一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，其特征在于：包括柵電壓結(jié)構(gòu)、自旋溝道及基底；其中，柵電壓結(jié)構(gòu)包括柵電極和絕緣層材料兩個(gè)部分；柵電壓結(jié)構(gòu)具體為三類電壓控制結(jié)構(gòu)：頂柵電壓控制、背柵電壓控制和雙柵電壓控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)控純自旋流的分配，有以下優(yōu)勢(shì)：通過(guò)電壓調(diào)控，代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁場(chǎng)改變自旋信號(hào)中產(chǎn)生的能量損耗，降低器件的功耗；通過(guò)調(diào)控電壓大小，實(shí)現(xiàn)不同溝道自旋電阻的大小改變，控制純自旋流的分配，實(shí)現(xiàn)多路分接器的可重構(gòu)性；作為可重構(gòu)邏輯電路的基本單元，簡(jiǎn)化自旋邏輯電路的設(shè)計(jì)，提高了電路集成度，便于工藝與制作加工；除了純自旋流邏輯電路，本發(fā)明還可用于自旋流調(diào)制器等新型自旋邏輯應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電壓調(diào)控純自旋流多路分路器，用于實(shí)現(xiàn)自旋邏輯電路中純自旋流的可重構(gòu)分配，屬于自旋邏輯器件技術(shù)領(lǐng)域。
【【背景技術(shù)】】
[0002]傳統(tǒng)自旋電子學(xué)器件通過(guò)控制磁性材料的磁化方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)信息的存儲(chǔ)，以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)衍生出自旋閥和磁隧道結(jié)等集成電子器件，被廣泛應(yīng)用于磁性非易失性存儲(chǔ)器、高精度傳感器和生物感知檢測(cè)等領(lǐng)域，帶來(lái)了巨大的科技和產(chǎn)業(yè)革新。盡管傳統(tǒng)的自旋電子器件可以使存儲(chǔ)數(shù)據(jù)掉電不揮發(fā)，從而克服當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)的靜態(tài)功耗問(wèn)題，但是數(shù)據(jù)在傳輸和邏輯計(jì)算中需要在電狀態(tài)和磁狀態(tài)之間的頻繁轉(zhuǎn)換，無(wú)法解決大數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)功耗?；诩冏孕鞯淖孕壿嬈骷?，利用純自旋流進(jìn)行信息的傳輸與邏輯運(yùn)算，可有效解決器件動(dòng)態(tài)功耗問(wèn)題，推動(dòng)基于低功耗自旋邏輯器件大規(guī)模集成電路及計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展。
[0003]純自旋流的一個(gè)基本器件結(jié)構(gòu)是橫向自旋閥，它的結(jié)構(gòu)包括自旋注入電極/自旋溝道/自旋檢測(cè)電極。自旋注入電極主要由包覆層、鐵磁層和隧穿層構(gòu)成:鐵磁層用于產(chǎn)生特定的自旋極化方向，常用的鐵磁層包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)等鐵磁金屬及其合金;包覆層用于防止鐵磁層的氧化，常用的材料有金(Au)、鉑(Pt)等;隧穿層則可以減少鐵磁電極直接接觸引起的自旋溝道中自旋極化電子的弛豫，提高自旋注入效率，常用的隧穿層包括氧化鎂(MgO)，氧化鋁(Al2O3)等。自旋溝道是自旋傳輸擴(kuò)散的通道，目前常用的材料主要分成兩類，一類是金屬材料(比如銅、銀、鋁等)，一類是半導(dǎo)體材料(硅、碳納米管、石墨烯等)。自旋溝道材料需要具有弱的自旋軌道相互作用和自旋散射機(jī)制，從而具有較長(zhǎng)長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間和自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，能夠長(zhǎng)距離自旋傳輸，實(shí)現(xiàn)更廣泛的自旋邏輯操作。