CN107846215B - 一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，属于逻辑门电路技术领域。本发明所述逻辑器件为重金属层和铁磁层的双层结构；铁磁层由两条平行纳米线轨道局部相连构成；在两条纳米线轨道的左端各放置一个MTJ作为输入端，在其中一条纳米线轨道的右端放置一个MTJ作为输出端；对输入端施加电压或电流脉冲，产生斯格明子；输出端用于检测斯格明子；对输出控制端施加正负电压或电流脉冲，用于实现输出端高低电位的输出；分别在纳米线轨道的两个连接处之间设置两个传输控制端。本发明的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件通过对输出控制端、传输控制端施加不同状态的电压或电流的组合，实现与、或、非、与非和或非逻辑功能。

Description

一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件

技术领域

本发明属于逻辑门电路技术领域，更具体地，涉及一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件。

背景技术

传统的微电子器件是基于电子的电荷输运进行工作，而自旋电子器件则是基于电子的自旋属性进行信息的存储、传输与处理。相对于传统的微电子器件，自旋电子器件具有存储密度高、功耗低、响应速度快、非易失等优点。磁性斯格明子(Magnetic Skyrmion)则是一种具有拓扑特性的、呈环绕形态的自旋结构，产生于铁磁层/重金属层界面。其特点为中心自旋向下，外围自旋向上，中间区域逐渐过渡。斯格明子可以看作一种准粒子，携带和传输信息，可用磁隧道结(MTJ)来产生与探测。在铁磁纳米轨道中，斯格明子的存在与否可以编码成数字信号“0”和“1”。由于其尺寸小(直径可达几个纳米)，驱动电流密度低(～10⁶A/m²)，以及特有的拓扑稳定性，斯格明子在开发高密度、低功耗、高稳定性的磁存储以及自旋逻辑器件方面，具有巨大的潜力。

在中国实用新型专利说明书CN201611226414中公开了一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路，逻辑门基本单元由两条磁性金属纳米线末端会聚成一条磁性金属纳米线构成，三根磁性金属纳米线连接处设有磁颈。利用斯格明子改变磁颈电阻从而实现逻辑运算。当两个输入端的磁颈宽度相同，且大于输出端的磁颈宽度时，可实现逻辑或门；当两个输入端的磁颈的宽度、临界电流相同，且小于输出端磁颈的宽度、临界电流可实现逻辑与门。

但是基于上述制作方法的逻辑门只能单独的实现或运算或者与运算，难以完成更复杂的逻辑运算。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其目的在于基于单个、多个斯格明子或者无斯格明子在输入端到输出端之间的移动，由此通过控制电压进行配置和切换，实现与，或，与非，或非，非的逻辑功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，所述逻辑器件为重金属层和铁磁层的双层结构；铁磁层由两条平行纳米线轨道局部相连构成；在两条纳米线轨道的左端各放置一个MTJ作为输入端，在其中一条纳米线轨道的右端放置一个MTJ作为输出端。

进一步地，通过对输入端的MTJ垂直方向施加电压或电流脉冲，产生斯格明子。

进一步地，在所述重金属层上施加由输入端指向输出端的电流。

进一步地，所述输出端用于检测斯格明子，输出端还包括一个反铁磁层作为输出控制端，所述反铁磁层位于输出端的MTJ上，通过对输出控制端施加正负电压或电流脉冲，实现输出端电位的反转。

进一步地，对所述输出控制端施加正极性电压或电流脉冲，若输出端没有检测到斯格明子时，则输出端输出低电平；否则输出端输出高电平；

对所述输出控制端施加负极性电压或电流脉冲，当输出端没有检测到斯格明子时，则输出端输出高电平，否则输出端输出低电平。

进一步地，所述两条平行纳米线轨道有一个连接处A，A位于两条平行纳米线轨道的非端点处；且两条平行纳米线轨道的右端各有一个输出端。

进一步地，所述两条平行纳米线轨道之间有一个连接处A，A位于一纳米线轨道的右端点和另一纳米线轨道的非端点处，一个输出端位于另一条纳米线轨道的右端，且输出端在铁磁层平面的右下角。

