CN105895799A - 可编程自旋逻辑器件和包括其的电子设备 - Google Patents

可编程自旋逻辑器件和包括其的电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可编程自旋逻辑器件和包括其的电子设备。一种自旋逻辑器件包括：SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在SHE偏置层上并与之接触；势垒层，设置在自由磁层上；以及参考磁层，设置在势垒层上；以及电流布线，连接到磁性隧道结的参考磁层一侧，使得磁性隧道结设置在SHE偏置层与电流布线之间，其中SHE偏置层向自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且SHE偏置层接收第一、第二和第三面内电流，第一和第二面内电流的方向与第一方向平行，第三面内电流用于控制自旋逻辑器件的操作模式，SHE偏置层和电流布线还用于施加流过磁性隧道结的读取电流。

Description

可编程自旋逻辑器件和包括其的电子设备
技术领域
本发明总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种纯电流驱动型可编程自旋逻辑器件，其可以在零磁场下操作，并且还涉及包括该自旋逻辑器件的电子设备。
背景技术
利用磁性材料的电子自旋特性来设计的数字逻辑器件称为自旋逻辑器件或磁逻辑器件。与普通的半导体逻辑器件相比，这种基于自旋相关输运特性的可重配置的逻辑器件具有高操作频率、无限重配次数、逻辑信息的非易失性、防辐射、与磁随机存取存储器(MRAM)兼容等优点，因此被认为是替代传统半导体逻辑器件的下一代逻辑器件的有力候选者。
图1示出一种现有技术的自旋逻辑器件100，其核心单元为磁性隧道结MTJ，其包括两个铁磁层FM1和FM2以及位于二者之间的绝缘势垒层I。磁性隧道结MTJ上方有三条输入线A、B和C，并且在磁性隧道结MTJ的上下两侧有两条输出线Out。磁性隧道结MTJ的两个铁磁层FM1和FM2具有不同的矫顽力。三条输入线A、B和C上的输入电流的大小相等。当仅一条输入线例如输入线A上通电流时，铁磁层FM1和FM2的磁化方向都不发生改变；当两条输入线例如输入线A和B上同时通过相同方向的电流时，仅具有较小矫顽力的铁磁层例如铁磁层FM2的磁化方向可发生翻转；当三条输入线A、B和C上均通过相同方向的电流时，两个铁磁层FM1和FM2的磁化方向均发生翻转。从而，MTJ可配置为4种不同的初始状态，其中两种平行态，两种反平行态。当处于平行态时，磁性隧道结MTJ的电阻较低；当处于反平行态时，磁性隧道结MTJ的电阻较高。这样，可以得到多种不同的逻辑状态。磁逻辑器件的操作一般包括两个步骤。第一步为设置步骤，即通过在输入线上施加电流来使磁性隧道结MTJ处于预定的初始状态；第二步为逻辑操作步骤，即在两条或三条输入线上施加输入电流，在两条输出线上施加输出电流以读取MTJ的电阻(或电压、电流)，来进行逻辑操作。
上述现有技术的自旋逻辑器件存在若干缺点。第一，其包含过多的布线，结构非常复杂，不便于制造。第二，由于其完全依赖电流产生的奥斯特磁场来翻转铁磁层的磁化方向，为了产生足够强的奥斯特磁场来实现翻转，需要施加很大的电流，因此导致逻辑器件的能耗很高。第三，电流产生的奥斯特磁场可能影响周围的电子器件的正常操作，必要时还需要在图1的逻辑器件周围形成磁屏蔽结构，使得结构更加复杂并且增加了成本。上述缺陷限制了这种现有技术的自旋逻辑器件的实际应用。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种自旋逻辑器件，其能够克服现有技术自旋逻辑器件中的上述以及其他缺陷中的一个或多个。
本发明的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；以及参考磁层，设置在所述势垒层上；以及电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一、第二和第三面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，所述第三面内电流用于控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。
在一些实施例中，所述第三面内电流的方向平行或者垂直于所述第一方向。
在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一。当所述第三面内电流设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述第三面内电流设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。
在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个。当所述第三面内电流设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述第三面内电流设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。
在一些实施例中，，所述磁性隧道结的自由磁层和参考磁层具有沿垂直方向的易磁化轴。
在一些实施例中，所述SHE偏置层由PtMn、IrMn、AuMn、PdMn、FeMn或NiMn形成。
本发明的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；以及参考磁层，设置在所述势垒层上；以及电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一和第二面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，其中，所述SHE偏置层和所述电流布线用于向所述磁性隧道结施加偏置电压以控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。
在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一。当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。