進(jìn)一步地，借助自旋轉(zhuǎn)移矩等自旋相互作用機(jī)制以及不同極化方向的純自旋流的疊加，在可以利用純自旋流實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，制得自旋邏輯器件。通過(guò)基于疊加原理的擇多邏輯(正交極化方向純自旋流疊加后，自旋流消失)，利用自旋邏輯電路的基本結(jié)構(gòu)單元一一多路選擇器，可實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)自旋與/或邏輯門，完成多個(gè)輸入端到單個(gè)輸出端的邏輯選擇功能。自旋邏輯電路的另一基本結(jié)構(gòu)單元一一多路分接器，即單個(gè)輸入端到多個(gè)輸出端結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)純自旋流的分配功能。目前自旋邏輯電路設(shè)計(jì)中，純自旋流多路分接器設(shè)計(jì)存在如下不足:
[0004]1.只能通過(guò)對(duì)自旋溝道長(zhǎng)度的對(duì)稱性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)純自旋流的分配，器件功能單一；
[0005]2.無(wú)法對(duì)純自旋流的分配進(jìn)行有效調(diào)控，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自旋邏輯功能，需要冗余且復(fù)雜的自旋邏輯電路設(shè)計(jì)；
[0006]3.不具備電路可重構(gòu)性，無(wú)法滿足低功耗、高集成度的自旋邏輯電路設(shè)計(jì)，工藝制作難度及成本大。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007](— )發(fā)明目的:
[0008]針對(duì)上述背景中提到的基于純自旋流器件存在的功能單一、不可重構(gòu)性、電路設(shè)計(jì)難度、功耗、成本、制作工藝等的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，利用電壓對(duì)純自旋流進(jìn)行調(diào)控，它克服了現(xiàn)有設(shè)計(jì)及技術(shù)的不足，用于實(shí)現(xiàn)自旋邏輯電路中純自旋流的可重構(gòu)分配，簡(jiǎn)化自旋邏輯電路設(shè)計(jì)，并提高電路集成度和降低工藝制作成本。
[0009](二)技術(shù)方案:
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，實(shí)現(xiàn)單輸入端到多輸出端，設(shè)計(jì)柵極電壓加在自旋溝道實(shí)現(xiàn)純自旋流調(diào)控。
[0011]—種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，包括柵電壓結(jié)構(gòu)、自旋溝道及基底;其中，柵電壓結(jié)構(gòu)包括柵電極和絕緣層材料兩個(gè)部分;柵電壓結(jié)構(gòu)具體分為三類電壓控制結(jié)構(gòu):頂柵電壓控制、背柵電壓控制和雙柵電壓控制(同時(shí)包含頂柵和背柵電壓控制)。
[0012]所述柵電極，包括金(Au)、鈾(Pt)、銅(Cu)或其他非鐵磁金屬材料中的一種；
[0013]所述絕緣層材料，包括二氧化硅(S12)、氧化鎂(MgO)、氮化鋁(AlN)、氧化鈦(T12)、三氧化二鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)或其他材料中的一種；
[0014]所述自旋溝道材料，包括金屬納米線(銅、銀、鋁等)、半導(dǎo)體硅、碳納米管、石墨烯、娃稀、二硫化鉬或其他低維材料中的一種。
[0015]本發(fā)明所述基底包括但不限于硅片、氮化硼、石英片等其他絕緣襯底。
[0016]—種基于電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，可以為單輸入-雙輸出或多輸出結(jié)構(gòu)，夾角可變范圍為O?360度。
[0017]本發(fā)明可以通過(guò)控制柵極電壓改變自旋溝道的電子和自旋傳輸屬性，導(dǎo)致溝道的自旋電阻的變化，從而調(diào)節(jié)溝道純自旋電流的大小。進(jìn)一步，在多路分接器的結(jié)構(gòu)中，利用柵極電壓調(diào)控改變各個(gè)自旋溝道的純自旋電流大小，可以實(shí)現(xiàn)純自旋流的可重構(gòu)分配。
