CN113838969B - 逻辑器件、方法、磁存储器及计算机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种逻辑器件、方法、磁存储器及计算机设备，引入了垂直磁各向异性的铁磁体，和面内磁各向异性的铁磁相比，垂直磁各向异性铁磁的热稳定性更强，利于器件的缩小，增大器件密度；同时铁磁整体和磁电材料相接触，因此可以保证铁磁磁矩的整体一致翻转，减少逻辑错误和降低翻转延迟；进一步的本发明的器件结构更简单，其读取单元仅由垂直磁各向异性的铁磁构成，无需借助高自旋轨道耦合材料，有助于增大器件的密度、降低工艺难度和节省器件的制造成本。

Description

逻辑器件、方法、磁存储器及计算机设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种逻辑器件、方法、磁存储器及计算机设备。
背景技术
由于晶体管的尺寸已经逼近物理极限，量子隧穿效应引起的高功耗和低可靠性正在限制着器件的进一步缩小，过去行之有效的摩尔定律也渐渐地不适用于如今半导体产业的发展。在这样的背景之下，以电子的内禀自旋代替电荷作为信息载体的自旋电子器件有望代替传统的CMOS器件延续摩尔定律。对自旋电子器件而言，对磁体磁化方向的操纵以及磁体磁化状态的探测是其实现逻辑操作的关键。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于数据读写的逻辑器件；本发明的另一个目的在于提供一种数据读取和写入的方法；本发明的再一个目的在于提供一种磁存储器；本发明的再一个目的在于提供一种计算机设备。
为了达到以上目的，本发明一种用于数据读写的逻辑器件，包括：
耦合层，所述耦合层包括导体、位于每段导体之间的铁磁块，其中所述铁磁块具有垂直磁各向异性，所述铁磁块和所述导体之间是绝缘的；
磁电层，设于所述耦合层上并覆盖其中一个所述铁磁块，
电极层，设于所述磁电层远离所述耦合层的一侧表面；其中，所述电极层耦接第一电极，所述铁磁块沿垂直于所述耦合层的配置方向进行延伸的两端耦接第二电极和第三电极。
在优选的实施例中，还包括：
绝缘块，位于所述铁磁块和所述导体之间。
在优选的实施例中，所述第二电极和所述第三电极之间设有二极管，所述二极管的正极朝向靠近所述第二电极。
在优选的实施例中，所述第一电极和所述第二电极为低压电极，所述第三电极为一高压电极。
在优选的实施例中，所述低压电极为地极。
在优选的实施例中，所述磁电层多铁材料、磁致伸缩材料、电控交换偏置的磁电材料以及压电材料中的一种或多种。
本发明另一方面提供一种利用上述的逻辑器件进行数据写入的方法，包括：
获取待写入数据；
根据所述待写入数据中每个比特位的数据值依次对对应数量的逻辑器件中的导体接入高电平或低电平电压；其中形成的输入电流的方向与所述耦合层的配置方向平行。
本发明再一方面提供一种利用上述的逻辑器件进行数据读取方法，包括：
向第一至第三电极接入对应的设定电压；
通过检测所述导体中电流的方向确定当前逻辑器件存储的数据值。
本发明再一方面提供一种磁存储器，包括阵列排布的多个如上所述的逻辑器件。
本发明再一方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
所述处理器和/或所述存储器包括如上所述的逻辑器件。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的一种逻辑器件、方法、磁存储器及计算机设备，引入了垂直磁各向异性的铁磁体，和面内磁各向异性的铁磁相比，垂直磁各向异性铁磁的热稳定性更强，利于器件的缩小，增大器件密度；同时铁磁整体和磁电材料相接触，因此可以保证铁磁磁矩的整体一致翻转，减少逻辑错误和降低翻转延迟；进一步的本发明的器件结构更简单，其读取单元仅由垂直磁各向异性的铁磁构成，无需借助高自旋轨道耦合材料，有助于增大器件的密度、降低工艺难度和节省器件的制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1中的(a)是BiFeO3内部相互耦合的电极化P、反铁磁序L以及倾斜磁矩Mc在电场的作用下分两步实现180°翻转的示意图；