在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个。当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。
本发明的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE层，由具有自旋霍尔效应的材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；参考磁层，设置在所述势垒层上；以及钉扎层，设置在所述参考磁层上并且向所述参考磁层施加沿第一方向的偏置磁场；电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE层与所述电流布线之间，其中，所述势垒层具有一厚度使得所述自由磁层和所述参考磁层彼此铁磁耦合，从而所述参考磁层向所述自由磁层施加沿所述第一方向的偏置磁场，其中，所述SHE层接收第一、第二和第三面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，所述第三面内电流用于控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。
在一些实施例中，所述SHE层由以下材料中的一种或多种形成：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn、Bi2Se3、Bi2Te3、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Yi和Lu。
在一些实施例中，所述第三面内电流的方向平行或者垂直于所述第一方向。
本发明的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE层，由具有自旋霍尔效应的材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；参考磁层，设置在所述势垒层上；以及钉扎层，设置在所述参考磁层上并且向所述参考磁层施加沿第一方向的偏置磁场；电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE层与所述电流布线之间，其中，所述势垒层具有一厚度使得所述自由磁层和所述参考磁层彼此铁磁耦合，从而所述参考磁层向所述自由磁层施加沿所述第一方向的偏置磁场，其中，所述SHE层接收第一和第二面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行；其中，所述SHE偏置层和所述电流布线用于向所述磁性隧道结施加偏置电压以控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。
在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一。当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。
在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个。当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。
本发明的一些实施例提供一种电子设备，其包括上述自旋逻辑器件中的任意一种。
在一些实施例中，所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。
本发明的自旋逻辑器件可以通过电流或电压控制而在不同的模式下操作，因此实现了可编程的自旋逻辑器件，而且结构和操作简单，便于应用到各种电子设备中。
附图说明
图1示出一种现有技术的自旋逻辑器件的结构示意图。
图2示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。
图3A示出根据本发明一实施例的、图2所示的自旋逻辑器件中的自由磁层的磁化与流过SHE偏置层的电流之间的关系。
图3B示出根据本发明另一实施例的、图2所示的自旋逻辑器件中的自由磁层的磁化与流过SHE偏置层的电流之间的关系。
图4示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。
图5A示出根据本发明一实施例的、图4所示的自旋逻辑器件中的自由磁层的磁化与流过SHE偏置层的电流之间的关系。
图5B示出根据本发明另一实施例的、图4所示的自旋逻辑器件中的自由磁层的磁化与流过SHE偏置层的电流之间的关系。
图6示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。
图7示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的示范性实施例。
图2示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件200的结构示意图。如图2所示，自旋逻辑器件200包括磁性隧道结210、以及位于磁性隧道结210下方的自旋霍尔效应(SHE)偏置层220和位于磁性隧道结210上方的电流布线230。
如图2所示，磁性隧道结210可以包括自由磁层212、参考磁层216、以及位于自由磁层212和参考磁层216之间的势垒层214。自由磁层212和参考磁层216均可由铁磁材料形成，例如Co、Fe、Ni以及包括Co、Fe、Ni的合金，诸如CoFe、NiFe、CoFeB等。其中，自由磁层212可以由具有较低矫顽力的铁磁材料形成，使得自由磁层212的磁矩可以较容易地被外磁场或自旋转移力矩所改变，而参考磁层216可以由具有较高矫顽力的铁磁材料形成，使得其磁矩不易被外磁场或自旋转移力矩所改变。如图2所示，自由磁层212和参考磁层216二者均可具有垂直磁各向异性，也就是说，其易磁化轴在垂直于层面的方向上，即沿图2中的Z轴方向上。应注意，自由磁层212的磁矩因为偏置而相对于垂直方向倾斜，这将在下面进一步详细描述。在一些实施例中，自由磁层212的厚度可以在0.5nm至16nm的范围，优选在0.8nm至8nm的范围；参考磁层216的厚度可以在0.5nm至20nm的范围，优选0.8nm至10nm的范围。
势垒层214可以由非磁绝缘材料形成，例如但不限于MgO、Al2O3等。在一些实施例中，势垒层214的厚度可以在0.6nm至5nm的范围，优选0.8nm至3nm的范围。
