明子，经磁纳米轨道传输后，位于末端的磁性斯格明子信号读取装置读取信号将信息还原为所需的电信号。本发明克服了传统电路中信号传递需要逐级放大的缺点，能够极大的降低芯片内用于信号传递所消耗的能量，实现低功耗设计。

Description

一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件

技术领域

本发明涉及一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件，旨在降低片内信息传输功率，属于新型磁性器件技术领域。

背景技术

随着半导体工艺的快速发展和芯片工作频率的不断提高，芯片功耗的急剧增大已经成为制约芯片性能的重要因素。另一方面，移动平台的兴起也对芯片功耗提出了更高的要求。而近年来研究发现的磁性斯格明子已经被证明可以用于芯片内二进制信息的载体，基于磁性斯格明子的芯片设计将有希望极大的降低芯片功耗。

斯格明子(skyrmions)最初是由核物理学家Tony Skyrme在60年代发现的类粒子(particle-like)拓扑稳定场结构，被用于表述包括带电粒子、液晶、玻尔兹曼-爱因斯坦凝聚态到量子霍尔效应在内的各种不同环境中的类似数学对象。2009年第一次在实验中发现了磁性斯格明子，这是一种具有涡旋结构的手性自旋结构(chiral spin structures with a whirlingconfiguration)属于斯格明子的一种。可以产生于生长在强自旋轨道耦合金属层之上的整块铁磁层或者纳米薄膜上。

磁性斯格明子具有以下几个特性使得将其作为二进制信息存储单元可能取得较于传统CMOS结构极大的优势：

1、磁性斯格明子的尺寸可以做到很小，通过控制产生磁性斯格明子的材料特性和一些外加条件。可以使得产生的磁性斯格明子直径小于10纳米，极端可以小于1纳米。因此可以把产生磁性斯格明子的纳米薄膜宽度减小到小于10纳米，能够有效的提升传输信息的密度。

2、磁性斯格明子具有拓扑结构的稳定性，相较于磁性涡旋结构(magnetic vortices)和磁性类气泡结构(magnetic bubbles)更加稳定，能够在器件存在工艺缺陷的情况下保持稳定。

3、磁性斯格明子具有和磁畴壁类似的电流诱导输运(current-induced motion)性质。在磁性纳米薄膜轨道中通入电流，磁性斯格明子会受到自旋矩作用，发生移动。由此可以使用电流驱动的磁性斯格明子输运进行二进制的信息传递。并且与磁畴壁相比，操作磁性斯格明子所需的启动电流密度远远小于磁畴壁的启动电流密度，仅为后者的百万分之一，其相对于磁畴壁具有更加优良的低功耗性能。

4、磁性斯格明子可以通过在具有强自旋轨道耦合的金属上生长的铁磁层中注入自旋极化电流来产生，可以在铁磁层中切口尖端处被消除。从而可以实现信息传递过程中信息载体的产生与消除。

在传统的芯片中，有很大一部分功耗都是用于信息传递。传统芯片设计中为了实现前级信号驱动后级，需要不断的对信号进行放大，占了整个芯片功耗的很大一部分。如果使用磁性斯格明子作为信号的载体，由于其在输运过程中不需要进行逐级放大，将有可能极大的降低芯片内部用于信号传递而产生的功耗。

发明内容

1.发明目的：

针对上述背景中提到的对芯片低功耗的需求和磁性斯格明子具有的优良性质，本发明提供了一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件。它克服了传统电路中信号传递需要逐级放大的缺点，能够极大的降低芯片内用于信号传递所消耗的能量，实现低功耗设计。

2.技术方案：

本发明的技术方案是一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件，如图1所示，其特征是该信息传输器件由磁性斯格明子信号生成器，用于磁性斯格明子信号传输的磁纳米轨道以及用于检测磁性斯格明子的信号读取装置组成。它们之间的位置连接关系是：磁性斯格明子信号生成器位于磁纳米轨道发送端，即图示左端；磁性斯格明子信号读取装置位于磁纳米轨道接受端，即图示右端；磁纳米轨道起到连接整个器件的作用。系统工作时由磁性斯格明子信号生成器将需要传输的信号转换为磁性纳米带上的斯格明子，经磁纳米轨道传输后，位于末端的磁性斯格明子信号信号读取装置读取信号将信息还原为所需的电信号。