图1中的(b)是在来源于交换耦合场的反铁磁矩和交换偏置场的倾斜力矩/>的作用下，铁磁的磁矩实现了180°翻转。
图2中的(a)至图2中的(c)是磁旋逻辑器件的结构示意图，其中图2中的(a)是磁旋逻辑器件的级联示意图；图2中的(b)是磁旋逻辑器件的读取单元；图2中的(c)是磁旋逻辑器件的写入单元。
图3中的(a)至图3中的(c)是具有垂直磁各向异性的磁旋器件的结构示意图，其中图3中的(a)是具有垂直磁各向异性的磁旋器件的级联示意图；图3中的(b)是具有垂直磁各向异性的磁旋器件的写入单元；图3中的(c)是具有垂直磁各向异性的磁旋器件的读取单元；图3中的(d)示出了本发明逻辑器件的结构图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
根据本发明的一个方面，本实施例公开了用于数据读写的逻辑器件，如图3(a) 至图3中的(c)所示，包括：耦合层，所述耦合层包括导体、位于每段导体之间的铁磁块，其中所述铁磁块具有垂直磁各向异性，所述铁磁块和所述导体之间是绝缘的；磁电层，设于所述耦合层上并覆盖其中一个所述铁磁块，电极层，设于所述磁电层远离所述耦合层的一侧表面；其中，所述电极层耦接第一电极，所述铁磁块沿垂直于所述耦合层的配置方向进行延伸的两端耦接第二电极和第三电极。
本发明提供的用于数据读写的逻辑器件，引入了垂直磁各向异性的铁磁体，和面内磁各向异性的铁磁相比，垂直磁各向异性铁磁的热稳定性更强，利于器件的缩小，增大器件密度；同时铁磁整体和磁电材料相接触，因此可以保证铁磁磁矩的整体一致翻转，减少逻辑错误和降低翻转延迟；进一步的本发明的器件结构更简单，其读取单元仅由垂直磁各向异性的铁磁构成，无需借助高自旋轨道耦合材料，有助于增大器件的密度、降低工艺难度和节省器件的制造成本。
本发明的核心构思在于基于磁电效应和反常霍尔效应提出了一个全新的自旋逻辑器件-具有垂直磁各向异性的磁旋器件。该器件主要可复用为两个功能：基于磁电耦合效应的信息写入和基于反常霍尔效应的信息读取。
具体的，自旋转移矩(Spin transfer torque，STT)和自旋轨道矩(Spin-orbittorque， SOT)是目前研究最为广泛和深入的两种控制磁体磁化状态的方式。受限于电荷-自旋的转换效率，利用这两种方法操控磁矩依旧会产生大量的焦耳热。磁电效应是另外一种操控磁矩的方式，这种方法是利用电场而不是电流来控制磁矩，因此不会产生大量焦耳热。利用磁电效应操纵磁矩的机制有四种，分别是基于电荷调制的磁电翻转、基于界面氧化程度调制的磁电翻转、基于应变调制的磁电翻转、基于交换耦合调制的磁电翻转。在这四种磁电翻转机制中，只有第四种机制在实验上实现了室温下磁矩的 180°翻转。基于交换耦合调制的磁电翻转的机制如下：以多铁材料BiFeO3为例， BiFeO3内部同时存在着铁电序P、反铁磁序L以及倾斜磁矩Mc，三者相互耦合。当铁电序在电场的作用下分两步发生180°翻转时，反铁磁序和倾斜磁矩也会随之翻转，如图1中的(a)所示。在交换作用下，反铁磁序、倾斜磁矩会和相邻铁磁层的磁矩耦合，从而产生交换耦合场和交换偏置场/>当反铁磁序和倾斜磁矩发生翻转时，来源于/>和/>的反铁磁矩/>和交换偏置矩/>会驱动铁磁磁矩180°翻转，如图1中的(b)所示。2014年，R.Ramesh等[1]人通过在BiFeO3两端施加电场，在室温下成功实现了铁磁磁矩的确定性转换。他们施加6V的电压于100nm的BFO两端并用X射线磁圆二色性光电子显微镜(X-ray Magnetic Circular Dichroism PhotoemissionElectron Microscopy，XMCD-PEEM)观察到了净磁矩的180°翻转。