虽然这里参照图2描述了磁性隧道结210的结构，但是本领域技术人员将理解，还可以对磁性隧道结210的结构进行许多变化。例如，虽然图2示出了磁性隧道结210具有矩形图案，但是磁性隧道结210也可以被图案化成其他形状，例如圆形、椭圆形、方形、环形、其它多边形形状、等等。此外，磁性隧道结210也可以用更多或更少的层来形成。本发明旨在涵盖所有这些磁性隧道结的修改或变化，只要其落在所附权利要求及其等价物的范围内。
SHE偏置层220可以设置在磁性隧道结210的自由磁层212一侧，即图2所示的下侧，并且直接和自由磁层212接触。顾名思义，SHE偏置层220是具有自旋霍尔效应(SHE)以及偏置效果的层，可用于形成SHE偏置层220的材料可包括具有强的自旋轨道耦合的反铁磁材料，例如但不限于PtMn、IrMn、AuMn、PdMn、FeMn和NiMn等，其中PtMn和IrMn是优选的，因为其具有相对更强的自旋轨道耦合。在一些实施例中，SHE层220的厚度可以在0.5nm至30nm的范围，优选地在0.6nm至10nm的范围。这些材料的反铁磁属性使得它们可以向与其接触的自由磁层212提供偏置磁场，例如图2中沿Y轴方向的偏置磁场Hb，使得自由磁层212的磁矩从其沿Z轴方向的易磁化轴向Y轴方向偏转，如实线箭头所示；另一方面，这些材料由于具有强的自旋轨道耦合而具有自旋霍尔效应。自旋霍尔效应是指当电流流过SHE偏置层220时，在SHE偏置层220的表面上会形成自旋极化电流，其中电子的自旋方向是规则排列的，如图2中SHE层220上的带圆点的箭头所示，其中圆点表示电子，箭头表示电子的自旋方向，并且进而产生从SHE偏置层220向自由磁层212中流入的纯自旋流，该自旋流可以向自由磁层212施加磁转矩，或者说自旋转矩，从而影响自由磁层212的磁矩方向。应理解，虽然图2示出在SHE偏置层220的表面上形成的自旋极化电流的自旋方向为向右，但是在电流方向不变的情况下，取决于形成SHE偏置层220的材料，该自旋方向也可以向左。应注意，偏置磁场和引起自旋转矩的电流应在相同方向上，例如彼此平行，从而在这样的偏置磁场和自旋转矩的共同作用下，可以翻转自由磁层212的磁矩。还应注意，当自由磁层212的磁矩从向上翻转到向下时，由于偏置磁场Hb的存在，其同样也从沿Z轴的易磁化轴方向朝向Y轴方向偏转，如虚线箭头所示。
在图2所示的实施例中，SHE偏置层220可以连接到不同的电流布线(未示出)以接收流过其的三个电流，即IA、IB和IC，其中第一电流IA和第二电流IB可以是逻辑输入电流，第三电流IC可以是用于控制自旋逻辑器件200的操作模式的控制电流，它们与偏置磁场Hb共同作用即可翻转自由磁层212的磁矩，其具体操作将在下面详细描述。应注意，第一至第三电流IA、IB和IC均流过SHE偏置层220的层平面，而非垂直于层平面流过磁性隧道结210。并且，在图2所示的实施例中，第一至第三电流IA、IB和IC均在偏置磁场Hb所在的方向上，即平行于Y轴方向。
电流布线230可以电连接到磁性隧道结210，例如连接到磁性隧道结210的参考磁层一侧，从而磁性隧道结210连接在SHE偏置层220和电流布线230之间。这样，可以在电流布线230和SHE偏置层220之间施加流过磁性隧道结210的读取电流IR以读取磁性隧道结210的逻辑状态。在图2所示的实施例中，电流布线230可以直接接触磁性隧道结210的参考磁层216。在另一些实施例中，电流布线230可以形成在磁性隧道结210上方，并且通过例如导电插塞连接到磁性隧道结210。电流布线230的延伸方向不限于图2所示的方向，而是可以沿任何方向。
图3A示出根据一实施例的、图2所示的自旋逻辑器件200中的自由磁层212的磁化与流过SHE偏置层220的电流之间的关系；图3B示出根据另一实施例的、图2所示的自旋逻辑器件200中的自由磁层212的磁化与流过SHE偏置层220的电流之间的关系。如前所述，当流过SHE偏置层220的电流(在图2所示的实施例中，其等于第一至第三电流IA、IB和IC之和)足够大，即超过临界电流I0时，其和偏置磁场Hb共同作用即可翻转自由磁层212的磁化，并且自由磁层212的磁化方向取决于所施加的电流的方向以及偏置磁场Hb的方向。图3A和图3B所示实施例的不同之处在于，偏置磁场Hb的方向彼此相反，因此在相同的电流作用下，自由磁层212的磁化方向彼此相反。
下面首先参照图2和图3A来说明自旋逻辑器件200的操作原理。最初时，可以执行自旋逻辑器件200的初始化操作，或者也可称为复位操作，例如第一电流IA和第二电流IB每个都设置为-I0/2，第三电流IC设置为-I0/2-Δ，即第一至第三电流IA、IB和IC之和为-I0-Δ，其中Δ可以为大于零的小量，例如其取值可以为0<Δ<I0/2。在该电流下，磁性隧道结210被设置为反平行状态，例如参考磁层216的磁矩向上(实线箭头所示)，自由磁层212的磁矩向下(虚线箭头所示)。应理解，贯穿本说明书，在描述磁性隧道结的磁化状态为平行和反平行时，“平行”可以不包含“反平行”；在其他情况下，例如描述电流方向与偏置磁场方向平行时，该“平行”也涵盖反平行的情况。
在进行逻辑操作时，第三电流IC可以设置为I0/2+Δ，第一和第二电流IA和IB可以在0和I0/2中选择，其中电流0可以对应于逻辑0，电流I0/2可以对应于逻辑1。如果第一电流IA为0(对应于逻辑0)，第二电流IB也为0(对应于逻辑0)时，那么流过SHE偏置层220的总电流为I0/2+Δ，由于Δ小于I0/2，所以该总电流小于临界电流I0，自由磁层212的磁矩不翻转，磁性隧道结210保持在反平行状态。当磁性隧道结210保持在反平行状态时，其具有高电阻，使得流过磁性隧道结210的读取电流IR的值较小，此时可视为自旋逻辑器件200的输出为逻辑0。
当第一电流IA为0(对应于逻辑0)，第二电流IB为I0/2(对应于逻辑1)，或者相反，第一电流IA为I0/2(对应于逻辑1)，第二电流IB为0(对应于逻辑0)时，流过SHE偏置层220的总电流为I0+Δ，由于Δ大于0，所以该总电流大于临界电流I0，自由磁层212的磁矩将发生翻转，磁性隧道结210变为平行状态。当磁性隧道结210为平行状态时，其具有低电阻，使得流过磁性隧道结210的读取电流IR的值较大，此时可视为自旋逻辑器件200的输出为逻辑1。
当第一电流IA和第二电流IB均为I0/2(对应于逻辑1)时，流过SHE偏置层220的总电流为3I0/2+Δ，其大于临界电流I0，自由磁层212的磁矩将发生翻转，磁性隧道结210变为平行状态，从而输出为逻辑1。
应注意的是，当自由磁层212的磁矩发生翻转时，磁性隧道结210的状态发生改变，不再保持在初始状态，这会影响后续的逻辑操作。因为，在每个逻辑操作之后，可以对自旋逻辑器件200进行一次复位操作，以确保磁性隧道结210保持在初始状态。在另一些实施例中，也可以仅在自由磁层212的磁矩发生翻转时进行复位操作。
