CN110190181B - 一种基于铁磁斯格明子的二极管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于铁磁斯格明子的二极管，包括由铁磁层、用于提供DM相互作用的重金属层、衬底层依次设置构成的铁磁赛道。在所述铁磁赛道的上下两面分别设置有用于改变压控区域的磁晶各向异性大小的金属正电极和金属负电极；在所述金属正电极、金属负电极与铁磁赛道的上下表面之间设置有绝缘电介质层；除此之外，在金属正电极和金属负电极上还设置有能够使从铁磁赛道两端运动的斯格明子产生不同运动情况的势垒区。本发明提供的二极管能耗低、尺寸小、不容易损坏。

Description

一种基于铁磁斯格明子的二极管

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于铁磁斯格明子的二极管。

背景技术

现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料，如硅或锗。二极管的作用主要是通过由P型半导体和N型半导体形成的PN结实现的，P型半导体一般是在纯硅中掺入少许的硼(最外层有3个电子)，因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴(可视为多了1个正电荷)。N型半导体一般在纯硅中掺杂少许的砷或磷(最外层有5个电子)，因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。而在P型半导体和N型半导体的界面处两侧形成空间电荷层，并有自建电场。当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的方向相反,削弱了内电场，使PN结变薄，利于载流子的扩散，形成正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场促进内电场进一步加强，使PN结加宽，形成微弱的反向电流。当外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值,产生大量电子空穴对，形成数值很大的反向击穿电流。

目前现有二极管存在以下缺陷：

1、能耗高；

2、尺寸大，不利于大规模集成电路的小型化；

3、器件容易损坏。

存在以上缺陷的原因为：

1、在P型半导体和N型半导体的界面处存在空间电荷层，并有一定的自建电场。当外界有正向电压时，由于外界电场和自建电场的方向相反,要形成正向电流则正向电压要足够大，这就导致了工作电流较大。

2、二极管的重要组成部分是P型半导体和N型半导体，而P型半导体和N型半导体不能太小，否则形成的PN结作用效果不好。除此之外，有些二极管需要的电流比较大，其体积也会相应增加。有些还需要添加散热片等其他部分，因此二极管的尺寸较大。

3、二极管如果正向电流过大、反向电压过高或限流电阻过小而反向电流过大，产生热量较多，都会导致二极管被烧坏，不能再次使用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种尺寸小、能耗低的基于铁磁斯格明子的二极管。

一种基于铁磁斯格明子的二极管，包括依次由铁磁层、用于提供DM相互作用的重金属层、衬底层构成的铁磁赛道，在所述铁磁赛道的上下两面分别设置有用于改变压控区域的磁晶各向异性大小的金属正电极、金属负电极；

在所述金属正电极、金属负电极与铁磁赛道的上下表面之间分别设置有绝缘电介质层；在所述金属正电极和金属负电极上设置有能够使从铁磁赛道两端运动的斯格明子产生不同运动情况的势垒区。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述势垒区为一个两底角角度不同的梯形结构。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述势垒区的构成材料与其所在的金属正电极或金属负电极一致，且为一体结构。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述势垒区设置在金属正电极和金属负电极沿铁磁赛道长度方向的中间位置。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述所述铁磁层的构成材料为Co。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述金属正电极、金属负电极的构成材料为Cu或Al。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述绝缘电介质层使用陶瓷材料构成。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述重金属层的构成材料为Pt。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述衬底的构成材料为Si。

