CN106374034A - 一种可重构的磁逻辑器件及其制备方法 - Google Patents

一种可重构的磁逻辑器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于自旋电子学以及器件的技术领域，尤其涉及一种可重构的磁逻辑器件及其制备方法。该磁逻辑器件包括：磁性单元和微分负电导器件；磁性单元包括3个电极，电极按一定的几何形状制作在磁性薄膜的表面；电极分为输入电极和输出电极；微分负电导器件的一端与磁性单元的输出电极连接，微分负电导器件的另一端接地。该磁逻辑器件可以在室温和低磁场下实现四种基本逻辑运算，且具有很高的输出比和低工作磁场的性能特点。该磁逻辑器件与硅基半导体工业兼容，性能突出，结构简单，原材料价格适中，且环境友好。

Description

一种可重构的磁逻辑器件及其制备方法
技术领域
本发明属于自旋电子学以及器件的技术领域，尤其涉及一种可重构的磁逻辑器件及其制备方法。
背景技术
传统的电子计算机建立在冯·诺依曼结构的基础上，由于其硬件结构中存储和逻辑是相互分离的，其发展遇到了瓶颈。新兴的磁逻辑器件凭借其可重构的逻辑以及与非易失性存储的结合，有望突破这一瓶颈。
目前的磁电逻辑器件主要分为两大类，一是基于磁性材料中的自旋相关输运的自旋逻辑器件，二是基于非磁性半导体中的非对称磁阻效应的磁场逻辑器件。然而，现有的磁逻辑器件虽然各有其特点，但仍面临一系列问题。对于自旋逻辑器件而言，逻辑输入以磁化的形式存储，磁性单元间的逻辑运算通过自旋相关输运进行，其室温下的逻辑输出始终难以提高，这使得这种器件的可靠性难以保证。而对于磁场逻辑器件而言，半导体中的非线性输运效应提供了理想的逻辑输出比，但是需要的磁场较大，这使得这种器件难以小型化。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种可重构的磁逻辑器件及其制备方法。
一种可重构的磁逻辑器件，所述磁逻辑器件包括磁性单元和微分负电导器件；
所述磁性单元包括3个电极，所述电极按一定的几何形状制作在磁性薄膜的表面；所述电极分为输入电极和输出电极；
所述微分负电导器件的一端与所述磁性单元的输出电极连接，所述微分负电导器件的另一端接地。
所述磁性单元中的磁性薄膜是具有垂直各向异性的磁性多层膜或具有磁各向异性的磁性薄膜。
所述具有垂直各向异性的磁性多层膜为MgO、CoFeB、Ta、AlOx、Co和Pt中的一种，所述具有磁各向异性的磁性薄膜为GaMnAs和FePd中的一种。
所述几何形状为圆形、矩形和点中的一种。
所述的微分负电导器件在特定的电流或电压区间具有微分负电导特性。
所述的微分负电导器件为隧道结、Gunn二极管、碰撞电离雪崩渡越时间二极管和晶体管电路中的一种。
所述磁性薄膜具有电流翻转磁化效应，所述电流翻转磁化效应是传统的电流产生的磁场效应，或者基于量子效应的自旋转移力矩和自旋轨道力矩效应。
一种制备上述可重构的磁逻辑器件的方法，包括：在热氧化Si基片上磁控溅射沉积MgO或CoFeB或Ta或SiO2中任意一种磁性多层膜，并利用光刻工艺和等离子刻蚀工艺加工，再利用光刻工艺和磁控溅射沉积3个Ti/Au金属电极，然后对磁性单元的输入电极加载电流，以所述磁性单元的磁化方向作为逻辑输入，通道电流高低作为逻辑输出，实现不同模式的布尔逻辑运算。
将所述磁性单元串联到所述微分负电导器件与接地线之间，利用电流翻转磁化效应，实现在一个时钟周期内同时完成非易失信息的读写和逻辑运算。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种新型可重构的磁逻辑器件，通过将磁性材料和半导体的特性进行互补，使得这种器件兼具磁场性和自旋型逻辑器件的优点。该器件可以在室温和低磁场下实现四种基本逻辑运算，且具有很高的输出比和低工作磁场的性能特点。同时，通过器件单元阵列的链接，可以在一个时钟周期内实现非易失性的信息读取、处理和写入。本发明提供了一个设计磁电子微芯片的可能途径，有望提高运算速度、减少能耗。该器件与硅基半导体工业兼容，性能突出，结构简单，原材料价格适中，且环境友好。
附图说明
图1为实施例1中磁逻辑器件单元结构图；
图2为实施例1中不同磁化状态下的输出电流特性曲线。
图3为实施例2中利用可重构的磁逻辑器件实现“与”、“或”、“或非”和“与非”逻辑运算的电路配置及逻辑单元结构图；
图4为实施例3中利用可重构的磁逻辑器件实现非易失信息读出、逻辑运算和写入一步完成的逻辑运算的电路配置及逻辑单元结构图；