可以理解，图1中的符号标识：P：电极化、L：反铁磁序、Mc：倾斜磁矩、m：铁磁的磁矩、交换偏置场、/>交换耦合场、/>反铁磁矩、/>交换偏置矩。
目前对磁体磁态的探测主要依靠磁电阻效应，包括各向异性磁电阻、巨磁电阻、庞磁电阻以及隧穿磁电阻。磁电阻对磁体的磁化状态十分敏感，以隧穿磁电阻为例，其值可达1000％以上。然而随着器件的减小，器件阻值会逐渐增大，从而产生大量的焦耳热。更重要的是利用磁电阻效应不能产生可直接驱动下一级电路的电压或电流。与通过探测电阻值的大小来确定磁化状态的磁电阻效应不同，自旋-电荷转换效应和反常霍尔效应依靠电压或电流的方向来判定磁体的磁化状态。自旋-电荷转换效应的机制：当极化电流注入高自旋轨道耦合材料时，在自旋轨道耦合的作用下，极化的自旋流会转化为电荷流，电荷流的方向与电子的极化方向有关，其中自旋流的方向、电子的极化方向以及电流方向相互正交。反常霍尔效应的机制：沿具有垂直磁各向异性磁体的纵向通电流，会在磁体的横向探测到电压，这是因为在自旋轨道耦合的作用下，极化的电子会向磁体的横向偏移，电子的偏移方向和磁体的磁化方向有关。因此，可以利用这两种机制来探测磁体的磁态并驱动下级电路，从而实现逻辑操作。
2019年英特尔在《Nature》杂志上提出了由其最新设计的磁电-自旋轨道(Magnetoelectric Spin-orbit，MESO)器件，并在世界顶级会议IEDM上展示了磁旋器件的原型[2-3]。与CMOS器件相比，该器件的操作电压可降至100mV，功耗降低10-30 倍，逻辑密度提高5倍，同时该器件具有的非易失性赋予其超低的待机功耗，因此磁旋器件有望替代CMOS延续摩尔定律。磁旋器件主要由两部分组成：基于磁电耦合效应的信息写入单元和基于自旋-电荷转化效应的信息读取单元。其中信息写入单元由多铁材料(ME)和纳米磁体(FM)构成。当输入电流Ic(input)在ME两端所产生的电场使得ME内部的铁电序180°翻转时，ME内部的反铁磁序和倾斜磁矩也会随之实现180°的翻转，与此同时相邻FM的磁化方向也会在交换耦合场HEC和交换偏置场 HEB的作用下完成180°翻转，从而实现电流方向到磁化方向的转换，完成信息的写入。信息读取单元(如图2中的(c)所示)由高自旋轨道耦合材料(SOC)、自旋注入层(SIL) 与纳米磁体构成。在纳米磁体中通入电流，电荷流会被纳米磁体转化为自旋方向沿纳米磁体磁化方向的自旋流。当自旋流被注入到高自旋轨道耦合材料当中时，由于自旋-电荷转换效应，自旋流将转换成与电子自旋方向和自旋流方向都垂直的电荷流 Ic(Output)，从而实现磁化方向到电荷流的转换，完成信息的读取并作为为下一级磁旋器件的输入(如图2中的(b)所示)。
可以看出，上述磁旋器件具有如下缺点：
(1)磁旋器件的纳米磁体是面内磁各向异性的，相对于垂直磁各向异性的磁体来说，面内磁各向异性磁体的热稳定性较差，不利于器件的缩小。
(2)磁旋器件的ME部分只和器件写入单元的纳米磁体直接接触，所以不能完全保证读取单元的纳米磁体的磁矩也能实现180°翻转。一旦读取单元的纳米磁体的磁矩不能翻转，该器件便会出现逻辑错误。
(3)即使磁旋器件中FM的所有磁矩最终均能实现翻转，读取单元的纳米磁体的磁矩翻转必然滞后于写入单元，这会增大器件的延迟。
(4)磁旋器件中自旋-电荷的相互转化需要借助SOC来完成，这增加了器件结构的复杂性。
铁磁体应当选择具有良好垂直磁各向异性、较大的反常霍尔电阻率、低矫顽场的材料。可选择的材料有铁磁(包括但不限于Fe，Co，Ni)，亚铁磁(包括但不限于CoTb，GdFeCo，CoGd)，赫斯勒合金(包括但不限于Co2MnSi，Co2FeSi，Co2MnGa，Mn3Ga)，磁性拓扑绝缘体(包括但不限于(Bi，Sb)2Te3，HgCr2Se4，MnBi2Te4)。
进一步的，所述磁电层多铁材料、磁致伸缩材料、电控交换偏置的磁电材料以及压电材料中的一种或多种。