进一步地，如上所述的基于铁磁斯格明子的二极管，所述铁磁层压控区域的磁晶各向异性系数K_uv与铁磁层非压控区域的磁晶各向异性系数K_u的比值大于1。

有益效果：

1、由于斯格明子的驱动电流较低，因此，本发明基于铁磁斯格明子的二极管能耗低；

2、斯格明子是一种纳米量级的磁化构形，因此，本发明基于铁磁斯格明子的二极管尺寸小，利于大规模集成电路的小型化；

3、斯格明子在电流过大的情况下由于马格努斯力会湮灭，但本发明基于铁磁斯格明子的二极管能再次使用，不容易损坏。

4、斯格明子是一种特殊的磁畴壁结构，由于它特有的优势,越来越多的人认为它有望成为新型的信息存储单元。除此之外，它在逻辑门等自旋电子器件上也有重要应用，其有望在单一磁性芯片的基础上进行统一的数据存储和处理，用于开发复杂的逻辑元件，也可作为连接基于斯格明子的自旋装置的信号控制器。

附图说明

图1为本发明基于铁磁斯格明子的二极管的俯视图；

图2为本发明基于铁磁斯格明子的二极管的左视图；

图3为本发明基于铁磁斯格明子的二极管的立体图；

附图标记：

11-金属正电极，12-绝缘电介质层，13-铁磁层，14-重金属层，15-衬底，16-势垒区，17-金属负电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明提供的基于铁磁斯格明子的二极管，包括由铁磁层13、用于提供DM相互作用的重金属层14、衬底层15依次设置构成的铁磁赛道，在所述铁磁赛道的上表面沿其长度方向的左右两侧分别设置有金属正电极11，在金属正电极11与铁磁赛道的上表面之间设置有绝缘电介质层12；在所述铁磁赛道的下表面沿其长度方向的左右两侧分别设置有金属负电极17，在金属正电极11和与铁磁赛道的下表面之间设置有绝缘电介质层12。铁磁赛道上金属正电极11和金属负电极17之间的区域构成压控区域，剩下的区域构成非压控区域；所述金属正电极11与金属负电极17用于改变压控区域的磁晶各向异性大小；

所述金属正电极11与金属负电极17作为电容器的金属电极，用来改变压控区域的磁晶各向异性的大小，是电压可控磁各向异性门阀，所述重金属层用来提供DM相互作用，有助于斯格明子的稳定。

在所述金属正电极11、金属负电极17与铁磁赛道上的压控区域设置有绝缘电介质层12；在所述金属正电极11或者金属负电极17上设置有能够使从铁磁赛道两端运动的斯格明子产生不同运动情况的势垒区16。

所述铁磁层13的构成材料为Co；所述金属正电极11、金属负电极17由Cu或Al构成。所述绝缘电介质层12使用陶瓷材料构成。所述重金属层14的构成材料为Pt。所述衬底15的构成材料为Si。所述势垒区18的构成材料与其所在的金属正电极或金属负电极一致，且为一体结构。

优选地，所述铁磁层13压控区域的磁晶各向异性系数K_uv与铁磁层13非压控区域的磁晶各向异性系数K_u的比值大于1。

所述势垒区为一个两底角角度不同的梯形结构。

具体的，所述势垒区为底角不相等的一个梯形区域，势垒区是分别给从赛道左右两边出发的斯格明子产生一个不同的势垒。由于梯形区域左边与底边的夹角要小于右边与底边的夹角，因此从左边出发的斯格明子在运动过程中遇到的势垒较小，相较于从右边出发的斯格明子更容易通过，实现二极管的单向导通性。

优选地，所述势垒区16设置在金属正电极11或者金属负电极17沿铁磁赛道长度方向的中间位置。

具体地，该势垒区在金属正电极11的左右距离会影响斯格明子的通过时间，而对通过与否的影响要看这个距离的大小。在一定范围内，直角梯形区域越靠近左边，从左边出发的斯格明子越容易堵塞，而从右边出发的越容易通过。当超过一定范围后，距离就不会影响通过情况。考虑到这些因素，最好将直角梯形区域放在中间位置。

所述势垒区区域的大小受一些因素的影响，例如梯形的左边与底边形成的角度和右边与底边形成的角度之差(一般来说，差值越大，所能选取的梯形区域大小范围越大)，驱动电流密度，材料，外加电压等。

