CN113205841A - 一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件。该磁存算一体化器件包括磁性单元和微分负电阻元件；磁性单元由垂直各向异性磁性多层膜和4个电极组成，其中磁性多层膜的磁性层被分割为两个磁性比特，且在两个磁性比特所在的位置，非磁层的宽度并不相同；微分负电阻元件一端与磁性单元的左侧或右侧电极相连，另一端直接接地。由于该器件特殊的几何结构，该器件不仅将两个存储比特集成在同一个器件单元上，而且能够实现对两个磁性比特中存储的两位磁化信息的写入与编辑，有助于提高信息存储的密度。同时，该器件能够将存储的信息作为“与”和“与非”两种逻辑门的输入执行布尔逻辑运算。

Description

一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件
技术领域
本发明涉及自旋电子学以及器件技术领域，特别是涉及可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件。
背景技术
由于冯·诺依曼架构本身的限制，电子计算机的发展遇到了存储墙瓶颈。为了解决这一问题，存算融合的计算机新架构成为了研究的热点。而在这一方面，自旋电子学器件凭借着非易失以及较为丰富的输运性能具备一定的优势。其中，利用自旋轨道矩实现电流对于磁信息的写入，在速度和能耗方面均表现出了巨大的潜力。因此，基于自旋轨道矩的磁存储和运算器件有望在存算融合新架构中占据一席之地。
专利号：201610804501.4发明名称：一种可重构的磁逻辑器件及其制备方法，该发明提出了一种包括磁性单元和微分负电导器件的可重构的磁逻辑器件及其制备方法，可以在室温和低磁场下实现基本布尔逻辑运算。该器件虽然已经实现了非易失的逻辑与存储功能，但是作为逻辑输入和存储单元的磁性比特是彼此分开的，不利于提高信息存储的密度。要将多个磁性比特集成在同一器件单元中并同时保证其中存储的信息的正常写入，就需要实现对于其中任一磁性比特磁化方向的自由操纵。
因此希望有一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件能够解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明公开了一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件,所述磁存算一体化器件包括磁性单元和具备微分负电阻效应的元件，具备微分负电阻效应的元件分别连接在磁性单元的两端。
优选地，所述磁性单元包括磁性薄膜和电极，磁性薄膜是具有垂直磁各向异性的磁性多层膜，其中包含磁性层及毗邻的非磁性层。
优选地,所述磁性薄膜是MgO\CoFeB\Ta、AlOx\Co\Pt以及Pt\Ta\Cu\Co\Pt\Ta中的一种。
优选地,所述磁性薄膜的主体部分沿垂直于薄膜膜面方向的投影的几何形状为梯形、曲边梯形、弓形、椭圆弓形中的一种或多种的组合。
优选地,所述磁性薄膜中的磁性层被分割成两个用于数据存储和逻辑输入的磁性比特，当电流同时流过两个磁性比特时，两个磁性比特根据其自身几何形状决定磁化方向翻转所需的电流大小，且磁化翻转的方向取决于电流的方向。
优选地，所述电极包括顶端电极、底端电极、左端电极和右端电极，以上4个电极分别对应连接所述磁性薄膜的上、下、左和右四个方向，所述电极沿垂直于所述磁性薄膜面方向的投影的几何形状为矩形、圆形和梯形中的一种或多种的组合。
优选地,利用已存储的数据进行布尔逻辑运算时，将两对所述具备微分负电阻效应的元件分别与所述磁性单元的左右两组电极和相连，当电流从所述顶端电极流入，分别经所述左端电极和右端电极通过所述具备微分负电阻效应的元件流出时，若所述两个磁性比特的磁化方向作为逻辑输入，则流出的电流大小随着磁性比特磁化方向的变化发生改变，从而实现“与”和“与非”布尔逻辑运算功能。
优选地，所述具备微分负电阻效应的元件的伏安特性曲线中包括斜率为负值的区间。
优选地，所述具备微分负电阻效应的元件为互补的双极性晶体管、金属-绝缘体相变器件和隧道二极管中的一种。
