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自旋邏輯器件和包括其的電子設(shè)備的制造方法

文檔序號(hào):9752850閱讀:450來源:國(guó)知局
自旋邏輯器件和包括其的電子設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及自旋電子學(xué),更特別地,涉及一種自旋邏輯器件以及包括該自 旋邏輯器件的電子設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用磁性材料的電子自旋特性來設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯器件稱為自旋邏輯器件或磁邏 輯器件。與普通的半導(dǎo)體邏輯器件相比,這種基于自旋相關(guān)輸運(yùn)特性的可重配置的邏輯器 件具有高操作頻率、無限重配次數(shù)、邏輯信息的非易失性、防輻射、與磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM)兼容等優(yōu)點(diǎn),因此被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體邏輯器件的下一代邏輯器件的有力候選 者。
[0003] 圖1示出一種現(xiàn)有技術(shù)的自旋邏輯器件100,其核心單元為磁性隧道結(jié)MTJ,其包括 兩個(gè)鐵磁層FM1和FM2以及位于二者之間的絕緣勢(shì)皇層I。磁性隧道結(jié)MTJ上方有三條輸入線 A、B和C,并且在磁性隧道結(jié)MTJ的上下兩側(cè)有兩條輸出線Out。磁性隧道結(jié)MTJ的兩個(gè)鐵磁層 FM1和FM2具有不同的矯頑力。三條輸入線A、B和C上的輸入電流的大小相等。當(dāng)僅一條輸入 線例如輸入線A上通電流時(shí),鐵磁層FM1和FM2的磁化方向都不發(fā)生改變;當(dāng)兩條輸入線例如 輸入線A和B上同時(shí)通過相同方向的電流時(shí),僅具有較小矯頑力的鐵磁層例如鐵磁層FM2的 磁化方向可發(fā)生翻轉(zhuǎn);當(dāng)三條輸入線A、B和C上均通過相同方向的電流時(shí),兩個(gè)鐵磁層FM1和 FM2的磁化方向均發(fā)生翻轉(zhuǎn)。從而,MTJ可配置為4種不同的初始狀態(tài),其中兩種平行態(tài),兩種 反平行態(tài)。當(dāng)處于平行態(tài)時(shí),磁性隧道結(jié)MTJ的電阻較低;當(dāng)處于反平行態(tài)時(shí),磁性隧道結(jié) MTJ的電阻較高。這樣,可以得到多種不同的邏輯狀態(tài)。磁邏輯器件的操作一般包括兩個(gè)步 驟。第一步為設(shè)置步驟,即通過在輸入線上施加電流來使磁性隧道結(jié)MTJ處于預(yù)定的初始狀 態(tài);第二步為邏輯操作步驟,即在兩條或三條輸入線上施加輸入電流,在兩條輸出線上施加 輸出電流以讀取MTJ的電阻(或電壓、電流),來進(jìn)行邏輯操作。
[0004]上述現(xiàn)有技術(shù)的自旋邏輯器件存在若干缺點(diǎn)。第一,其包含過多的布線,結(jié)構(gòu)非常 復(fù)雜,不便于制造。第二,由于其完全依賴電流產(chǎn)生的奧斯特磁場(chǎng)來翻轉(zhuǎn)鐵磁層的磁化方 向,為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的奧斯特磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn),需要施加很大的電流,因此導(dǎo)致邏輯器件的 能耗很高。上述缺陷限制了現(xiàn)有技術(shù)的自旋邏輯器件的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種自旋邏輯器件,其能夠克服現(xiàn)有技術(shù)自旋邏輯器 件中的上述以及其他缺陷中的一個(gè)或多個(gè)。
[0006] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種自旋邏輯器件,包括:自旋霍爾效應(yīng)SHE層,其由具 有自旋霍爾效應(yīng)的導(dǎo)電材料制成,并且用于接收沿第一方向的第一輸入電流和第二輸入電 流;位于所述SHE層上的磁性隧道結(jié),所述磁性隧道結(jié)具有自由磁層、參考磁層以及位于二 者之間的勢(shì)皇層,其中所述自由磁層直接接觸所述SHE層;以及在所述磁性隧道結(jié)上方沿第 二方向延伸并且電連接到所述磁性隧道結(jié)的電流布線,所述第二方向與所述第一方向交 叉,所述電流布線用于接收第三輸入電流以在所述磁性隧道結(jié)處生成磁場(chǎng)。
[0007] 在一些示例中,所述第二方向垂直于所述第一方向。
[0008] 在一些示例中,所述自由磁層和所述參考磁層都具有垂直磁化。
[0009] 在一些示例中,所述第一輸入電流和所述第二輸入電流是在所述SHE層的面內(nèi)流 動(dòng)的面內(nèi)電流,并且所述第一輸入電流和所述第二輸入電流與所述第三輸入電流產(chǎn)生的磁 場(chǎng)共同作用以設(shè)置所述磁性隧道結(jié)的磁化狀態(tài)。所述SHE層和所述電流布線還用于施加流 過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流以讀取所述磁性隧道結(jié)的磁化狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)邏輯操作。 [0010]在一些示例中,所述SHE層由選自包括以下材料的組的材料形成:Pt、Au、Ta、Pd、 Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、Bi2Se3、Bi2Te3、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er^PTm,W& 它們的任意組合。