所述器件中磁性斯格明子信号生成器，其结构如图2所示，从上到下分别为数据线，强自旋极化层，铁磁层，强自旋轨道耦合层，彼此之间相互接触连接；该数据线是金属导电材料，为长条形金属薄膜结构，用于将需要发送的电信号传输至磁性斯格明子信号生成器；该强自旋极化层是指具有强自旋极化能带结构的材料，如Pd，用于将普通电流转化为具有自旋极化的自旋极化电流，形状可以呈圆柱形或方形；该铁磁层和强自旋轨道耦合层为磁纳米轨道部分；铁磁层用于形成磁性斯格明子，并能够使生成的磁性斯格明子在自旋极化电流作用下沿垂直方向运动；该强自旋轨道耦合层用于产生生成磁性斯格明子所需的DMI效应。

所述器件中磁性斯格明子信号读取装置结构如图3所示，从上到下分别为数据线，参考层，金属氧化物层，铁磁层，强自旋轨道耦合层，电流脉冲线，彼此之间相互接触连接；该数据线是金属导电材料，用于传输读取后的电信号，为长条形金属薄膜结构；该参考层是自旋极化方向固定的CoFeB，呈圆柱形或方形的薄膜结构，电流在通过铁磁层与参考层之后会因为铁磁层磁化结构的不同产生不同的电压高低，从而读取铁磁层磁化结构中包含的信息；该金属氧化物层是MgO，Al₂O₃等金属氧化物，用于产生隧穿效应，形状与参考层保持一致；该铁磁层和强自旋轨道耦合层为纳米轨道部分；铁磁层用于接收从磁纳米轨道传到的磁化结构信息，强自旋轨道耦合层则用于产生生成与保持磁性斯格明子所需的DMI效应；该电流脉冲线是金属导电材料，用于传输读取信息的电脉冲，其形状结构与数据线相同。

所述器件中磁纳米轨道结构从上到下为铁磁层和强自旋轨道耦合层，两层之间相互接触连接；该铁磁层指由具有垂直各向异性的铁磁性材料，一般为Fe构成的纳米薄膜，其功能是产生和传递磁性斯格明子；该强自旋轨道耦合层指具有较大自旋轨道耦合矩的材料，如Ir，Pt等重金属材料，其功能是产生生成与保持磁性斯格明子所需的DMI效应。磁纳米轨道其末端结构如图4所示，在铁磁纳米带末端刻蚀一个三角状刻痕，用于消除已经读取过数据后的磁性斯格明子；

所述器件的特点是先将需要传输的二进制电信号通过自旋极化注入转化为磁纳米轨道上的磁性斯格明子序列，该电信号以高电平代表逻辑“1”，低电平代表逻辑“0”，当信号为高电平时电流通过强自旋极化层后转化为自旋极化电流对磁纳米轨道前端进行局部自旋极化注入，从而在磁纳米轨道前端产生一个磁性斯格明子，表示逻辑“1”，处于低电平时没有自旋极化电流的注入，磁纳米轨道保持保持铁磁磁化状态。新生成的磁性斯格明子受到磁纳米轨道上脉冲驱动电流的作用，在磁纳米轨道中发生输运，从磁性斯格明子信号生成器端输运至读取端。读取端通入与输入端需发送电信号同步的读取电流脉冲，在读取端存在磁性斯格明子时表现为低阻态，高电平，也即是逻辑“1”；在读取端没有磁性斯格明子时表现为高阻态，低电平，即逻辑“0”，由此在磁纳米轨道末端，读取装置将存储于磁性斯格明子序列中的信息还原为所需的电信号，从而完成了从发送端到接收端的信息传递过程。

其中，读取电流脉冲与驱动电流脉冲具有相同的脉冲宽度，但是相位相差九十度。保证当读取电流脉冲为高电平时驱动电流脉冲为低电平，这时由于沿磁纳米轨道径向的驱动电流为零，磁性斯格明子停止移动。通过调节驱动电流大小和磁纳米轨道长度的关系可以使得携带对应信息的磁性斯格明子态或铁磁态在读取脉冲到达时恰好位于磁性斯格明子信号读取装置中。此时电流将沿垂直方向流过磁性斯格明子信号读取装置，从而根据磁性斯格明子信号读取装置中磁化状态为磁性斯格明子或是铁磁态，对应的产生高电平或低电平，还原发送信号。