进一步地，所述两条平行纳米线轨道之间有一个连接处A，A位于一纳米线轨道的右端点和另一纳米线轨道的非端点处，一个输出端位于另一条纳米线轨道的右端，且输出端在铁磁层平面的右上角。

进一步地，两条平行的纳米线轨道还有一个连接处B，其位置位于两条纳米线轨道的非端点处。

进一步地，分别在两条纳米线轨道的连接处A和B之间设置两个传输控制端，通过对传输控制端施加电压控制斯格明子是否能从该加压区域通过。

进一步地，通过对输出控制端、传输控制端施加不同状态的电压或电流的组合，实现可重构逻辑器件的与、或、非、与非和或非逻辑功能。

附图说明

图1a和1b是本发明方法中输入端生成斯格明子示意图；

图2a、2b、2c和2d是本发明方法输出端控制输出电平的示意图；

图3是本发明实施例1的结构示意图；

图4是本发明实施例1实现逻辑与(非)门的示意图；

图5是本发明实施例1实现逻辑或(非)门的示意图；

图6是本发明实施例1实现逻辑非门的示意图；

图7是本发明实施例2的结构示意图及实现逻辑与门的示意图；

图8是本发明实施例3的结构示意图及实现逻辑或门的示意图；

图9是本发明实施例4实现逻辑与门和或门的示意图。

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。

如图1a和1b所示，在本发明输入端，MTJ 3的磁性钉扎层12磁矩向上，势垒层13将磁性钉扎层12与铁磁层2隔开；当输入端的输入电压或电流脉冲低于临界值时，铁磁层2中无斯格明子生成，对应逻辑“0”；当输入端的输入电压脉冲高于临界值时，铁磁层2中产生斯格明子，对应逻辑“1”。

如图2a、2b、2c和2d所示，在本发明的输出端，由于隧道磁电阻(TMR)效应，MTJ的电阻取决于磁性钉扎层12和铁磁层2之间磁矩的状态：

如图2a，当磁性钉扎层12和铁磁层2之间磁矩平行时，MTJ处于低阻态，输出端电压为低电平，对应逻辑“0”；

如图2b，当磁性钉扎层12和铁磁层2之间磁矩反平行时，MTJ处于高阻态，输出端电压为为高电平，对应逻辑“1”；

如图2c，当铁磁层2存在斯格明子，且斯格明子的中心磁矩与磁性钉扎层12平行时，MTJ处于低阻态，输出端电压为低电平，对应逻辑“0”；

如图2d，当铁磁层2存在斯格明子，且斯格明子的中心磁矩与磁性钉扎层12反平行时，MTJ处于高阻态，输出端电压为高电平，对应逻辑“1”。

对控制输出端5施加正负极性的电压或电流脉冲，可用于翻转磁性钉扎层12的磁矩方向，从而实现MTJ高低阻态的反转，从而实现对应输出端高低电平的反转。该磁化翻转是由于流过反铁磁层的面内电流产生的自旋轨道矩(SOT)以及反铁磁层带来的交换偏置作用引起的。

如图3所示，本发明实施例1的结构为：

实施例1所述的逻辑器件为重金属层1和铁磁层2双层结构；铁磁层2由两条纳米线轨道平行放置、局部相连构成，一条纳米线轨道比另一条纳米线轨道短，两条平行纳米线轨道之间有两处相连，一处位于较短纳米线轨道的右端点处和较长纳米线轨道的非端点处，另一处位于两条平行纳米线轨道的非端点处；两条平行纳米线轨道的左端各放置一个MTJ作为输入端8和9，较长纳米线轨道的另一端放置一个MTJ作为输出端11；每个MTJ上有一反铁磁层4；在输出端11的反铁磁层4上设置输出控制端5；在两条纳米线轨道上各设置一个传输控制端6和7，在6和7上施加传输控制电压；在输入端8和9上设置输入电压或电流脉冲；重金属层上施加由输入端指向输出端的电流10。

如图4所示，是本发明实施例1实现逻辑与(非)门的示意图，由于存在斯格明子霍尔效应，斯格明子在电流10驱动下会向上偏移，沿轨道上边界运动；另外，传输控制端6和7施加控制电压将改变所加区域的磁各向异性能，阻挡斯格明子的传输。