本发明提供的二极管具有的单向性由斯格明子能否成功地运动到赛道的另一端来表示。例如斯格明子能从赛道的左端顺利地运动到右端，但不能从赛道的右端顺利地运动到左端，这就相当于实现了斯格明子的单向导通性。其中，在赛道两边的高磁晶各向异性区域(以下简称高K区域)主要是用来将斯格明子限制在赛道的里面，而赛道中间部分的高K区域是形成一个势垒，让从不同的方向靠近这个区域的斯格明子通过情况不同，即实现斯格明子的单向导通性。

本发明二极管的工作原理：

该设计中，二极管功能的实现主要涉及斯格明子的传输以及磁晶各向异性的变化这两个方面。首先，通过向重金属层注入未被极化的普通电流，由于自旋霍尔效应，在铁磁层会产生垂直自旋极化电流，从而让从二极管左端或右端进入的斯格明子受自旋极化电流提供的自旋转移力矩作用继续运动。其次，磁晶各向异性可以通过压控磁晶各向异性效应来改变。打开所述磁各向异性门阀(即接通与其相连的集成电路)，会改变在铁磁层上下边界以及中间部分压控区域的磁各向异性，形成一个势垒。在运动过程中，由于上下两边的势垒，斯格明子会一直保持在赛道中间区域运动，而中间部分的势垒由于左右两边的坡度不一样导致了斯格明子的通过情况不一致，从而实现了二极管的单向导通的功能。目前，外加电压的方式可以使磁晶各向异性系数增加或减少大约10％。

方法就是用一个左右坡度不一样的梯形高磁晶各向异性区域替代了PN结，用斯格明子替代载流子，实现了二极管所谓的单向导通功能。贡献就是利用斯格明子特有的优势来克服缺陷。

本发明提供的二极管优势：

1、稳定性好；(斯格明子是一种受拓扑保护的自旋结构，具有一定的稳定性)

2、尺寸小，以便设备小型化；(斯格明子是纳米量级的自旋结构，直径一般为5到100nm)

3、低能耗；(斯格明子的去钉扎电流低，该设计中采用的电流量级为10¹⁰A/m²)

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，包括依次由铁磁层(13)、用于提供DM相互作用的重金属层(14)、衬底层(15)构成的铁磁赛道，在所述铁磁赛道的上下两面分别设置有用于改变压控区域的磁晶各向异性大小的金属正电极(11)、金属负电极(17)；

在所述金属正电极(11)、金属负电极(17)与铁磁赛道的上下表面之间设置有绝缘电介质层(12)；在所述金属正电极(11)或者金属负电极(17)上设置有能够使从铁磁赛道两端运动的斯格明子产生不同运动情况的势垒区(16)；

所述势垒区(16)为一个两底角角度不同的梯形结构。

2.根据权利要求1所述的基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，所述势垒区(18)的构成材料与其所在的金属正电极(11)或金属负电极(17)一致，且为一体结构。

3.根据权利要求1所述的基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，所述势垒区(16)设置在金属正电极(11)和金属负电极(17)沿铁磁赛道长度方向的中间位置。

4.根据权利要求1所述的基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，所述所述铁磁层(13)的构成材料为Co。

5.根据权利要求1所述的基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，所述金属正电极(11)、金属负电极(17)的构成材料为Cu或Al。

6.根据权利要求1所述的基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，所述绝缘电介质层(12)使用陶瓷材料构成。

7.根据权利要求1所述的基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，所述重金属层(14)的构成材料为Pt。

8.根据权利要求1所述的基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，所述衬底(15)的构成材料为Si。

9.根据权利要求1所述的基于铁磁斯格明子的二极管，其特征在于，所述铁磁层(13)压控区域的磁晶各向异性系数K_uv与铁磁层(13)非压控区域的磁晶各向异性系数K_u的比值大于1。

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