如上所述，自旋逻辑器件200实现了符合表1所示的真值表的逻辑或(OR)操作。
表1：逻辑或“OR”的真值表
第一输入电流IA 第二输入电流IB 输出电流IR
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
前面描述了在控制电流IC设置为某一预定值时，自旋逻辑器件200操作为逻辑或门的过程。而当控制电流IC变更为另一预定值时，自旋逻辑器件200还可以操作为逻辑与(AND)门。下面继续参照图2和图3A来描述自旋逻辑器件200作为逻辑与门的操作。
例如，可以将第三电流IC的值设置为Δ，如前所述，Δ的取值可以为0<Δ<I0/2。其他方面与前面描述的情况相同。此时，当第一电流IA为0(对应于逻辑0)，第二电流IB也为0(对应于逻辑0)时，那么流过SHE偏置层220的总电流为Δ，由于Δ小于I0/2，所以该总电流小于临界电流I0，自由磁层212的磁矩不翻转，磁性隧道结210保持在反平行状态。当磁性隧道结210保持在反平行状态时，其具有高电阻，使得流过磁性隧道结210的读取电流IR的值较小，此时可视为自旋逻辑器件200的输出为逻辑0。
当第一电流IA为0(对应于逻辑0)，第二电流IB为I0/2(对应于逻辑1)，或者相反，第一电流IA为I0/2(对应于逻辑1)，第二电流IB为0(对应于逻辑0)时，流过SHE偏置层220的总电流为I0/2+Δ，由于Δ小于I0/2，所以流过SHE偏置层220的总电流仍小于临界电流I0，此时自旋逻辑器件200的输出仍为逻辑0。
当第一电流IA和第二电流IB均为I0/2(对应于逻辑1)时，流过SHE偏置层220的总电流为I0+Δ，其大于临界电流I0，自由磁层212的磁矩将发生翻转，磁性隧道结210变为平行状态。当磁性隧道结210为平行状态时，其具有低电阻，使得流过磁性隧道结210的读取电流IR的值较大，此时可视为自旋逻辑器件200的输出为逻辑1。
应注意的是，当自由磁层212的磁矩发生翻转时，磁性隧道结210的状态发生改变，不再保持在初始状态，这会影响后续的逻辑操作。因此，在每个逻辑操作之后，可以对自旋逻辑器件200进行一次复位操作，以确保磁性隧道结210保持在初始状态。例如，可以施加反向的第一至第三电流，即第一电流IA和第二电流IB均为-I0/2，第三电流IC为-Δ，即可将磁性隧道结210复位到初始的反平行状态。在另一些实施例中，也可以仅在自由磁层212的磁矩发生翻转时进行复位操作。
如上所述，自旋逻辑器件200实现了符合表2所示的真值表的逻辑与(AND)操作。
表2：逻辑与“AND”的真值表
第一输入电流IA 第二输入电流IB 输出电流IR
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
另一方面，参照图2，如果偏置磁场Hb的方向设置为与图2所示的相反，即沿负Y轴方向，则自旋逻辑器件200中的自由磁层212的磁化与流过SHE偏置层220的电流之间的关系如图3B所示。下面参照图2和图3B来说明自旋逻辑器件200的操作。
最初时，可以执行自旋逻辑器件200的初始化操作，或者也可称为复位操作，例如第一电流IA和第二电流IB每个都设置为-I0/2，第三电流IC设置为-I0/2-Δ，即第一至第三电流IA、IB和IC之和为-I0-Δ，其中Δ可以为大于零的小量，例如其取值可以为0<Δ<I0/2。在该电流下，磁性隧道结210被设置为平行状态，例如参考磁层216的磁矩向上(实线箭头所示)，自由磁层212的磁矩向上(实线箭头所示)。
在进行逻辑操作时，第三电流IC可以设置为I0/2+Δ，第一和第二电流IA和IB可以在0和I0/2中选择，其中电流0可以对应于逻辑0，电流I0/2可以对应于逻辑1。如果第一电流IA为0(对应于逻辑0)，第二电流IB也为0(对应于逻辑0)时，那么流过SHE偏置层220的总电流为I0/2+Δ，由于Δ小于I0/2，所以该总电流小于临界电流I0，自由磁层212的磁矩不翻转，磁性隧道结210保持在平行状态。当磁性隧道结210保持在平行状态时，其具有低电阻，使得流过磁性隧道结210的读取电流IR的值较大，此时可视为自旋逻辑器件200的输出为逻辑1。
当第一电流IA为0(对应于逻辑0)，第二电流IB为I0/2(对应于逻辑1)，或者相反，第一电流IA为I0/2(对应于逻辑1)，第二电流IB为0(对应于逻辑0)时，流过SHE偏置层220的总电流为I0+Δ，由于Δ大于0，所以该总电流大于临界电流I0，自由磁层212的磁矩将发生翻转，磁性隧道结210变为反平行状态。当磁性隧道结210为反平行状态时，其具有高电阻，使得流过磁性隧道结210的读取电流IR的值较小，此时可视为自旋逻辑器件200的输出为逻辑0。
当第一电流IA和第二电流IB均为I0/2(对应于逻辑1)时，流过SHE偏置层220的总电流为3I0/2+Δ，其大于临界电流I0，自由磁层212的磁矩将发生翻转，磁性隧道结210变为反平行状态，从而输出为逻辑0。
同样，可以在每个逻辑操作之后，对自旋逻辑器件200进行一次复位操作，以确保磁性隧道结210保持在初始的平行状态。在另一些实施例中，也可以仅在自由磁层212的磁矩发生翻转时进行复位操作。
如上所述，自旋逻辑器件200实现了符合表3所示的真值表的逻辑或非(NOR)操作。
表3：逻辑或非“NOR”的真值表
第一输入电流IA 第二输入电流IB 输出电流IR
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
前面描述了在控制电流IC设置为某一预定值时，自旋逻辑器件200操作为逻辑或非门的过程。而当控制电流IC变更为另一预定值时，自旋逻辑器件200还可以操作为逻辑与非(NAND)门。下面继续参照图2和图3B来描述自旋逻辑器件200作为逻辑与非门的操作。
例如，可以将第三电流IC的值设置为Δ，如前所述，Δ的取值可以为0<Δ<I0/2。其他方面与前面描述的情况相同。此时，当第一电流IA为0(对应于逻辑0)，第二电流IB也为0(对应于逻辑0)时，那么流过SHE偏置层220的总电流为Δ，由于Δ小于I0/2，所以该总电流小于临界电流I0，自由磁层212的磁矩不翻转，磁性隧道结210保持在平行状态。当磁性隧道结210保持在平行状态时，其具有低电阻，使得流过磁性隧道结210的读取电流IR的值较大，此时可视为自旋逻辑器件200的输出为逻辑1。
当第一电流IA为0(对应于逻辑0)，第二电流IB为I0/2(对应于逻辑1)，