具体的，磁电层的材料选择有很多，例如多铁材料(包括但不限于BiFeO3，LabIfEo3，TbMnO3，LuFeO3/LuFe2O4)，磁致伸缩材料(包括但不限于Fe3Ga，TbxDy1-xFe2，FeRh)，电控交换偏置的磁电材料层(包括但不限于Cr2O3，Fe2TeO6)，压电材料 (包括但不限于PMN-PT，BaTiO3)等具有磁电耦合的材料。
在一些优选的实施例中，还包括：绝缘块，位于所述铁磁块和所述导体之间。
进一步的，所述第二电极和所述第三电极之间设有二极管，所述二极管的正极朝向靠近所述第二电极。
在一些优选的实施例中，所述第一电极和所述第二电极为低压电极，所述第三电极为一高压电极。
进一步的，所述低压电极为地极。
下面对本发明的原理和判断过程进行详细说明，本发明在具体实施时，如图3(b)所示，输入电流会在ME两端产生一个电场，在电场的作用下ME内部的铁电序会 180°翻转，ME内部和铁电序耦合的反铁磁序以及倾斜磁矩也会随之180°翻转。由于交换作用，铁磁和磁电材料之间存在交换耦合场和交换偏置场。BiFeO3和铁磁之间的交换偏置场拥有垂直分量，因此当倾斜磁矩翻转时，垂直磁各向异性铁磁的磁矩在交换偏置场的作用下也会180°翻转，从而实现电流方向到磁化方向的转换，完成信息的写入。信息输出单元(如图3中的(c)所示)仅由垂直磁各向异性的铁磁构成。沿铁磁的纵向通工作电流，由于反常霍尔效应，电子会向铁磁的横向偏移，形成横向的电流，铁磁的磁化方向决定电流的方向，从而实现磁化方向到电流方向的转换，完成信息的读取并驱动下一级电路。本发明的单个器件是一个反相器并且可级联，如图 3中的(d)所示，当第一个器件的输入电流沿+y方向时表示写入数据“1”，磁体的磁化方向沿-z方向，则输出电流沿-y方向，表示读出数据“0”。第一个器件的输出电流又可以作为第二个器件的输入电流，则第二个器件磁体的磁化方向沿-z方向，输出电流方向沿+y方向，输出为数据为“1”。
可以理解，本发明提供的一种逻辑器件，引入了垂直磁各向异性的铁磁体，和面内磁各向异性的铁磁相比，垂直磁各向异性铁磁的热稳定性更强，利于器件的缩小，增大器件密度；同时铁磁整体和磁电材料相接触，因此可以保证铁磁磁矩的整体一致翻转，减少逻辑错误和降低翻转延迟；进一步的本发明的器件结构更简单，其读取单元仅由垂直磁各向异性的铁磁构成，无需借助高自旋轨道耦合材料，有助于增大器件的密度、降低工艺难度和节省器件的制造成本。
进一步的，本发明另一方面提供一种利用上述的逻辑器件进行数据写入的方法，包括：
获取待写入数据；
根据所述待写入数据中每个比特位的数据值依次对对应数量的逻辑器件中的导体接入高电平或低电平电压；其中形成的输入电流的方向与所述耦合层的配置方向平行。
可以理解，本发明提供的一种数据写入方法，引入了垂直磁各向异性的铁磁体，和面内磁各向异性的铁磁相比，垂直磁各向异性铁磁的热稳定性更强，利于器件的缩小，增大器件密度；同时铁磁整体和磁电材料相接触，因此可以保证铁磁磁矩的整体一致翻转，减少逻辑错误和降低翻转延迟；进一步的本发明的器件结构更简单，其读取单元仅由垂直磁各向异性的铁磁构成，无需借助高自旋轨道耦合材料，有助于增大器件的密度、降低工艺难度和节省器件的制造成本。
本发明再一方面提供一种利用上述的逻辑器件进行数据读取方法，包括：
向第一至第三电极接入对应的设定电压；
通过检测所述导体中电流的方向确定当前逻辑器件存储的数据值。
可以理解，本发明提供的一种数据读取方法，引入了垂直磁各向异性的铁磁体，和面内磁各向异性的铁磁相比，垂直磁各向异性铁磁的热稳定性更强，利于器件的缩小，增大器件密度；同时铁磁整体和磁电材料相接触，因此可以保证铁磁磁矩的整体一致翻转，减少逻辑错误和降低翻转延迟；进一步的本发明的器件结构更简单，其读取单元仅由垂直磁各向异性的铁磁构成，无需借助高自旋轨道耦合材料，有助于增大器件的密度、降低工艺难度和节省器件的制造成本。
本发明再一方面提供一种磁存储器，包括阵列排布的多个如上所述的逻辑器件。