[0018](三)優(yōu)點(diǎn)及功效:
[0019]本發(fā)明提出了一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)控純自旋流的分配，相比于傳統(tǒng)的純自旋流邏輯器件，有以下優(yōu)勢(shì):
[0020](I)通過(guò)電壓調(diào)控，代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁場(chǎng)改變自旋信號(hào)中產(chǎn)生的能量損耗，從而降低器件的功耗；
[0021](2)通過(guò)調(diào)控電壓大小，可以實(shí)現(xiàn)不同溝道自旋電阻的大小改變，控制純自旋流的分配，實(shí)現(xiàn)多路分接器的可重構(gòu)性；
[0022](3)本發(fā)明作為可重構(gòu)邏輯電路的基本單元，簡(jiǎn)化自旋邏輯電路的設(shè)計(jì)，提高了電路的集成度，也便于工藝與制作加工。
[0023](4)除了純自旋流邏輯電路，本發(fā)明所述模型還可用于自旋流調(diào)制器等新型自旋邏輯應(yīng)用領(lǐng)域。
【【附圖說(shuō)明】】
[0024]圖Ι-a雙柵電壓調(diào)控純自旋流多路分接器三維示意圖。
[0025]圖Ι-b背柵電壓調(diào)控純自旋流多路分接器三維示意圖。
[0026]圖Ι-c頂柵電壓調(diào)控純自旋流多路分接器三維示意圖。
[0027]圖Ι-d其他形狀電壓調(diào)控純自旋流多路分接器俯視圖。
[0028]圖2_a電壓調(diào)控改變單個(gè)自旋溝道自旋電阻變化示意圖(以負(fù)相關(guān)為例)。
[0029]圖2-b電壓調(diào)控改變單個(gè)自旋溝道純自旋電流變化示意圖。
[0030]圖2-c單輸入-雙輸出多路分接器電壓調(diào)控純自旋電流分配示意圖。
[0031]其中，圖中參數(shù)定義為:
[0032]I頂柵電極
[0033]2和5絕緣層
[0034]3自旋溝道
[0035]4基底
[0036]6背柵電極
[0037]7純自旋流
[0038]8器件夾角
[0039]Rs自旋電阻
[0040]Vg棚.極電壓[0041 ]Is自旋電流
[0042]VgjI溝道I柵極電壓
[0043]Vgj2溝道2柵極電壓
[0044]Is；1溝道I自旋電流
[0045]Is, 2溝道2自旋電流
【【具體實(shí)施方式】】
[0046]參照附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明一種基于電壓調(diào)控純自旋流多路分接器的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。
[0047]在此公開(kāi)了詳細(xì)的示例性實(shí)施例，其特定的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)僅是表示描述示例實(shí)施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來(lái)實(shí)施本發(fā)明，且本發(fā)明不應(yīng)該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實(shí)施例，而是應(yīng)該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價(jià)物和可替換物。
[0048]圖Ι-a、圖Ι-b、圖1-c、圖Ι-d分別為本發(fā)明一種基于電壓調(diào)控純自旋流多路分接器多種結(jié)構(gòu)示意圖，僅以單輸入-雙輸出為例，同理可設(shè)計(jì)多輸出結(jié)構(gòu)，夾角可變范圍為O?360度。本發(fā)明包括三種電壓調(diào)控結(jié)構(gòu)圖Ι-a至圖1-c，即雙柵電壓、背柵電壓和頂柵電壓結(jié)構(gòu)。本發(fā)明保護(hù)各種實(shí)現(xiàn)多輸出的分支形狀，如圖Ι-d所示叉狀結(jié)構(gòu)。
[0049]圖Ι-a為電壓調(diào)控純自旋流分路器三維示意圖(以雙柵電壓控制為例)；
[0050]本發(fā)明所示器件從下到上由頂柵電極(10-50nm)、絕緣層(l-100nm)、自旋溝道材料、絕緣層(1-1OOnm)及背柵電極(10-50nm)；