或者相反，第一电流IA为I0/2(对应于逻辑1)，第二电流IB为0(对应于逻辑0)时，流过SHE偏置层220的总电流为I0/2+Δ，由于Δ小于I0/2，所以流过SHE偏置层220的总电流仍小于临界电流I0，此时自旋逻辑器件200的输出仍为逻辑1。
当第一电流IA和第二电流IB均为I0/2(对应于逻辑1)时，流过SHE偏置层220的总电流为I0+Δ，其大于临界电流I0，自由磁层212的磁矩将发生翻转，磁性隧道结210变为反平行状态。当磁性隧道结210为反平行状态时，其具有高电阻，使得流过磁性隧道结210的读取电流IR的值较小，此时可视为自旋逻辑器件200的输出为逻辑0。
同样，可以在每个逻辑操作之后，对自旋逻辑器件200进行一次复位操作，以确保磁性隧道结210保持在初始的平行状态。在另一些实施例中，也可以仅在自由磁层212的磁矩发生翻转时进行复位操作。
如上所述，自旋逻辑器件200实现了符合表4所示的真值表的逻辑与非(NAND)操作。
表4：逻辑与非“NAND”的真值表
可以理解，当第三电流IC设置为I0/2+Δ，并且第二电流IB设置为0时，自旋逻辑器件200还可以操作为逻辑非(NOT)门。具体而言，当第一输入电流IA为0时(对应于逻辑0)，磁性隧道结210保持为平行状态，输出逻辑1；当第一输入电流IA为I0/2时(对应于逻辑1)，流过SHE偏置层220的总电流为I0+Δ，自由磁层212的磁化被翻转，磁性隧道结210变为反平行状态，输出逻辑0。应理解，此时第二电流IB也被视为控制电流，而非逻辑输入电流。因此，自旋逻辑器件200实现了符合表5所示的真值表的逻辑非(NOT)操作。
表5：逻辑非“NOT”的真值表
第一输入电流IA 输出电流IR
0 1
1 0
通过上面的描述可知，在初始反平行配置下，自旋逻辑器件200可以操作为逻辑或门和逻辑与门，并且通过调节第三控制电流来实现在这两种门之间的切换。而将自旋逻辑器件200更改为初始平行配置时，例如将SHE偏置层220的偏置磁场Hb设置在相反的方向上，可以使自旋逻辑器件200操作为逻辑或非门和逻辑与非门，并且通过调节第三控制电流来实现在这两种门之间的切换，或者还可以使自旋逻辑器件200操作为逻辑非门。然而应理解，本发明的原理不限于这样的实施例。例如，如果将磁性隧道结的高电阻态定义为逻辑1，而将其低电阻态定义为逻辑0，则可以在初始平行配置下，将自旋逻辑器件200操作为逻辑或门和逻辑与门，而在初始反平行配置下将自旋逻辑器件200操作为逻辑或非门和逻辑与非门。这些变化都落在本发明原理的范围内。
另外，虽然上面描述了通过改变偏置磁场Hb的方向来改变旋逻辑器件200的配置，本领域技术人员将理解，该目的还可以通过其他手段来进行，例如将流过SHE偏置层220的面内电流的正方向设置在相反的方向上，或者将参考磁层216的磁矩设置在相反方向上等。
图4示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件300的结构图。自旋逻辑器件300与图2所示的自旋逻辑器件200基本相同，除了SHE偏置层320之外，因此这里省略对相同或相似元件的重复描述。
如图4所示，自旋逻辑器件300的SHE偏置层320也接收第一至第三面内电流IA、IB和IC，但是与图2所示的SHE偏置层220不同的是，第三电流IC在与第一和第二电流IA、IB垂直的方向上。图5A示出自旋逻辑器件300的自由磁层212的磁化M与施加到SHE偏置层上的电流I之间的关系，其中电流I在与SHE偏置层320提供的偏置磁场Hb相同的方向(平行或反平行)上。本发明人发现，当在与翻转电流I垂直的方向上施加第三电流IC时，其也可以改变用于翻转自由磁层212的磁化的临界电流。具体而言，如图5A所示，当不施加IC时，翻转自由磁层212的磁化的临界电流为I0；当施加IC时，翻转自由磁层212的磁化的临界电流变为I0’，其中I0’小于I0。
下面参照图4和图5A来描述自旋逻辑器件300的操作。自旋逻辑器件300的初始状态可以设置为反平行状态，对于作为逻辑输入的第一和第二电流IA和IB，逻辑0对应于零电流，逻辑1对应于电流I1，其中I0’<I1<I0，并且I0/2<I1。在第一模式下，第三电流IC可以为零，也就是不施加第三电流IC，此时翻转自由磁层212的磁化的临界电流为I0。当第一和第二电流IA和IB均为逻辑0时，自由磁层212的磁化不翻转，读取电流IR对应于逻辑0；当第一和第二电流IA和IB中的一个为逻辑0，另一个为逻辑1时，在与偏置磁场Hb相同的方向上流经自由磁层212的总电流为I1，其小于临界电流I0，所以自由磁层212的磁化不翻转，读取电流IR仍对应于逻辑0；只有当第一和第二电流IA和IB均为逻辑1时，在与偏置磁场Hb相同的方向上流经自由磁层212的总电流为2I1，其大于临界电流I0，所以自由磁层212的磁化被翻转，读取电流IR对应于逻辑1。这样，自旋逻辑器件300完成了表2所示的逻辑与操作。
当施加预定值的控制电流IC时，用于翻转自由磁层212的临界电流变为I0’，其小于I0。在这种情况下，当第一和第二电流IA和IB均为逻辑0时，自由磁层212的磁化不翻转，读取电流IR对应于逻辑0；当第一和第二电流IA和IB中的一个为逻辑0，另一个为逻辑1时，在与偏置磁场Hb相同的方向上流经自由磁层212的总电流为I1，其大于临界电流I0’，所以自由磁层212的磁化发生翻转，读取电流IR对应于逻辑1；当第一和第二电流IA和IB均为逻辑1时，在与偏置磁场Hb相同的方向上流经自由磁层212的总电流为2I1，其大于临界电流I0’，所以自由磁层212的磁化也发生翻转，读取电流IR对应于逻辑1。这样，自旋逻辑器件300完成了表1所示的逻辑或操作。
可见，与前面参照图2和3A描述的类似，通过控制第三电流IC，可以使自旋逻辑器件300在逻辑或门与逻辑与门之间切换。
同样，通过将偏置磁场Hb设置在相反方向上、将逻辑输入电流IA和IB的正方向设置在相反方向上、或者将参考磁层216的磁化设置在相反方向上，即可得到图5B所示的曲线图，其示出在与偏置磁场Hb相同的方向上流过SHE偏置层220的电流I与自由磁层212的磁矩M之间的关系。当电流I超过临界电流I0或I0’时，自由磁层212的磁矩M被翻转到负方向上。在该情况下，可以将自旋逻辑器件300操作为与非门、或非门和非门。具体操作与前面描述的类似，这里不再重复描述。
上面描述了第三电流IC平行于(图2)和垂直于(图4)偏置磁场Hb的实施例，但是应理解的是，第三电流IC的方向不限于此，而是可以在其他方向上，也可以实现相同或相似的技术效果。基于上述教导，第三电流IC在其他方向上的实施例是显而易见的，此处不再赘述。
