[發明專利]一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件及邏輯操作方法

有效

• 申請號: 201410039670.4
• 申請日: 2014-01-27
• 公開（公告）號: CN103794224B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 繆向水;李祎;鐘應鵬
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G11B5/33
• 分類號: G11B5/33;H01L45/00;H01L43/08;H01L43/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 廖盈春

1.一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件，其特征在于，包括磁頭(106)以及依次附著于襯底(101)上的底電極(102)、絕緣層(103)，相變磁性薄膜(104)和頂電極(105)；

所述襯底(101)包括硅襯底(101A)以及附著于所述硅襯底(101A)上的有源區(101B)；

所述底電極(102)包括N型硅層(102A)、P型硅層(102B)和加熱層(102C)；所述N型硅層(102A)和所述P型硅層(102B)形成PN二極管結構；加熱層(102C)的尺寸小于P型硅層(102B)的尺寸；

所述相變磁性材料薄膜(104)沉積在所述絕緣層(103)上并與所述加熱層(102C)形成電接觸；

所述頂電極(105)和所述底電極(102)均連接至外部的電脈沖信號；所述非易失性邏輯器件外部還存在一個磁場輸入；所述磁場為與所述相變磁性薄膜(104)的二維平面平行的均勻可變磁場，所述磁場的強度為0～12000Oe；

所述磁頭(106)用于檢測相變磁性材料的磁狀態，所述磁頭(106)包括基底(106A)、依次附著于所述基底上的第一磁屏蔽層(106B)、磁阻傳感器(106C)以及第二磁屏蔽層(106D)；

當磁頭(106)檢測某個器件的磁狀態時，第一磁屏蔽層(106B)和第二磁屏蔽層(106D)用于屏蔽周圍其他器件單元磁狀態對磁頭傳感器的干擾，磁阻傳感器(106C)用于檢測器件中相變磁性材料的剩余磁化強度并將其轉換為讀電流輸出。

2.如權利要求1所述的非易失性邏輯器件，其特征在于，所述相變磁性材料薄膜(104)由一種相變材料基質摻雜鐵磁性元素構成，組分表達式為A_xB_1-x，其中A為鐵磁性元素，B為相變材料，0＜x≤30％。

3.如權利要求2所述的非易失性邏輯器件，其特征在于，所述相變材料B為二元、三元或四元硫系化合物系列，包括Ge-Te、Sb-Te、Bi-Te、Ge-Sb、Sn-Te、Sb-Se、In-Se、Ge-Sb-Te、In-Sb-Te、As-Sb-Te、Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn、Sb-Se-Bi、Ga-Te-Se、Ge-Te-Ti、Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag或Ag-In-Sb-Te及其混合合金。

4.如權利要求2所述的非易失性邏輯器件，其特征在于，所述鐵磁性元素A為Co、Fe、Ni及其合金或Mn、Cr以及稀土元素Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm；包括FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa。

5.如權利要求2或3所述的非易失性邏輯器件，其特征在于，所述相變磁性材料薄膜(104)為Fe_0.02Ge_0.98Te、Fe_0.08Ge_0.92Te、Fe_0.14Ge_0.86Te或Fe_0.25Ge_0.75Te。

6.一種非易失性邏輯操作方法，其特征在于，包括以下步驟：

通過給非易失性邏輯器件中的頂電極(105)和有源區(101B)施加電脈沖信號，且給所述非易失性邏輯器件施加磁場；以電脈沖信號為一個邏輯輸入Input?A，以磁場為另一個邏輯輸入Input?B，以所述非易失性邏輯器件中的相變磁性材料的剩余磁感應強度B_r為邏輯輸出Output，實現邏輯運算。

7.如權利要求6所述的非易失性邏輯操作方法，其特征在于，對于邏輯輸入Input?A，將電脈沖信號SET定義為邏輯1，電脈沖信號RESET定義為邏輯0；對于邏輯輸入Input?B，將磁場范圍為0～500Oe的弱磁場定義為邏輯1，磁場范圍為2500Oe～10000Oe的強磁場定義為邏輯0；對于邏輯輸出Output，將范圍為2.5emu／cc～20emu／cc的較強的磁感應強度B_r定義為邏輯輸出0，將范圍為0～1emu／cc的較微弱的磁感應強度B_r定義為邏輯輸出1，從而實現實質蘊涵邏輯運算。