其中，发送端的强自旋极化层为圆形，方形或椭圆形，宽度或直径小于磁纳米轨道的宽度。

3.优点和功效：

本发明提供一种基于磁性斯格明子的低功耗芯片内部信号传输器件。该器件可以实现芯片内部从纳米尺度到微米尺度的信号传输功能。由于该器件基于磁性斯格明子传输信号，传输电流密度小，过程中无需放大，与传统的使用多级缓冲器进行信号传输相比，具有低功耗，信息不易失真的特点。

附图说明

图1为整个器件的结构示意图；

图2为磁性斯格明子信号发送端的结构示意图；

图3为磁性斯格明子信号接收端的结构示意图；

图4为磁纳米轨道的末端俯视图；

图5为该器件的工作原理示意图；

图6为该器件写入数据信号、读取电流脉冲信号、读取装置输出数据信号以及驱动电流脉冲信号时序图；

图1、图2、图3、图5中箭头均表示电流方向；

图2、图3中虚线包括区域表示该部分为磁纳米轨道一部分；

图4，图5中末端的三角表示使用光刻等方法在磁纳米轨道末端的铁磁层刻蚀的一个尖锐刻痕；

图6中“1”代表高电平，“0”代表低电平，“z”代表高阻态。

具体实施方式

本发明提供一种基于磁性斯格明子的低功耗芯片内信号传输器件。参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度，面积与体积等参数并非实际尺寸。

在此公开了详细的示例性实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是描述特定实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。另外，将不会详细描述或将省略本发明的众所周知的元件，器件与子电路，以免混淆本发明的实施例的相关细节。

图1为本发明提出的基于磁性斯格明子的芯片内部信号传输器件示意图；

该器件基本结构从左到右分别为磁性斯格明子信号发送端，磁纳米轨道以及磁性斯格明子信号接收端。磁纳米轨道由两层构成，下方是具有强自旋轨道耦合的重金属层，一般为Pt，Ir等金属；在这层重金属层之上生长一层小于10nm且具有垂直各向异性的的铁磁材料薄层，一般为铁薄层或铁单原子层。由于强自旋轨道耦合金属与垂直各向异性的铁磁薄层之间的Dzyaloshinskii–Moriya interactions(DMI)，导致经局部自旋极化电流注入后在铁磁层对应位置能够产生一个稳定的磁性斯格明子。磁纳米轨道的两端分别连接的是两条金属导线，负责传导用于驱动磁性斯格明子从左至右输运的驱动电流。该驱动电流应为周期恒定的脉冲电流，电流大小和持续时间应根据磁纳米轨道上生成磁性斯格明子信号和读取磁性斯格明子信号的两端间距以及所希望达到的传输速率来决定，具体将在图5的原理描述中详细介绍。

位于磁性斯格明子信号发送端的是磁性斯格明子信号生成器，它的主要工作原理是通过自旋极化电流注入，将需要传输的电信号转化为磁纳米轨道上的磁性斯格明子，详见图2的实施方式。位于另一端的是磁性斯格明子信号接收装置，它的主要作用是将从发送端发来的磁性斯格明子信号转化为电信号，从而实现信号的还原，详见图3的实施方式。而在这一段的末端铁磁层上刻蚀有一个尖锐的刻痕，负责消除已经读取过后的磁性斯格明子，详见图4的实施方式。

图2为本发明中磁性斯格明子信号生成器的结构示意图；

该器件主要实现对磁纳米轨道的铁磁层发送端进行局部自旋极化注入。数据线由金属导体制成，强自旋极化层一般为Pd等具有强自旋极化能带结构的金属。需要发送的电信号经由数据线传输，穿过强自旋极化层后，非极化电流被转化为自旋极化电流。当电信号为高电平时，电信号对磁纳米轨道铁磁层进行局部自旋极化注入，在自旋极化注入的位置产生一个磁性斯格明子；若电信号为低电平，则没有自旋极化电流注入铁磁层，铁磁层保持铁磁态。保持驱动电流信号电流脉冲为低时进行数据写入，驱动电流为高时，无数据写入。这样每产生一个数据写入，无论是磁性斯格明子还是铁磁态，都会在下一时刻被磁纳米轨道上的驱动电流驱动输运出磁性斯格明子信号生成器，从而在磁纳米轨道上产生一个由写入数据产生的磁性斯格明子序列。该序列即是将原有电信号转化为的磁性斯格明子信号。