为实现逻辑与门，对输出端11、传输控制端6和7分别设置正电压，打开控制电压和关闭控制电压，基于以上条件：

当两个输入端8和9输入为“0”时，无斯格明子生成，输出端亦无斯格明子，输出为“0”；

当两个输入端8和9输入为“0”，“1”或“1”，“0”时，只有一个斯格明子生成，最终斯格明子在电流10的驱动下将停止在传输控制端6所加区域前，输出端11无斯格明子，输出“0”；

当输入端8和9输入都为“1”时，两个斯格明子同时生成，在运动过程中将发生碰撞，使得一个斯格明子被阻挡在传输控制端6所加区域前，而另一个则从传输控制端7的区域通过，最终到达输出端11，输出“1”。至此，实现了逻辑与门的四种操作。

另一方面，对输出端11、传输控制端6和7分别设置负电压、打开控制电压和关闭控制电压，输出端逻辑发生反转，实现与非门。

如图5所示，是本发明实施例1实现逻辑或(非)门的示意图，当输出端11、传输控制端6和7分别设置为正电压，关闭控制电压和打开控制电压时，实现逻辑或门。

和实现逻辑与门不同的是，当两个输入端8和9的输入为“0”，“1”或“1”，“0”时，生成的斯格明子将从传输控制端6的区域通过，最终可到达输出端11，输出“1”。

和实现逻辑或门类似，当两个输入端8和9的输入都为“1”时，两个斯格明子同时生成，在运动过程中相互碰撞，使得一个斯格明子被阻挡在传输控制端7所加区域前，另一个则从传输控制端6的区域通过，最终到达输出端11，输出“1”。

同样地，当输出端11、传输控制端6和7分别设置为负电压，关闭控制电压，打开控制电压时，实现逻辑或非门。

如图6所示，是本发明实施例1实现逻辑非门的示意图；当只使用一个输入端8或9时，且输出端的控制电压设置为负电压，即可实现逻辑非门。

当输入端8或9的输入为“0”时，无斯格明子生成，输出端11亦无斯格明子，输出为“1”；当输入端8或9的输入为“1”时，斯格明子生成，在电流10的驱动下通过传输控制端6的区域，最终到达输出端11，输出“0”。

如图7所示，是本发明实施例2的结构示意图以及实现逻辑与门的示意图；

实施例2所述的逻辑器件为重金属层和铁磁层双层结构；铁磁层由两条纳米线轨道平行放置、局部相连构成，一条纳米线轨道比另一条纳米线轨道短，两条平行纳米线轨道之间有一处相连，位于较短纳米线轨道的右端点处和较长纳米线轨道的非端点处，较短纳米线轨道位于铁磁层上部，整个铁磁层形成一个仰卧的“h”型；两条平行纳米线轨道的左端各放置一个MTJ作为输入端14和15，较长纳米线轨道的另一端放置一个MTJ作为输出端16；每个MTJ上有一反铁磁层；在输出端16的反铁磁层上设置输出控制电压；在输入端14和15垂直方向施加脉冲电压或电流；重金属层上施加由输入端指向输出端的电流。

当两个输入端14和15的输入都为“0”时，无斯格明子生成，输出端16亦无斯格明子，输出为“0”；

当两个输入端14和15的输入为“0”，“1”或“1”，“0”时，只有一个斯格明子生成，最终在电流驱动下将停止在两条纳米线的连接区域，斯格明子无法到达输出端，输出“0”；

当输入端14和15的输入都为“1”时，两个斯格明子同时生成，在运动过程中将在连接区域发生碰撞，使得一个斯格明子停止在两条纳米线连接区域，而另一个则到达输出端16，输出“1”。至此，实现了逻辑与门的四种操作。

如图8所示，是本发明实施例3的结构示意图以及实现逻辑或门的示意图；

实施例3所述的逻辑器件为重金属层和铁磁层双层结构；铁磁层由两条纳米线轨道平行放置、局部相连构成，一条纳米线轨道比另一条纳米线轨道短，两条平行纳米线轨道之间有一处相连，位于较短纳米线轨道的右端点处和较长纳米线轨道的非端点处，较短纳米线轨道位于铁磁层下部，整个铁磁层形成一个俯卧的“h”型；两条平行纳米线轨道的左端各放置一个MTJ作为输入端17和18，较长纳米线轨道的另一端放置一个MTJ作为输出端19；每个MTJ上有一反铁磁层；在输出端19的反铁磁层上设置输出控制电压；在输入端17和18垂直方向施加脉冲电压或电流；重金属层上施加由输入端指向输出端的电流。

