CN104778966A - 一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路，该逻辑门电路由输入端、输出端，上拉电阻网络，下拉互补电阻网络，供电电压源以及地端组成；供电电压源接上拉电阻网络，上拉电阻网络与下拉互补电阻网络相连，下拉互补电阻网络与地端相连；同时输入端与输出端分别与上拉电阻网络以及下拉互补电阻网络相连；执行逻辑运算操作时，首先通过输入端对上拉电阻网络以及下拉互补电阻网络进行数据写入；然后通过评估输出端的电压来判决逻辑运算结果，并进行数据输出。本发明解决了非易失性逻辑门电路统一标准的电路实现结构问题，同时能够提供很好的性能。同时，它可以扩展到其它类似的电阻式非易失性元器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路，属于微电子器件领域。
背景技术
在经典的冯诺依曼计算机体系架构中，信息存储与处理是分离的。存储数据信息的存储器和实施逻辑计算的处理器通过数据线进行信息交互。然而，随着大数据时代的到来，海量数据信息的实时传输严重制约了计算机性能的进一步提高。此外，随着工艺节点的微缩，漏电流不断增大，基于传统互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的电子电路面临功耗与可靠性的双重挑战。因此，需要一种新型的非易失元器件来颠覆经典的冯诺依曼计算机体系架构，使其既能够进行信息处理，如布尔逻辑运算；同时又能够实现数据信息的非易失性存储功能。
近年来，新型电阻式非易失性元器件，如忆阻器，相变存储器与磁隧道结等，受到学术界与产业界的广泛关注。这些元器件的共同特征是，其电阻特性可以在高阻态(High Resistance，RH)和低阻态(Low Resistance，RL)之间切换，从而实现对二进制数据的存储或处理，比如RH表征数据“1”，RL表征数据“0”，或反之亦可。换言之，这些元器件可以被看作是一个可变电阻。如附图1所示为自旋霍尔效应(Spin Hall Effect，SHE)磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的原理示意图。通过在重金属层施加不同方向的写入电流，由于自旋霍尔效应的存在，从而可以改变磁隧道结自由层的磁场极化方向，进而改变整个磁隧道结的电阻状态。这些电阻式非易失性元器件既可被用于非易失性存储器应用，亦可用于非易失性逻辑门电路。到目前为止，基于这些电阻式非易失性元器件的非易失性存储器已经得到快速发展，并逐步开始进行商业生产，如磁性随机存储器，相变随机存储器与电阻式随机存储器等；但是这些电阻式非易失性元器件在逻辑门电路中的应用却发展较缓慢，其中最主要的两个问题与挑战是：(1)缺乏类似于传统CMOS技术一样的统一标准的逻辑门电路实现结构；(2)难以达到预期的性能需求，如功耗、面积、速度以及可靠性等。因此，为了设计下一代新型计算机体系架构，需要设计一种统一标准的非易失性逻辑门电路，同时满足这些性能需求。
发明内容
一、发明目的：
针对上述背景中提到的问题，本发明提供一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路。它克服了现有技术的不足，解决了非易失性逻辑门电路统一标准的电路实现结构问题，同时能够提供很好的性能。同时，它可以扩展到其它类似的电阻式非易失性元器件。
二、技术方案：
本发明的技术方案是，一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路，如附图4所示，其特征是该逻辑门电路由输入端(Input)，输出端(Output)，上拉电阻网络(Pull-up resistivenetwork)，下拉互补电阻网络(Pull-down complementary resistive network)，供电电压源(Vdd)以及地端(Gnd)组成。他们之间的位置连接关系及信号走向是：供电电压源接上拉电阻网络，上拉电阻网络与下拉互补电阻网络相连，下拉互补电阻网络与地端相连；同时输入端与输出端分别与上拉电阻网络以及下拉互补电阻网络相连。执行逻辑运算操作时，首先通过输入端对上拉电阻网络以及下拉互补电阻网络进行数据写入；然后通过评估输出端的电压来判决逻辑运算结果，并进行数据输出。
所述的输入端的输入数据信号为电流方向；
所述的输出端的输出数据信号为电压幅度；
所述的上拉电阻网络由自旋霍尔效应磁隧道结组成；
所述的下拉互补电阻网络由互补自旋霍尔效应磁隧道结组成；