图6示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件400的结构图。自旋逻辑器件400与图2所示的自旋逻辑器件200以及图4所示的自旋逻辑器件300基本相同，除了SHE偏置层420和电流布线430之外，因此这里省略对相同或相似元件的重复描述。
如图6所示，在自旋逻辑器件400中，在SHE偏置层420和电流布线430之间施加偏置电压V，其可以调节用于翻转自由磁层212的磁矩的临界电流。具体而言，本发明人发现，当不施加偏置电压V时，用于翻转自由磁层212的磁矩的临界电流为I0；当在SHE偏置层420和电流布线430之间施加偏置电压V时，用于翻转自由磁层212的磁矩的临界电流变为I0’，其中I0’小于I0。本发明人认为，这是因为偏置电压V产生的电场E使得自由磁层212的磁晶各向异性能Han减小，从而降低了翻转其磁化所需的电流。这样，图6的自旋逻辑器件400可以与图4的自旋逻辑器件300以相同方式操作，此处不再重复描述。
虽然在描述上面的实施例时，提供了许多细节，例如输入电流或电压的大小等，但是将理解，本发明不限于这些细节，例如输入电流或电压可以设置为其他值，同样可以实现本发明的原理。
图7示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件500。如图7所示，自旋逻辑器件500包括设置在电流布线530和SHE层520之间的磁性隧道结510。与前面描述的SHE偏置层220、320和420不同，SHE层520可以由具有自旋霍尔效应，而不一定要求其还能提供偏置磁场。可用于形成SHE层520的材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn之类的金属或合金，诸如Bi2Se3和Bi2Te3之类的拓扑绝缘体、以及诸如Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Yi、Lu之类的稀土材料等，稀土材料中Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er和Tm是优选的，因为它们具有较强的自旋轨道耦合。
磁性隧道结510可包括设置在SHE层520上并且与其接触的自由磁层512、设置在自由磁层512上的势垒层514、设置在势垒层514上的参考磁层516、以及设置在参考磁层516上的钉扎层518，其中自由磁层512和参考磁层516每个都可以具有垂直磁各向异性，即它们的磁磁化轴在与层平面垂直的方向上。
应理解，为了翻转自由磁层512的磁化方向，除了流过SHE层520的电流产生的施加到自由磁层512上的自旋转矩之外，还需要向自由磁层512施加一定的沿该电流方向的偏置磁场。而在上述结构中，SHE层520可能并不能向自由磁层512施加这样的偏置磁场，因此，在上述结构中，包括了钉扎层518。钉扎层518可以由反铁磁材料形成，例如但不限于IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn等，其向参考磁层516施加沿Y轴方向的偏置磁场Hb，使得参考磁层516的磁矩不是在垂直方向上，而是向Y轴方向倾斜，如实线箭头所示。而且，在该实施例中，势垒层514的厚度可以较薄，一般在0.8至2.6nm的范围内，并且选择势垒层514的厚度以使得参考磁层516和自由磁层514之间存在一定的铁磁耦合，从而向自由磁层514施加一定的沿Y轴方向的偏置磁场Hb。该偏置磁场Hb和SHE层520产生的自旋转矩相配合，即可翻转自由磁层512的磁矩。自旋逻辑器件500的其他方面与前述自旋逻辑器件200、300和400相同或相似，此处不再重复描述。
同样，对图7所示的自旋逻辑器件500可以进行一些改变。例如，第三电流IC可以施加在与偏置磁场Hb垂直的方向上，即X轴方向上，如图4所示的自旋逻辑器件300中那样，而非图7所示的Y轴方向上；或者，可以替代第三电流IC而在电流布线530与SHE层520之间施加偏置电压V，如图6所示的自旋逻辑器件400中那样。应理解，自旋逻辑器件500以及它的这些变型的操作与前面描述的那些实施例相同或类似，此处不再重复描述。
上面描述了SHE偏置层或SHE层接收两个面内电流(例如，图6所示的电流IA和IB)和三个面内电流(例如，图2、4和7所示的电流IA、IB和IC)的实施例，但是应理解，本发明的原理亦不限于这些实施例，而是还可以应用到SHE偏置层或SHE层接收更多面内电流的情形，例如其可以接收更多个逻辑输入电流或者更多个控制电流等。
在本发明的自旋逻辑器件中，可以完全不需要外加磁场，即可实现逻辑操作，因此结构更加简单，也不会因为磁场而影响周围的电子设备。而且，本发明的自旋逻辑器件可以操作为不同的逻辑门，这只需要特定的电流或电压来实现自旋逻辑器件的模式切换，因此可以作为一种可编程的逻辑门硬件，实现了对电路硬件的灵活配置。
虽然上面以垂直磁化为例说明了本发明的一些实施例，但是应理解，本发明还可以应用到面内磁化的方案。但是，垂直磁化是优选的，因为其可以实现自旋逻辑器件的更小占用面积，从而实现器件的小型化，便于自旋逻辑器件与大规模集成电路的集成。
本发明的另一些实施例还提供一种电子设备，其可以是例如但不限于手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备等。这样的电子设备一般都包括例如控制器、处理器、存储器等，这些电子部件都包含有逻辑电路，并且这些逻辑电路都可利用前面描述的任一实施例的自旋逻辑器件来实现。
尽管已经图示并描述了本申请的具体实施例和应用，但是要理解，所述实施例不限于在这里公开的确切结构和组件，并且可以在本申请的方法和设备的安排、操作和细节上做出对于本领域技术人员而言明显的各种修改、改变和变化，而没有脱离如在所附权利要求中限定的本公开的精神和范围。

Claims (17)

1.一种自旋逻辑器件，包括：
自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；
磁性隧道结，包括：
自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；
势垒层，设置在所述自由磁层上；以及
参考磁层，设置在所述势垒层上；以及
电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，