当两个输入端17和18的输入为“0”，“1”或“1”，“0”时，生成的斯格明子由于斯格明子霍尔效应而沿上边界运动，最终可到达输出端19，输出“1”；

当两个输入端17和18的输入都为“1”时，两个斯格明子同时生成，输入端17产生的斯格明子先到达输出端，输出“1”。至此，实现了逻辑或门的四种操作。

如图9所示是，本发明实施例4实现逻辑与门和或门的示意图；

实施例4述的逻辑器件为重金属层和铁磁层双层结构；铁磁层由两条纳米线轨道平行放置、局部相连构成，两条平行纳米线轨道之间有一处相连，位于两条纳米线轨道的非端点处，整个铁磁层形成一个俯卧的“H”型；两条纳米线轨道的左端各放置一个MTJ作为输入端20和21，两条纳米线轨道的另一端分别放置一个MTJ作为输出端22和23；每个MTJ上有一反铁磁层；在输出端的反铁磁层上设置输出控制电压；在输入端垂直方向施加脉冲电压或电流；重金属层上施加由输入端指向输出端的电流。

当两个输入端20和21的输入为“0”时，无斯格明子生成，两个输出端22和23亦无斯格明子，输出为“0”；

当两个输入端为“0”，“1”或“1”，“0”时，只有一个斯格明子生成，最终在电流驱动下由于斯格明子霍尔效应而沿上边界运动，最终可到达输出端22，输出端22输出“1”，输出端23输出“0”；

当输入端都为“1”时，两个斯格明子同时生成，在运动过程中将发生碰撞，使得一个斯格明子到达输出端22，而另一个则到达输出端23，两个输出端输出“1”；

从结果可以看出，输出端22进行或运算，输出端23进行与运算。

以上内容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 (9)

1.一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，所述逻辑器件为重金属层(1)和铁磁层(2)的双层结构；铁磁层由两条平行纳米线轨道局部相连构成；在两条纳米线轨道的左端各放置一个MTJ(3)作为输入端(8和9)，在其中一条纳米线轨道的右端放置一个MTJ(3)作为输出端(11)；

所述输出端用于检测斯格明子，输出端还包括一个反铁磁层(4)作为输出控制端(5)，所述反铁磁层(4)位于输出端的MTJ(3)上，通过对输出控制端(5)施加正负电压或电流脉冲，实现输出端(11)电位的反转。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，通过对输入端的MTJ(3)垂直方向施加电压或电流脉冲，产生斯格明子。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，在所述重金属层(1)上施加由输入端指向输出端的电流(10)。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，所述两条平行纳米线轨道有一个连接处A，A位于两条平行纳米线轨道的非端点处；且两条平行纳米线轨道的右端各有一个输出端。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，所述两条平行纳米线轨道之间有一个连接处A，A位于一纳米线轨道的右端点和另一纳米线轨道的非端点处，一个输出端位于另一条纳米线轨道的右端，且输出端在铁磁层平面的右下角。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，所述两条平行纳米线轨道之间有一个连接处A，A位于一纳米线轨道的右端点和另一纳米线轨道的非端点处，一个输出端位于另一条纳米线轨道的右端，且输出端在铁磁层平面的右上角。

7.根据权利要求6所述的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，两条平行的纳米线轨道还有一个连接处B，其位置位于两条纳米线轨道的非端点处。

8.根据权利要求7所述的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，在每条纳米线轨道上设置一个传输控制端(6和7)，所述传输控制端位于所述连接处A和B之间，通过对传输控制端施加电压控制斯格明子是否能从加压区域通过。

9.根据权利要求8所述的一种基于磁性斯格明子的可重构逻辑器件，其特征在于，通过对输出控制端(5)、传输控制端(6和7)施加不同状态的电压或电流的组合，实现可重构逻辑器件的与、或、非、与非和或非逻辑功能。

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