[0011] 在一些示例中,所述自旋邏輯器件能通過設(shè)置所述第一輸入電流、所述第二輸入 電流以及所述第三輸入電流的大小和方向而配置為邏輯與門、邏輯或門、邏輯非門、邏輯與 非門和邏輯或非門。
[0012] 本發(fā)明的另一些實(shí)施例提供一種自旋邏輯器件,包括:自旋霍爾效應(yīng)SHE偏置層, 其由具有自旋霍爾效應(yīng)并且能提供磁偏置的導(dǎo)電材料制成,并且用于接收沿第一方向的第 一輸入電流和第二輸入電流;位于所述SHE偏置層上的磁性隧道結(jié),所述磁性隧道結(jié)具有自 由磁層、參考磁層以及位于二者之間的勢(shì)皇層,其中所述自由磁層直接接觸所述SHE偏置 層;以及連接到所述磁性隧道結(jié)的與所述SHE偏置層相反的一側(cè)的讀取布線,用于施加流經(jīng) 所述磁性隧道結(jié)的讀取電流,其中,所述SHE偏置層向所述自由磁層施加沿所述第一方向的 偏置磁場(chǎng)。
[0013] 在一些示例中,所述SHE偏置層由IrMn、PtMn或AuMn制成。
[0014] 在一些示例中,所述自旋邏輯器件能通過設(shè)置所述第一輸入電流和所述第二輸入 電流的大小和方向而配置成與門、或門和或非門之一,或者能配置成非門和與非門。
[0015] 本發(fā)明的另一些實(shí)施例提供一種自旋邏輯器件,包括:自旋霍爾效應(yīng)SHE層,其由 具有自旋霍爾效應(yīng)的導(dǎo)電材料制成,并且用于接收沿第一方向的第一輸入電流和沿第二方 向的第二輸入電流,所述第一方向與所述第二方向交叉;位于所述SHE層上的磁性隧道結(jié), 所述磁性隧道結(jié)具有自由磁層、參考磁層以及位于二者之間的勢(shì)皇層,其中所述自由磁層 直接接觸所述SHE層;以及在所述磁性隧道結(jié)上方沿第三方向延伸并且電連接到所述磁性 隧道結(jié)的電流布線,所述第三方向與所述第一方向和所述第二方向的合成方向垂直,所述 電流布線用于接收第三輸入電流以在所述磁性隧道結(jié)處生成磁場(chǎng)。
[0016] 在一些示例中,所述第一方向與所述第二方向垂直
[0017]在一些示例中,所述第一輸入電流和所述第二輸入電流是在所述SHE層的面內(nèi)流 動(dòng)的面內(nèi)電流,并且所述第一輸入電流和所述第二輸入電流與所述第三輸入電流產(chǎn)生的磁 場(chǎng)共同作用以設(shè)置所述磁性隧道結(jié)的磁化狀態(tài)。所述SHE層和所述電流布線還用于施加流 過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流以讀取所述磁性隧道結(jié)的磁化狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)邏輯操作。
[0018] 在一些示例中,所述自旋邏輯器件能通過設(shè)置所述第一輸入電流、所述第二輸入 電流以及所述第三輸入電流的方向而配置為邏輯與門、邏輯或門、邏輯非門、邏輯與非門和 邏輯或非門。
[0019] 本發(fā)明的另一些實(shí)施例提供一種自旋邏輯器件,包括:自旋霍爾效應(yīng)SHE偏置層, 其由具有自旋霍爾效應(yīng)并且能提供磁偏置的導(dǎo)電材料制成,并且用于接收沿第一方向的第 一輸入電流和沿第二方向的第二輸入電流,所述第一方向與所述第二方向交叉;位于所述 SHE偏置層上的磁性隧道結(jié),所述磁性隧道結(jié)具有自由磁層、參考磁層以及位于二者之間的 勢(shì)皇層,其中所述自由磁層直接接觸所述SHE偏置層;以及連接到所述磁性隧道結(jié)的與所述 SHE偏置層相反的一側(cè)的讀取布線,用于施加流經(jīng)所述磁性隧道結(jié)的讀取電流,其中,所述 SHE偏置層向所述自由磁層施加沿第三方向的偏置磁場(chǎng),所述第三方向在所述第一方向和 所述第二方向的合成方向上。
[0020] 在一些示例中,所述SHE偏置層由IrMn、PtMn或AuMn制成。
[0021] 在一些示例中,所述自旋邏輯器件能通過設(shè)置所述第一輸入電流和所述第二輸入 電流的方向而配置為邏輯與門和邏輯或門,或者配置為邏輯非門、邏輯與非門和邏輯或非 門。
[0022] 本發(fā)明的另一些實(shí)施例提供一種電子設(shè)備,其包括上述自旋邏輯器件中的任意一 種。
[0023] 在一些示例中,所述電子設(shè)備是手機(jī)、膝上計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、媒體 播放器、個(gè)人數(shù)字助理、以及穿戴式電子設(shè)備中的一種。
【附圖說明】
[0024] 圖1示出一種現(xiàn)有技術(shù)的自旋邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的自旋邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3A、3B、3C、3D和3E示出圖2的自旋邏輯器件的各種邏輯操作的信號(hào)曲線圖。
[0027] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施
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