其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一、第二和第三面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，所述第三面内电流用于控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且
其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。
2.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述第三面内电流的方向平行或者垂直于所述第一方向。
3.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一，且
其中，当所述第三面内电流设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述第三面内电流设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。
4.如权利要求3所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个，且
其中，当所述第三面内电流设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述第三面内电流设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。
5.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结的自由磁层和参考磁层具有沿垂直方向的易磁化轴。
6.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述SHE偏置层由PtMn、IrMn、AuMn、PdMn、FeMn或NiMn形成。
7.一种自旋逻辑器件，包括：
自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；
磁性隧道结，包括：
自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；
势垒层，设置在所述自由磁层上；以及
参考磁层，设置在所述势垒层上；以及
电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，
其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一和第二面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，
其中，所述SHE偏置层和所述电流布线用于向所述磁性隧道结施加偏置电压以控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且
其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。
8.如权利要求7所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一，且
其中，当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。
9.如权利要求8所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个，且
其中，当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。
10.一种自旋逻辑器件，包括：
自旋霍尔效应SHE层，由具有自旋霍尔效应的材料形成；
磁性隧道结，包括：
自由磁层，设置在所述SHE层上并且与之直接接触；
势垒层，设置在所述自由磁层上；
参考磁层，设置在所述势垒层上；以及
钉扎层，设置在所述参考磁层上并且向所述参考磁层施加沿第一方向的偏置磁场；
电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE层与所述电流布线之间，
其中，所述势垒层具有一厚度使得所述自由磁层和所述参考磁层彼此铁磁耦合，从而所述参考磁层向所述自由磁层施加沿所述第一方向的偏置磁场，
其中，所述SHE层接收第一、第二和第三面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，所述第三面内电流用于控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且
其中，所述SHE层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。
11.如权利要求10所述的自旋逻辑器件，其中，所述SHE层由以下材料中的一种或多种形成：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn、Bi2Se3、Bi2Te3、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Yi和Lu。
12.如权利要求10所述的自旋逻辑器件，其中，所述第三面内电流的方向平行或者垂直于所述第一方向。
13.一种自旋逻辑器件，包括：
自旋霍尔效应SHE层，由具有自旋霍尔效应的材料形成；
磁性隧道结，包括：
自由磁层，设置在所述SHE层上并且与之直接接触；
势垒层，设置在所述自由磁层上；
参考磁层，设置在所述势垒层上；以及
钉扎层，设置在所述参考磁层上并且向所述参考磁层施加沿第一方向的偏置磁场；
电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE层与所述电流布线之间，
其中，所述势垒层具有一厚度使得所述自由磁层和所述参考磁层彼此铁磁耦合，从而所述参考磁层向所述自由磁层施加沿所述第一方向的偏置磁场，
其中，所述SHE层接收第一和第二面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行；
其中，所述SHE偏置层和所述电流布线用于向所述磁性隧道结施加偏置电压以控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且