可以理解，本发明提供的一种磁存储器，引入了垂直磁各向异性的铁磁体，和面内磁各向异性的铁磁相比，垂直磁各向异性铁磁的热稳定性更强，利于器件的缩小，增大器件密度；同时铁磁整体和磁电材料相接触，因此可以保证铁磁磁矩的整体一致翻转，减少逻辑错误和降低翻转延迟；进一步的本发明的器件结构更简单，其读取单元仅由垂直磁各向异性的铁磁构成，无需借助高自旋轨道耦合材料，有助于增大器件的密度、降低工艺难度和节省器件的制造成本。
本发明再一方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
所述处理器和/或所述存储器包括如上所述的逻辑器件。
可以理解，本发明提供的一种计算机设备，引入了垂直磁各向异性的铁磁体，和面内磁各向异性的铁磁相比，垂直磁各向异性铁磁的热稳定性更强，利于器件的缩小，增大器件密度；同时铁磁整体和磁电材料相接触，因此可以保证铁磁磁矩的整体一致翻转，减少逻辑错误和降低翻转延迟；进一步的本发明的器件结构更简单，其读取单元仅由垂直磁各向异性的铁磁构成，无需借助高自旋轨道耦合材料，有助于增大器件的密度、降低工艺难度和节省器件的制造成本。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于数据读写的逻辑器件，其特征在于，包括：
耦合层，所述耦合层包括导体、位于每段导体之间的铁磁块，其中所述铁磁块具有垂直磁各向异性，所述铁磁块和所述导体之间是绝缘的；
磁电层，设于所述耦合层上并覆盖其中一个所述铁磁块，
电极层，设于所述磁电层远离所述耦合层的一侧表面；其中，所述电极层耦接第一电极，所述铁磁块沿垂直于所述耦合层的配置方向进行延伸的两端耦接第二电极和第三电极。
2.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，还包括：
绝缘块，位于所述铁磁块和所述导体之间。
3.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，所述第二电极和所述第三电极之间设有二极管，所述二极管的正极朝向靠近所述第二电极。
4.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为低压电极，所述第三电极为一高压电极。
5.根据权利要求4所述的逻辑器件，其特征在于，所述低压电极为地极。
6.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，所述磁电层多铁材料、磁致伸缩材料、电控交换偏置的磁电材料以及压电材料中的一种或多种。
7.一种利用如权利要求1-6任一项所述的逻辑器件进行数据写入的方法，其特征在于，包括：
获取待写入数据；
根据所述待写入数据中每个比特位的数据值依次对对应数量的逻辑器件中的导体接入高电平或低电平电压；其中形成的输入电流的方向与所述耦合层的配置方向平行。
8.一种利用如权利要求1-6任一项所述的逻辑器件进行数据读取方法，其特征在于，包括：
向第一至第三电极接入对应的设定电压；
通过检测所述导体中电流的方向确定当前逻辑器件存储的数据值。
9.一种磁存储器，其特征在于，包括阵列排布的多个如权利要求1-6任一项所述的逻辑器件。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
所述处理器和/或所述存储器包括如权利要求1-6任一项所述的逻辑器件。
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Skyrmion-Based Ultra-Low Power Electric-Field-Controlled Reconfigurable (SUPER) Logic Gate;Zhizhong Zhang 等;IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS;第40卷(第12期);第1984-1987页 *

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