图5为实施例3中电流翻转磁化效应测量曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
实施例1
磁逻辑器件100中的磁性单元101，在热氧化Si基片上磁控溅射沉积MgO/CoFeB/Ta/SiO2磁性多层膜，并利用光刻工艺和等离子刻蚀工艺将其加工为如图1的形状111，再利用光刻工艺和磁控溅射沉积3个Ti/Au金属电极121、122和123。至此1个磁性单元101就制备完成了。
磁逻辑器件中的微分负电导单元131，将2个互补的硅基双极性晶体管连接组成1个微分负电导单元131。
磁逻辑器件100，将1个磁性单元101与2个微分负电导单元131按照如图1的方式连接，组成1个磁逻辑器件100。电流从顶端的电极121流入，从左右的电极122和电极123流出。在特定加载电流区间内，左右两个通道的输出电流会出现歧化现象，而且歧化的方向与磁性单元的磁化相关。如图2所示，上图是磁化向下，左边通道141的电流比右边通道142电流大；下图是磁化向上，左边通道141的电流比右边通道142电流小。当加载电流为2.2mA时，左右两个通道的电流的比值可以达到103％。
性能相关的附图针对实施例1。器件和测试方法示意图针对所有实施例。
实施例2
将磁性单元112、磁性单元113和磁性单元114并联起来，再与2个微分负电导单元131按如图3所示连接，就构成了1个可以实现可重构“与”、“或”、“或非”和“与非”逻辑运算的磁逻辑器件200。对每个磁性单元，电流自顶电极121流入，从左电极和右电极流出。规定磁性薄膜的磁化方向垂直于膜面向下为逻辑输入“1”，向上为逻辑输入“0”，通道电流是高电流为逻辑输出“1”，低电流为逻辑输出“0”。在这一实例中，提供2.2mA的输入电流，通过控制逻辑输入和对逻辑输出通道的选择，实现四种逻辑运算。当磁性单元112的输入为“1”时，磁性单元113和磁性单元114的逻辑输入(a，b)分别为(1,1)，(1,0)，(0,1)和(0,0)时，左侧输出通道141的电流分别为2.114mA,2.110mA,2.111mA和0.085mA，对应“或”逻辑运算，右侧输出通道142的电流分别为0.086mA,0.090mA,0.089mA和2.115mA，对应“或非”逻辑运算。当磁性单元112的输入为“0”时，磁性单元113和磁性单元114的逻辑输入(a，b)分别为(1,1)，(1,0)，(0,1)和(0,0)时，左侧输出通道141的电流分别为2.109mA,0.084mA,0.083mA和0.080mA，对应“与”逻辑运算，右侧输出通道142的电流分别为0.091mA,2.116mA,2.117mA和2.120mA，对应“与非”逻辑运算。因此可以通过调控控制逻辑输入单元112和左右输出通道的选择，在一个逻辑器件中实现所有4种基本的布尔逻辑运算。
实施例3
在实施例1中磁逻辑器件200的基础上，将磁性单元115和磁性单元116分别串联到左侧通道141和右侧通道142中，组成磁逻辑器件300(如图4)，以实现非易失信息的读出、逻辑运算和写入在同一步骤中完成。图4中的131为微分负电导单元。对于磁性单元115和磁性单元116，在水平外加磁场151下，当电流从其左电极流向右电极时，磁性薄膜的磁化方向会发生翻转(如图5)。当外加磁场151为50mT时，磁化翻转电流值约为1mA。
进行逻辑运算之前，在磁性单元115和磁性单元116上通一个从右向左的电流2mA，以使这两个磁性单元的磁化方向向上。在进行逻辑运算时，当磁性单元112的输入为“1”时，磁性单元113和磁性单元114的逻辑输入(a，b)分别为(1,1)，(1,0)，(0,1)和(0,0)时，左侧输出通道141的电流分别为2.165mA,2.158mA,2.159mA和0.144mA，对应“或”逻辑运算，右侧输出通道142的电流分别为0.135mA,0.142mA,0.141mA和2.156mA，对应“或非”逻辑运算。当磁性单元112的输入为“0”时，磁性单元113和磁性单元114的逻辑输入(a，b)分别为(1,1)，(1,0)，(0,1)和(0,0)时，左侧输出通道141的电流分别为2.155mA,0.141mA,0.142mA和0.138mA，对应“与”逻辑运算，右侧输出通道142的电流分别为0.145mA,2.159mA,2.158mA和2.162mA，对应“与非”逻辑运算。当通道电流大于1mA时，该通道中的磁性单元的磁化方向会被翻转，将逻辑输出信息写入到磁性单元中。因此在进行逻辑运算的同时，可以把逻辑输出信息写入到磁性单元115和磁性单元116中。