其中，所述SHE层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。
14.如权利要求13所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一，且
其中，当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。
15.如权利要求14所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个，且
其中，当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。
16.一种电子设备，包括权利要求1至15中的任一项所述的自旋逻辑器件。
17.如权利要求16所述的电子设备，其中，所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106876582A (zh) * 2017-02-21 2017-06-20 中国科学院物理研究所 磁性隧道结及包括其的磁器件和电子设备
CN107134292A (zh) * 2017-04-01 2017-09-05 中国科学院物理研究所 可编程多功能自旋逻辑电路
US20180061887A1 (en) * 2016-08-25 2018-03-01 HGST Netherlands B.V. Magnetoresistive random access memory (mram) with an interconnect that generates a spin current and a magnetic field effect
CN111406326A (zh) * 2020-02-19 2020-07-10 长江存储科技有限责任公司 磁性存储结构和器件
WO2020215403A1 (zh) * 2019-04-24 2020-10-29 深圳市思品科技有限公司 一种多功能自旋电子逻辑门器件
CN112466359A (zh) * 2020-12-04 2021-03-09 首都师范大学 基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件
CN112466359B (zh) * 2020-12-04 2024-05-24 首都师范大学 基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104094353A (zh) * 2012-02-07 2014-10-08 高通股份有限公司 具有并发和差分感测的多自由层mtj和多端子读电路
CN105161613A (zh) * 2015-08-18 2015-12-16 北京航空航天大学 一种基于双势垒结构的磁存储器件
CN105280214A (zh) * 2015-09-10 2016-01-27 中国科学院物理研究所 电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104094353A (zh) * 2012-02-07 2014-10-08 高通股份有限公司 具有并发和差分感测的多自由层mtj和多端子读电路
CN105161613A (zh) * 2015-08-18 2015-12-16 北京航空航天大学 一种基于双势垒结构的磁存储器件
CN105280214A (zh) * 2015-09-10 2016-01-27 中国科学院物理研究所 电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180061887A1 (en) * 2016-08-25 2018-03-01 HGST Netherlands B.V. Magnetoresistive random access memory (mram) with an interconnect that generates a spin current and a magnetic field effect
CN106876582A (zh) * 2017-02-21 2017-06-20 中国科学院物理研究所 磁性隧道结及包括其的磁器件和电子设备
CN106876582B (zh) * 2017-02-21 2019-11-29 中国科学院物理研究所 磁性隧道结及包括其的磁器件和电子设备
CN107134292A (zh) * 2017-04-01 2017-09-05 中国科学院物理研究所 可编程多功能自旋逻辑电路
CN107134292B (zh) * 2017-04-01 2020-04-24 中国科学院物理研究所 可编程多功能自旋逻辑电路
WO2020215403A1 (zh) * 2019-04-24 2020-10-29 深圳市思品科技有限公司 一种多功能自旋电子逻辑门器件
US11574757B2 (en) 2019-04-24 2023-02-07 The Chinese University Of Hong Kong, Shenzhen Multi-functional spintronic logic gate device
CN111406326A (zh) * 2020-02-19 2020-07-10 长江存储科技有限责任公司 磁性存储结构和器件
US11201282B2 (en) 2020-02-19 2021-12-14 Yangtze Memory Technologies Co., Ltd. Magnetic memory structure and device
US11690298B2 (en) 2020-02-19 2023-06-27 Yangtze Memory Technologies Co., Ltd. Magnetic memory structure and device
CN112466359A (zh) * 2020-12-04 2021-03-09 首都师范大学 基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件
CN112466359B (zh) * 2020-12-04 2024-05-24 首都师范大学 基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件

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