图3为本发明中磁性斯格明子信号读取装置示意图；

该装置中电流脉冲线与数据线采用金属导体制成，用于传导电信号。参考层由具有固定自旋极化结构的材料构成，并且保证其自旋极化状态保持不变。参考层的自旋极化状态可以是沿某一固定方向，垂直上或者下，也可以是与产生磁性斯格明子极化方向相同的类螺旋结构。当电流自读取电流脉冲线穿过磁纳米轨道后，由于此时磁纳米轨道接收端仅有读取装置的数据线导通，其余通路为高阻态，绝大部分电流将沿图3所示电流方向移动。

当电流穿过磁纳米轨道时，其自旋极化分布的改变也主要取决于此时位于金属氧化层下方的磁纳米轨道局部的自旋分布。若此时恰有一磁性斯格明子位于该位置，则读取脉冲电流自旋状态将变化为与磁性斯格明子相关的自旋极化分布状态。该极化电流通过量子隧穿效应穿过金属氧化物层，与参考层的自旋极化状态相互作用。若该极化电流与参考层自旋状态相近，由于自旋相关的电子散射理论，此时电子将遇到较小的阻碍，即整个读取装置等效电阻较小，数据线输出高电平。反之，如果当读取电流脉冲到达磁纳米轨道时，处于金属氧化层下方没有磁性斯格明子，则隧穿后极化电流自旋状态将与参考层差别较大，从而将产生较大的阻碍，整个读取装置此时呈现高阻态，数据线输出高电平。另外当没有读取电流脉冲到达时，通过控制电流脉冲线和数据线的CMOS电流使两条线均处于高阻态，可以避免此时在磁纳米轨道中的驱动电流穿过金属氧化物层和参考层，具体电流时序将在图6实现方式中详细阐述。

图4为磁纳米轨道位于读取装置之后的末端示意图。该部分的主要作用是消除已经读取过的磁性斯格明子，避免对还未读取的磁性斯格明子序列产生干扰。图示中位于末端的三角结构为使用光刻等方法在磁纳米轨道铁磁层末端刻蚀的一尖锐刻痕。由于磁性斯格明子具有拓扑场稳定结构，当其在电流作用下输运至该尖锐刻痕处时，其拓扑场将受到破环，从而达到消除磁性斯格明子的目的。

图5为本发明的工作原理示意图；

需要发送的数据以逻辑“0”、“1”表示，以电信号形式输入发送端。图中需要发送的电信号以高电平代表逻辑“1”，低电平代表逻辑“0”。每一个有效数据间间隔一个高阻态，以确保每一个数据写入之前，前一个数据写入的信息已经在磁纳米轨道上被输运出磁性斯格明子信号生成器。器件在工作时，每当一个有效的数据被写入到磁纳米轨道上，下一时刻，写入通路即变为高阻态，磁纳米轨道上的驱动电流脉冲置为高电平，已经写入的磁性斯格明子或铁磁态在驱动电流的作用下在磁纳米轨道上从发送端往接收端运动。由于磁性斯格明子在磁纳米轨道的输运速度与驱动电流密度成正比，假设需要传输的距离为L，则通过控制驱动电流密度可以使得磁性斯格明子在磁纳米轨道中每个时钟周期的输运距离为L/n，其中n为大于1的整数。这样在发送端发出的磁性斯格明子可以在n个时钟周期后恰好到达读取装置。驱动电流密度最小应为10⁶Am^-2，根据系统对读取延迟以及磁纳米轨道上相邻磁性斯格明子间距离要求得出相应的电流密度。相邻磁性斯格明子间距离应保证相邻磁性斯格明子之间相互作用力可忽略，该距离根据不同的磁纳米轨道结构可以通过理论推导得出，一般为50纳米左右。

磁性斯格明子到达读取装置以后，读取装置给予一个读取电流脉冲，根据此时读取装置内是否有磁性斯格明子可以输出高电平或低电平。读取装置输出即为所读取的数据，正常工作时，该数据应与发送端数据一致。为了实现读取时局部电流均垂直通过读取装置，读取电流脉冲为高电平时，驱动电脉冲端及其对应漏极应为高阻态，只有读取数据输出端有电流存在。被读取过的磁性斯格明子在磁纳米轨道末端拓扑稳定场受到尖锐刻痕的破坏，被从磁纳米轨道上消除。