该自旋霍尔效应磁隧道结从上到下由铁磁层一，氧化物隔离层，铁磁层二以及重金属层，共四层构成；该铁磁层一与铁磁层二，是指混合金属材料钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)或镍铁(NiFe)中的一种。其中铁磁层一的磁场极化方向为固定的，称为固定层，而铁磁层二的磁场极化方向为自由的，称为自由层；该铁磁层一与铁磁层二可以为磁各向异性易轴垂直膜面材料，称为垂直磁场各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)，也可以为磁各向异性易轴平行膜面材料，称为面内磁场各向异性(In-plane Magnetic Anisotropy)。本发明对自旋霍尔效应磁隧道结属于面内磁场各向异性还是垂直磁场各向异性没有严格规定；该氧化物隔离层，是指氧化镁(MgO)，氧化铝(Al2O3)或其他等价氧化物中的一种；该重金属层，指钽(Tantalum)、钨(Tungsten)、铪(Hafnium)或铂(Pt)中的一种；该自旋霍尔效应磁隧道结与互补自旋霍尔效应磁隧道结，是指在相同写入电流的作用下，具有互补的电阻状态；
其中，上拉电阻网络中的自旋霍尔效应磁隧道结的电阻状态与下拉互补电阻网络中的互补自旋霍尔效应磁隧道结的电阻状态始终处于互补状态；
所述的非易失性逻辑门电路的特点是：(1)自旋霍尔效应磁隧道结为非易失性器件，其数据信息掉电不丢失，因此当电路处于空闲状态时，可以切断电源，从而大大减小静态功耗；(2)逻辑数据输入与输出采用独立分开的支路，因此可以对逻辑门电路进行直接级联，从而非常适用于大规模高密度芯片实现；(3)所有的布尔逻辑门电路，如非门，与非门以及或非门等，均可以采用这种统一标准的电路结构进行实现；(4)逻辑运算与数据存储可以在同一个芯片内实现，减小了数据传输的距离与功耗，有望突破传统冯诺依曼计算机体系架构，构建下一代数据存储和处理相融合的新型计算机体系架构；(5)自旋霍尔效应磁隧道结可以扩展到其他电阻式非易失性元器件。
三、优点及功效:
本发明基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路，提供一种统一标准的非易失性逻辑门电路结构，用于下一代数据存储和处理相融合的新型计算机体系架构。
附图说明
图1a为本发明实施例提供的面内磁场各向异性SHE-MTJ示意图。
图1b为本发明实施例提供的垂直磁场各向异性SHE-MTJ示意图。
图2a为本发明实施例提供的面内磁场各向异性SHE-MTJ及其互补SHE-MTJ示意图。
图2b为本发明实施例提供的面内磁场各向异性SHE-MTJ及其互补SHE-MTJ简化示意图。
图3a为本发明实施例提供的垂直磁场各向异性SHE-MTJ及其互补SHE-MTJ示意图。
图3b为本发明实施例提供的垂直磁场各向异性SHE-MTJ及其互补SHE-MTJ简化示意图。
图4为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路示意框图。
图5a为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性非门电路结构示意图。
图5b为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性非门电路理想波形图。
图6a为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性或非门电路示意图。
图6b为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性或非门电路波形图。
图7a为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性与非门电路示意图。
图7b为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性与非门电路波形图。
文中的参数定义为：
CMOS：互补金属氧化物半导体；
RH：表示磁隧道结处于高阻态时的电阻值；
RL：表示磁隧道结处于低阻态时的电阻值；
SHE：自旋霍尔效应；
MTJ：磁隧道结；
PMA：垂直磁场各向异性；
Vdd：供电电压源；
Gnd：地端；
T1：SHE-MTJ顶端电极；
T2：SHE-MEJ左端电极；
T3：SHE-MTJ右端电极。
具体实施方式
本发明提供一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路。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1a与图1b为本发明实施例提供的面内磁场各向异性SHE-MTJ以及垂直磁场各向异性SHE-MTJ示意图。