本发明提出了一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，本发明利用器件特殊的几何形状，通过在器件中施加不同大小和方向的电流操纵其中两个磁性比特的磁化方向，从而将两位二进制信息存储在两个磁性比特中。由于这两个磁性比特的反常霍尔效应，流过器件中的电流大小会对两个磁性比特中存储的信息产生响应，将这一磁响应与微分负电阻元件的输运特性相结合，能够将这一磁响应进一步增强，以实现有着较高输出比的布尔逻辑运算。由于该逻辑运算的输入即为器件中存储的信息，因此本发明提出了的磁存算一体化器件实现了数据存储及逻辑运算的结合。
附图说明
图1为实施例1中对磁性单元中两个磁化比特存储的信息进行编辑时的电路图。
图2为实时例1中不同写入电流下两个磁性比特磁化方向的变化情况示意图。
图3为实施例2中利用磁性单元中存储的信息进行逻辑运算的电路图。
图4为实施例2中不同逻辑输入下左侧(“与”)及右侧(“与非”)输出通道中电流的大小随源电流的变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。
实施例1：
如图1所示，磁性单元100包括磁性薄膜部分101和电极部分102。
磁性单元的加工方式为：在热氧化SiO2/Si基底上通过磁控溅射生长MgO/CoFeB/Ta磁性薄膜并真空退火。以此为基础先后进行两步的光刻工艺与反应离子刻蚀，第一步的目的是将退火后的磁性多层膜加工为图1中所示的以等腰梯形为主体的形状。之后的第二步光刻工艺和反应离子刻蚀将中间部分的磁性多层膜刻蚀至非磁的Ta层，从而将磁性层分割为两个磁性比特111和121，最后在器件的四端通过溅射沉积接触良好的电极部分102以便外部连接。
为了对存储在两个磁性比特中的信息进行写入与编辑，需要在器件的左右两点电极之间通入电流，同时施加一个与电流方向平行(或反平行)的恒定面内磁场。由于自旋轨道矩效应，Ta层中的电流能够产生与膜面垂直的自旋流，驱动磁性层中的电子自旋方向发生翻转，从而实现信息的写入。磁化翻转需要Ta层中的电流密度达到一定的阈值，而由于器件各处的宽度并不相同，当电流流过器件时，两个磁性比特中的电流密度并不相同，处于较窄位置的比特P(111)中的电流密度高于处于较宽处的比特Q(121)，因此将先于比特Q发生翻转，利用这一翻转次序，通过在器件左右两电极间施加大小和方向不同的电流，能够分别控制两个比特的磁化方向。如图2所示，通过磁光克尔效应，我们能够直接观察到不同电流下器件两个比特的磁化方向，这证明了我们的器件能够实现将两位数据的存储集成在同一个磁性单元中，有助于提高信息存储密度。
实施例2：
如图3所示，磁存算一体化器件300包括磁性单元部分100、微分负电阻元件部分301以及左右与电流输出通道的电流表302。
磁性单元100中已存储了两位数据作为逻辑运算的输入。
微分负电阻元件部分301包括两个相同的微分负电阻元件，每一个微分负电阻元件由一组互补的PNP和NPN型双极性晶体管组合而成。微分负电阻元件部分301分别与磁性单元部分100的左右两端相连。电流从磁存算一体化器件300的顶端流入磁性单元100中，从左右两端经微分负电阻元件301流出。由于磁性单元100中两个已存储磁化信息的磁性比特的反常霍尔效应，左右两个微分负电阻元件中电流的相对大小取决于这两个磁性比特的磁化状态，即其中存储的数据。当输入电流达到一定值后，由于微分负电阻元件的非线性伏安特性，磁性单元100中磁性比特磁化状态的改变所引起的微分负电阻元件中电流相对大小的变化将被放大，左右两输出端中的电流大小将发生歧化，并由两端中的电流表302进行测量。如图4所示，左右两侧的电流值随源电流增加的变化趋势，当源电流固定在30μA时测得的电流值。对左侧输出端，只有当两个磁性比特的磁化方向均向下时才测得高电流，其他三种情况均测得低电流，若将磁化向下和高电流分别定义为逻辑输入“1”和逻辑输出“1”，反之为逻辑输入“0”和逻辑输出“0”，则左侧输出端中的电流与磁性单元部分100中磁性比特的磁化方向之间的关系符合布尔逻辑“与”；对右侧输出端，只要当任一磁性比特的磁化方向向上时即测得高电流，因此右侧输出端中的电流与磁性单元部分100中磁性比特的磁化方向之间的关系符合布尔逻辑“与非”。
磁存算一体化器件300不仅可将两位二进制数据以磁化的形式存储在磁性单元100的两个磁性比特中，还能够将这两位数据作为布尔逻辑门“与”和“与非”的输入执行逻辑运算。