实施例4
一种可重构的磁逻辑器件，将3个电极按一定的几何形状制作在磁性薄膜的表面，形成磁性单元，再将微分负电导器件与若干磁性单元相连接，组成磁逻辑器件。器件完成后，加载一定的电流，以磁性单元的磁化方向作为逻辑输入，通道电流高低作为逻辑输出，实现不同模式的布尔逻辑运算。将两个磁性单元串联到输出通道中，利用电流翻转磁化效应，实现在一个时钟周期内同时完成读写和逻辑运算。
所述磁性单元中的磁性薄膜具有磁各向异性，可以是具有垂直各向异性的磁性多层膜(如MgO\CoFeB\Ta，AlOx\Co\Pt)，也可以是其他具有磁各向异性的磁性薄膜(如GaMnAs，FePd)。
所述的磁性单元中的电极的几何形状，可以是圆形、矩形或者点接触。
所述的微分负电导单元中，在某个电流或电压区间具有微分负电导特性，可以但不局限于是隧道结、Gunn二极管、碰撞电离雪崩渡越时间二极管或晶体管电路。
所述的电流翻转磁化效应，可以是传统的电流产生的奥斯特磁场，也可以是基于量子效应的自旋转移力矩和自旋轨道力矩效应。
上述实施例达到了如下效果：
1、将3个磁性单元并联起来，其中1个作为控制信息单元，另外2个作为逻辑输入信息单元，在温度300K,通过选择合适的输出通道和变化控制信息单元，可以实现2个逻辑输入信息单元之间的所有四种基本布尔逻辑运算(“与”、“或”、“与非”和“或非”)。
2、将3个磁性单元并联起来，其中1个作为控制信息单元，另外2个作为逻辑输入信息单元，再将2个磁性单元分别串联在输出通道中，作为逻辑输出信息单元，在温度300K,通过选择合适的输出通道和变化控制信息单元，可以实现2个逻辑输入信息单元之间的所有四种基本布尔逻辑运算(“与”、“或”、“与非”和“或非”)，并且利用电流翻转磁化效应把逻辑输出信息写入到逻辑输出信息单元中，实现非易失信息的读出、逻辑运算和写入在一个步骤中完成。
3、该器件具有高输出比和低工作磁场的性能特点。
4、该器件与硅基半导体工业兼容，性能突出，结构简单，原材料价格适中，且环境友好。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种可重构的磁逻辑器件，其特征在于，所述磁逻辑器件包括磁性单元和微分负电导器件；
所述磁性单元包括3个电极，所述电极按一定的几何形状制作在磁性薄膜的表面；所述电极分为输入电极和输出电极；
所述微分负电导器件的一端与所述磁性单元的输出电极连接，所述微分负电导器件的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的可重构的磁逻辑器件，其特征在于，所述磁性单元中的磁性薄膜是具有垂直各向异性的磁性多层膜或具有磁各向异性的磁性薄膜。
3.根据权利要求2所述的可重构的磁逻辑器件，其特征在于，所述具有垂直各向异性的磁性多层膜的材料为MgO、CoFeB、Ta、AlOx、Co和Pt中的一种，所述具有磁各向异性的磁性薄膜的材料为GaMnAs和FePd中的一种。
4.根据权利要求1所述的可重构的磁逻辑器件，其特征在于，所述几何形状为圆形、矩形和点中的一种。
5.根据权利要求1所述的可重构的磁逻辑器件，其特征在于，所述的微分负电导器件在特定的电流或电压区间具有微分负电导特性。
6.根据权利要求5所述的可重构的磁逻辑器件，其特征在于，所述的微分负电导器件为隧道结、Gunn二极管、碰撞电离雪崩渡越时间二极管和晶体管电路中的一种。
7.根据权利要求1所述的可重构的磁逻辑器件，其特征在于，所述磁性薄膜具有电流翻转磁化效应，所述电流翻转磁化效应是传统的电流产生的磁场效应，或者基于量子效应的自旋转移力矩和自旋轨道力矩效应。
8.一种制备如权利要求1-7任一项所述的可重构的磁逻辑器件的方法，其特征在于，在热氧化Si基片上磁控溅射沉积MgO或CoFeB或Ta或SiO2中任意一种磁性多层膜，并利用光刻工艺和等离子刻蚀工艺加工，再利用光刻工艺和磁控溅射沉积3个Ti/Au金属电极，然后对磁性单元的输入电极加载电流，以所述磁性单元的磁化方向作为逻辑输入，通道电流高低作为逻辑输出，实现不同模式的布尔逻辑运算。
9.根据权利要求8所述的制备可重构的磁逻辑器件的方法，其特征在于，将所述磁性单元串联到所述微分负电导器件与接地线之间，利用电流翻转磁化效应，实现在一个时钟周期内同时完成非易失信息的读写和逻辑运算。
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