自旋霍尔效应磁隧道结(SHE-MTJ)从上到下由铁磁层一，氧化物隔离层，铁磁层二以及重金属层，共四层构成；铁磁层一与铁磁层二，是指混合金属材料钴(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)或镍铁(NiFe)中的一种。其中铁磁层一的磁场极化方向为固定的，称为固定层，而铁磁层二的磁场极化方向为自由的，称为自由层。铁磁层一与铁磁层二可以为磁各向异性易轴平行膜面材料，称为面内磁场各向异性SHE-MTJ，也可以为磁各向异性易轴垂直膜面材料，称为垂直磁场各向异性SHE-MTJ。本发明对SHE-MTJ属于面内磁场各向异性还是垂直磁场各向异性没有严格规定；重金属层是指钽(Tantalum)、钨(Tungsten)、铪(Hafnium)或铂(Pt)中的一种。通过设置重金属层中写入电流的方向，从而可以改变SHE-MTJ自由层的磁场极化方向。更具体地，当写入电流方向为从左向右(即从T2流向T3)时，可以使得自由层磁场极化方向平行于固定层磁场极化方向，从而使得SHE-MTJ表现为低电阻RL；反之，当写入电流方向为从右向左(即从T3流向T2)时，可以使得自由层磁场极化方向反平行于固定层磁场极化方向，从而使得SHE-MTJ表现为高电阻RH。
图2a与图3a为本发明实施例提供的SHE-MTJ及互补SHE-MTJ结构示意图。
如图所示，SHE-MTJ与互补SHE-MTJ的区别是它们的固定层的磁场极化方向相反。通过设置相同方向的写入电流，SHE-MTJ与互补SHE-MTJ的电阻状态始终处于互补状态。更具体地，当写入电流方向为从左向右(即从T2流向T3)时，SHE-MTJ自由层磁场极化方向平行于固定层磁场极化方向，从而处入低电阻RL，但是互补SHE-MTJ自由层磁场极化方向反平行于固定层磁场极化方向，从而处于高电阻RH；而当写入电流方向为从右向左(即从T3流向T2)时，SHE-MTJ自由层磁场极化方向反平行于固定层磁场极化方向，从而处入高电阻RH，但是互补SHE-MTJ自由层磁场极化方向平行于固定层磁场极化方向，从而处于低电阻RL。如图2b与图3b所示为本发明实施例提供的SHE-MTJ及互补SHE-MTJ的简化示意图。
图4为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路示意框图。该非易失性逻辑门电路由输入端(Input)，输出端(Output)，上拉电阻网络(Pull-up resistivenetwork)，下拉互补电阻网络(Pull-down complementary resistive network)，供电电压(Vdd)以及地端(Gnd)组成。他们之间的位置连接关系及信号走向是：供电电压接上拉电阻网络，上拉电阻网络与下拉互补电阻网络相连，下拉互补电阻网络与地端相连；同时输入端与输出端同时与上拉电阻网络以及下拉互补电阻网络相连。执行逻辑运算操作时，首先通过输入端对上拉电阻网络以及下拉互补电阻网络进行数据写入；然后通过评估输出端的电压来判决逻辑运算结果，并进行数据输出。其中，输入端输入信号为SHE-MTJ与互补SHE-MTJ的写入电流方向，输出端输出信号为电压幅度。通过设置输入电流方向，上拉电阻网络中的SHE-MTJ电阻状态与下拉互补电阻网络中的互补SHE-MTJ的电阻状态始终处于互补状态。该非易失性逻辑门电路结构可以扩展到其他电阻式非易失性元器件。
图5a与图5b为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性非门电路结构示意图及其波形图。
首先，执行逻辑输入操作，通过控制写入电流的方向，对SHE-MTJ及互补SHE-MTJ进行数据写入。不妨假设写入电流从左向右表示逻辑输入数据“0”，则写入电流从右向左表示逻辑输入数据“1”。然后执行逻辑输出判决操作，通过评估输出端的电压幅度来判决逻辑输出，假设当输出端电压值高于某一个阈值(例如0.5Vdd)时，判决为“1”，反之，当输出端电压值低于某一个阈值时，判决为“0”。因此，当输入数据为“0”时，SHE-MTJ为低电阻RL，而互补SHE-MTJ为高电阻RH，因此输出端电压相对阈值电压而言为高电压，判决为数据“1”；反之，当输入数据为“1”时，SHE-MTJ为高电阻RH，而互补SHE-MTJ为低电阻RL，因此输出端电压相对阈值电压而言为低电压，判决为数据“0”。该实例同时适用于面内磁场各向异性SHE-MTJ与垂直磁场各向异性SHE-MTJ。
图6a与图6b为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性或非门电路结构示意图及其波形图。