图6为本发明中所涉及的几种电流时序图；

应保证写入通路和读取通路的同时开断，即同时取得高阻态。当两者同时取得高阻态时磁纳米轨道上的驱动电流置为高电平，磁纳米轨道上磁性斯格明子序列开始向读取端方向输运。当写入通路开始写数据，读取通路开始读数据时，磁纳米轨道上驱动端保持高阻态，保证此时磁性斯格明子序列停留在原处。由于发送端和接收端相隔几百纳米到几微米，此时写入电路与读取电路相互影响可忽略。图中所示情况即为发送一列“101110111”数据，发送端写入数据将每一个有效数据之间加入一个高阻态，保证每一次写入时，上一次写入的数据已经被发送到磁纳米轨道上。读取装置在延迟3个时钟周期后收到了所需的发送端数据。其中延迟的时钟周期数可以通过器件设计时的磁纳米轨道长度和驱动电流密度事先给定。除去延迟的时钟周期后即可得到所需要传输的数据。

Claims (3)

1.一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件，其特征在于：它是由磁性斯格明子信号生成器，用于磁性斯格明子信号传输的磁纳米轨道以及用于检测磁性斯格明子的信号读取装置组成；磁性斯格明子信号生成器位于磁纳米轨道发送端，磁性斯格明子信号读取装置位于磁纳米轨道接受端，磁纳米轨道起到连接整个器件的作用；系统工作时由磁性斯格明子信号生成器将需要传输的信号转换为磁性纳米带上的斯格明子，经磁纳米轨道传输后，位于末端的磁性斯格明子信号读取装置读取信号将信息还原为所需的电信号；

所述磁性斯格明子信号生成器，其结构从上到下分别为数据线、强自旋极化层、铁磁层和强自旋轨道耦合层，彼此之间相互接触连接；该数据线是金属导电材料，为长条形金属薄膜结构，用于将需要发送的电信号传输至磁性斯格明子信号生成器；该强自旋极化层是指具有强自旋极化能带结构的材料，用于将普通电流转化为具有自旋极化的自旋极化电流，形状呈圆柱形或方形；该铁磁层和强自旋轨道耦合层为磁纳米轨道部分；铁磁层用于形成磁性斯格明子，并能够使生成的磁性斯格明子在自旋极化电流作用下沿垂直方向运动；该强自旋轨道耦合层用于产生生成磁性斯格明子所需的DMI效应；

所述磁性斯格明子信号读取装置结构从上到下分别为数据线、参考层、金属氧化物层、铁磁层、强自旋轨道耦合层和电流脉冲线，彼此之间相互接触连接；该数据线是金属导电材料，用于传输读取后的电信号，为长条形金属薄膜结构；该参考层是自旋极化方向固定的CoFeB，呈圆柱形或方形的薄膜结构，电流在通过铁磁层与参考层之后会因为铁磁层磁化结构的不同产生不同的电压高低，从而读取铁磁层磁化结构中包含的信息；该金属氧化物层是MgO，Al₂O₃金属氧化物，用于产生隧穿效应，形状与参考层保持一致；该铁磁层和强自旋轨道耦合层为纳米轨道部分；铁磁层用于接收从磁纳米轨道传到的磁化结构信息，强自旋轨道耦合层则用于产生生成与保持磁性斯格明子所需的DMI效应；该电流脉冲线是金属导电材料，用于传输读取信息的电脉冲，其形状结构与数据线相同；

所述磁纳米轨道结构从上到下为铁磁层和强自旋轨道耦合层，两层之间相互接触连接；该铁磁层指由具有垂直各向异性的铁磁性材料，为Fe构成的纳米薄膜，其功能是产生和传递磁性斯格明子；该强自旋轨道耦合层指具有较大自旋轨道耦合矩的材料，为Ir，Pt重金属材料，其功能是产生生成与保持磁性斯格明子所需的DMI效应；磁纳米轨道其末端刻蚀一个三角状刻痕，用于消除已经读取过数据后的磁性斯格明子。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件，其特征在于：该读取电流脉冲与驱动电流脉冲具有相同的脉冲宽度，但是相位相差九十度；保证当读取电流脉冲为高电平时驱动电流脉冲为低电平，这时由于沿磁纳米轨道径向的驱动电流为零，磁性斯格明子停止移动，通过调节驱动电流大小和磁纳米轨道长度的关系使得携带对应信息的磁性斯格明子态或铁磁态在读取脉冲到达时恰好位于磁性斯格明子信号读取装置中，此时电流将沿垂直方向流过磁性斯格明子信号读取装置，从而根据磁性斯格明子信号读取装置中磁化状态为磁性斯格明子或是铁磁态，对应的产生高电平或低电平，还原发送信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的片上信息传输器件，其特征在于：该发送端的强自旋极化层为圆形，方形或椭圆形，宽度或直径小于磁纳米轨道的宽度。