Figure BDA0003049236750000051
上述实施例达到了如下效果：
1、通过将两个磁性比特集成在同一个呈等腰梯形的非磁性Ta层上，该器件能够利用非磁性层在两个磁性比特处宽度不同的几何特征，使得两个磁性比特由自旋轨道矩驱动的磁化反转具有不同的阈值电流。这一阈值电流的差异使得该器件具备由电流分别自由控制两个磁性比特磁化方向的能力，因此这一器件不仅实现了两个磁性比特的集成，有助于提高信息存储密度，而且确保了存储在其中两个磁性比特中的信息能够被写入及重新编辑。
2.利用存有磁化信息的磁性比特的反常霍尔效应及其与微分负电阻器件非线性输运特性之间的相互耦合，该器件能够将其中存储的数据作为布尔逻辑运算逻辑输入，同时分别执行“与”和“与非”两种逻辑运算，同时具备较高的逻辑输出比。
最后需要指出的是：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)

1.一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于，所述磁存算一体化器件包括磁性单元和具备微分负电阻效应的元件，具备微分负电阻效应的元件分别连接在磁性单元的两端。
2.根据权利要求1所述的可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于：所述磁性单元包括磁性薄膜和电极，磁性薄膜是具有垂直磁各向异性的磁性多层膜，其中包含磁性层及毗邻的非磁性层。
3.根据权利要求2所述的可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于：所述磁性薄膜是MgO\CoFeB\Ta、AlOx\Co\Pt以及Pt\Ta\Cu\Co\Pt\Ta中的一种。
4.根据权利要求2所述的可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于：所述磁性薄膜的主体部分沿垂直于薄膜膜面方向的投影的几何形状为梯形、曲边梯形、弓形、椭圆弓形中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求2所述的可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于：所述磁性薄膜中的磁性层被分割成两个用于数据存储和逻辑输入的磁性比特，当电流同时流过两个磁性比特时，两个磁性比特根据其自身几何形状决定磁化方向翻转所需的电流大小，且磁化翻转的方向取决于电流的方向。
6.根据权利要求2所述的可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于：所述电极包括顶端电极、底端电极、左端电极和右端电极，以上4个电极分别对应连接所述磁性薄膜的上、下、左和右四个方向，所述电极沿垂直于所述磁性薄膜面方向的投影的几何形状为矩形、圆形和梯形中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求6所述的可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于：利用已存储的数据进行布尔逻辑运算时，将两对所述具备微分负电阻效应的元件分别与所述磁性单元的左右两组电极和相连，当电流从所述顶端电极流入，分别经所述左端电极和右端电极通过所述具备微分负电阻效应的元件流出时，若所述两个磁性比特的磁化方向作为逻辑输入，则流出的电流大小随着磁性比特磁化方向的变化发生改变，从而实现“与”和“与非”布尔逻辑运算功能。
8.根据权利要求1所述的可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于：所述具备微分负电阻效应的元件的伏安特性曲线中包括斜率为负值的区间。
9.根据权利要求8所述的可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件，其特征在于：所述具备微分负电阻效应的元件为互补的双极性晶体管、金属-绝缘体相变器件和隧道二极管中的一种。
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