当输入数据A与B同时为“0”时，两个SHE-MTJ同时为低电阻RL，而两个互补SHE-MTJ同时为高电阻RH，因此当高低电阻之间的比值大于某一个门限(为了保证正确的逻辑操作，该门限设为2)时，输出端电压相对阈值电压而言为高电压，判决为数据“1”；当输入数据A为“0”，B为“1”时，与A(B)相关的SHE-MTJ为低电阻RL(高电阻RH)，因此输出端电压相对阈值电压而言为低电压，判决为数据“0”；当输入数据A为“1”，B为“0”时，与A(B)相关的SHE-MTJ为高电阻RH(低电阻RL)，因此输出端电压相对阈值电压而言为低电压，判决为数据“0”；当输入数据为A与B同时为“1”时，两个SHE-MTJ同时为高电阻RH，而两个互补SHE-MTJ同时为低电阻RL，因此输出端电压相对阈值电压而言为低电压，判决为数据“0”。该实例同时适用于面内磁场各向异性SHE-MTJ与垂直磁场各向异性SHE-MTJ。
图7a与图7b为本发明实施例提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性与非门电路结构示意图及其波形图。
当输入数据A与B同时为“0”时，两个SHE-MTJ同时为低电阻RL，而两个互补SHE-MTJ同时为高电阻RH，因此输出端电压相对阈值电压而言为高电压，判决为数据“1”；当输入数据A为“0”，B为“1”时，与A(B)相关的SHE-MTJ为低电阻RL(高电阻RH)，因此输出端电压相对阈值电压而言为高电压，判决为数据“1”；当输入数据A为“1”，B为“0”时，与A(B)相关的SHE-MTJ为高电阻RH(低电阻RL)，因此输出端电压相对阈值电压而言为高电压，判决为数据“1”；当输入数据为A与B同时为“1”时，两个SHE-MTJ同时为高电阻RH，而两个互补SHE-MTJ同时为低电阻RL，因此当高低电阻之间的比值大于某一个门限(为了保证正确的逻辑操作，该门限设为2)时，输出端电压相对阈值电压而言为低电压，判决为数据“0”。该实例同时适用于面内磁场各向异性SHE-MTJ与垂直磁场各向异性SHE-MTJ。
可以看出，本发明提供的基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路具有统一标准的实现结构。此外，由于逻辑运算集成在存储器当中，因此它既能够进行数据信息处理，同时又能够实现数据信息的非易失性存储功能，有望实现下一代新型计算机体系架构。
Claims (1)
1.一种基于自旋霍尔效应磁隧道结的非易失性逻辑门电路，其特征在于：该逻辑门电路由输入端Input，输出端Output，上拉电阻网络Pull-up resistive network，下拉互补电阻网络Pull-down complementary resistive network，供电电压源Vdd以及地端Gnd组成；供电电压源接上拉电阻网络，上拉电阻网络与下拉互补电阻网络相连，下拉互补电阻网络与地端相连；同时输入端与输出端分别与上拉电阻网络以及下拉互补电阻网络相连；执行逻辑运算操作时，首先通过输入端对上拉电阻网络以及下拉互补电阻网络进行数据写入；然后通过评估输出端的电压来判决逻辑运算结果，并进行数据输出；
所述的输入端的输入数据信号为电流方向；
所述的输出端的输出数据信号为电压幅度；
所述的上拉电阻网络由自旋霍尔效应磁隧道结组成；
所述的下拉互补电阻网络由互补自旋霍尔效应磁隧道结组成；
该自旋霍尔效应磁隧道结从上到下由铁磁层一，氧化物隔离层，铁磁层二以及重金属层，共四层构成；该铁磁层一与铁磁层二，是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种；其中铁磁层一的磁场极化方向为固定的，称为固定层，而铁磁层二的磁场极化方向为自由的，称为自由层；该铁磁层一与铁磁层二为磁各向异性易轴垂直膜面材料，称为垂直磁场各向异性即Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA，也能为磁各向异性易轴平行膜面材料，称为面内磁场各向异性即In-plane Magnetic Anisotropy；该氧化物隔离层，是指氧化镁MgO，氧化铝Al2O)或其他等价氧化物中的一种；该重金属层，指钽Tantalum、钨Tungsten、铪Hafnium或铂Pt中的一种；该自旋霍尔效应磁隧道结与互补自旋霍尔效应磁隧道结，是指在相同写入电流的作用下，具有互补的电阻状态；
其中，上拉电阻网络中的自旋霍尔效应磁隧道结的电阻状态与下拉互补电阻网络中的互补自旋霍尔效应磁隧道结的电阻状态始终处于互补状态。
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