[發明專利]基于雙勢壘磁性隧道結的邏輯元件和磁邏輯元件陣列

有效

• 申請號: 200610072795.2
• 申請日: 2006-04-11
• 公開（公告）號: CN101055915A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 曾中明;魏紅祥;姜麗仙;韓秀峰;彭子龍;詹文山
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;G11C11/16;H03K19/18
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司
• 代理人: 高存秀

技術領域

本發明屬于磁邏輯領域，具體地說是涉及一種利用磁隨機存取存儲的數字存儲技術，為邏輯裝置和邏輯電路提供的基于雙勢壘磁性隧道結的邏輯元件，以及陣列化了的磁邏輯元件陣列。

背景技術

目前基于晶體管的集成電路、計算工作主要依賴于電子的電荷。但自從21世紀80年代巨磁電阻效應發現以來，自旋電子學引起人們的廣泛關注，人們想操控電子的自旋來設計和制造新的器件。一些研究小組開始探索一類全新的處理器，他們提出，磁記憶單元也可設計用來進行計算。通過邏輯運算的選擇和執行這兩個步驟，這些裝置既可成為可編程的邏輯裝置，也可成為通常的瞬態電子輸出的記憶裝置。

Cowbum等人提出了一種由納米磁粉構造的新裝置結構，可用它執行磁邏輯功能(Cowbum和Welland，《科學》第287卷第1466-1468頁)。2000年依阿華州立大學的William?C.Black，Jr.與B.Das提出一種基于磁阻效應的磁邏輯，兩年后，德國西門子研究公司通過實驗演示一種可重配置的磁邏輯門元件。緊接著，柏林Paul?Drude研究所提出了一種更簡單的方法來實現各種計算元件在不同邏輯狀態之間的切換[A.Ney，C.Pampuch，R.Koch和K.H.Pioog，《自然》第425卷第485-487頁]。其設計方案如圖1所示，磁邏輯門含有三條輸入線，即輸入線A、B、C，每條輸入線中流過的電流其強度均相同。在這種磁阻元件中雖然只有兩種輸出數值(0和1)，但卻有四種不同的初始狀態，其中兩種為平行狀態，兩種為反平行狀態，這樣就可以配置出不同的邏輯狀態。這樣的一個單個磁邏輯元件可表示以下的基本邏輯函數，如“與”函數(AND)、“或”函數(OR)、“與非”函數(NAND)和“或非”函數(NOR)。通過適當的組合可以構造出任何公知的邏輯結構。

然而，如果要組成一個諸如“與或非”或“同或”等邏輯功能至少需要兩個這樣的邏輯單元。現有的磁邏輯還沒有解決縮小尺寸的問題，也沒有解決多個元件如何構成的問題，所以對于今后的實際應用中需要磁邏輯電路的小型化、集成化有一定的局限性。

發明內容

本發明的目的在于克服現有的磁邏輯不利于小型化和集成化的缺陷，從而提供一種小型的、具有多個邏輯功能的、能進行邏輯處理的基于雙勢壘磁性隧道結的邏輯元件。

本發明的另一目的是提供一種將上述基于雙勢壘磁性隧道結的邏輯元件陣列化了的磁邏輯元件陣列。

本發明的目的是通過如下的技術方案實現的：

本發明提供一種基于雙勢壘磁性隧道結的邏輯元件，如圖2所示，該邏輯元件包括四條輸入信號線(A、B、C和D)、一條輸出信號線和隧道結單元；每條輸入信號線中流過的電流強度均相同，分別將“0”和“1”分配給它們，利用輸入信號線A、B、C、D的組合，決定隧道結中磁性層的磁化方向，將通過雙勢壘磁性隧道結的磁電阻效應的大小作為輸出信號；其特征在于：

所述的隧道結單元是雙勢壘磁性隧道結單元，如圖3所示，其包括：

一個下部磁性層FM1；

一個形成于所述下部磁性層之上的第一隧道勢壘層I1；

一個形成于所述第一隧道勢壘層之上的中間磁性層FM2；

一個形成于所述中間磁性層之上的第二隧道勢壘層I2；

一個形成于第二隧道勢壘層之上的上部磁性層FM3；

所述的三個磁性層(下部磁性層FM1、中間磁性層FM2和上部磁性層FM3)的組成材料為鐵磁性材料、半金屬磁性材料或磁性半導體材料，各磁性層的厚度均為2～10nm；其中，下部磁性層FM1和FM3的矯頑力可以相同也可以不同，中間磁性層FM2的磁化方向是自由的，其由矯頑力較小的軟磁性材料構成；

上述鐵磁性材料包括：Fe、Co、Ni等3d過渡族磁性金屬，Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Co-Fe-Ni、Gd-Y等鐵磁性合金，Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er等稀土金屬及其鐵磁合金；

上述半金屬磁性材料包括：Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃或Co₂MnSi等Heussler合金；

上述磁性半導體材料包括：Fe、Co、Ni或V；或者為Mn摻雜的ZnO、TiO₂、HfO₂或SnO₂，或者為Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN或ZnTe；