[0051 ]所述柵電極，包括金(Au) ^S(Pt)、銅(Cu)或其他非鐵磁金屬材料中的一種。
[0052]所述絕緣層材料，包括二氧化硅(S12)、氧化鎂(MgO)、氮化鋁(AlN)、氧化鈦(T12)、三氧化二鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)或其他材料中的一種；
[0053]所述自旋溝道材料，包括金屬納米線(銅、銀、鋁等)、半導(dǎo)體硅、碳納米管、石墨烯、娃稀、二硫化鉬或其他低維材料中的一種。
[0054]本發(fā)明所述襯底包括但不限于硅片、氮化硼、石英片等其他絕緣襯底。
[0055]通過(guò)采用傳統(tǒng)的分子束外延、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、原子層沉積或磁控濺射的方法將器件的各層物質(zhì)按照從下到上的順序鍍?cè)谝r底上，然后進(jìn)行光刻、刻蝕等微納加工工藝來(lái)制備該器件;柵電極形狀可以制成正方形、長(zhǎng)方形(長(zhǎng)寬比可以是任意值)、圓形或橢圓形(長(zhǎng)寬比可以是任意值)。
[0056]圖2-a至圖2-c為電壓調(diào)控純自旋流多路分接器工作模式示意圖，以改變溝道自旋電阻負(fù)相關(guān)為例，具體如下:
[0057]圖2-a和圖2-b分別是電壓調(diào)控改變單個(gè)自旋溝道自旋電阻和純自旋流變化示意圖，對(duì)于單個(gè)自旋溝道，隨著調(diào)控電壓Vc增大，自旋電阻Rs減小，從而純自旋電流Is增大。
[0058]圖2-c單輸入-雙輸出多路分接器電壓調(diào)控純自旋電流分配示意圖，通過(guò)溝道I和2的柵極電壓控制多路選擇分接。
[0059]當(dāng)Vg,I= Vg,2 = 0時(shí)，溝道I和溝道2都處于相同大自旋電阻狀態(tài)Rs, I = Rs,2，Is,I =Is,2，可實(shí)現(xiàn)均分小電流；
[0060]當(dāng)VG,fVJg,2= 0，即VG,OVg,2，則Rs,KRs,2，Is,KIs,2，純自旋流大部分往溝道I 出；
[0061]當(dāng)VG,f0.Vg,2= V，即VG,KVg,2，則RsiRsj，Is,OIsl2,純自旋流大部分往溝道2出；
[0062]當(dāng)Vg,I = Vg,2 = V時(shí)，溝道I和溝道2都處于相同小自旋電阻狀態(tài)Rs, i = Rs,2，Is,I =Is, 2，可實(shí)現(xiàn)均分大電流。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，其特征在于:包括柵電壓結(jié)構(gòu)、自旋溝道及基底;其中，柵電壓結(jié)構(gòu)包括柵電極和絕緣層材料兩個(gè)部分;柵電壓結(jié)構(gòu)具體為三類電壓控制結(jié)構(gòu):頂柵電壓控制、背柵電壓控制和雙柵電壓控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，其特征在于:所述多路分接器，可以為單輸入-雙輸出或多輸出結(jié)構(gòu)，夾角可變范圍為O?360度。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，其特征在于:所述柵電極，包括金、鉑、銅或其他非鐵磁金屬材料中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，其特征在于:所述絕緣層材料，包括二氧化娃、氧化鎂、氮化鋁、氧化鈦、三氧化二鋁、氧化給中的一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，其特征在于:所述自旋溝道材料，包括金屬納米線、半導(dǎo)體硅、碳納米管、石墨烯、硅烯、二硫化鉬或其他低維材料中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電壓調(diào)控純自旋流多路分接器，其特征在于:所述基底包括但不限于硅片、氮化硼、石英片或其他絕緣襯底。
【文檔編號(hào)】H01L29/66GK106057875SQ201610542883
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】趙巍勝, 粟傈, 林曉陽(yáng)
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)