[發(fā)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?zhí)枺?/td>: 201410039670.4
• 申請日: 2014-01-27
• 公開（公告）號: CN103794224B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設計）人: 繆向水;李祎;鐘應鵬
• 申請（專利權(quán)）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

技術領域

本發(fā)明屬于微電子器件領域，更具體地，涉及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。

背景技術

面對大數(shù)據(jù)時代的海量信息挑戰(zhàn)，存儲與處理融合新型信息器件被認為是突破傳統(tǒng)馮諾依曼計算機體系架構(gòu)瓶頸的關鍵。納米級兼具信息存儲和處理功能的電子器件是未來大規(guī)模并行運算的基石。信息存儲可以通過不同兩種物理狀態(tài)表征“0”“1”實現(xiàn)，如相變存儲器的非晶態(tài)和晶態(tài)，磁存儲器的電子自旋平行態(tài)和反平行態(tài)，阻變存儲器的導電通道形成和斷開兩種狀態(tài)等。數(shù)字式邏輯運算是已成熟應用于計算機信息處理方式。

相變磁性材料集相變材料與稀磁半導體材料特性于一體，不僅具有相變材料快速可逆的結(jié)構(gòu)變化特點，而且將自旋有效引入到相變材料中。相變磁性材料的光、電、磁等特性會隨著材料在晶態(tài)與非晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變而發(fā)生變化，從而可實現(xiàn)通過光致相變或電致相變來調(diào)控材料的磁特性。這一新奇特性被展望可用于新型自旋電子器件中，應用于未來信息存儲和邏輯運算領域中。然而，迄今而至，相變磁性材料的研究仍然停留在材料特性探索，而后續(xù)的器件制備以及功能設計仍然未見相關文獻報道，而這些方面對于未來相變磁性材料的實際應用極為關鍵。因此，需要針對相變磁性材料的新奇特性，設計現(xiàn)有電子器件所不具備的新型器件功能和操作方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術的以上不足和迫切需求，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于相變磁性材料的能同時實現(xiàn)邏輯運算和信息非易失性存儲的邏輯器件。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件，其中相變磁性材料由一種相變材料基質(zhì)中摻雜鐵磁性元素構(gòu)成，材料的磁性能夠通過非晶態(tài)-晶態(tài)相變來可逆調(diào)控。

本發(fā)明提供了一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件，包括磁頭以及依次附著于襯底上的底電極、絕緣層、相變磁性薄膜和頂電極；所述襯底包括硅襯底以及附著于所述硅襯底上的有源區(qū)；所述底電極包括N型硅層、P型硅層和加熱層；所述N型硅層和所述P型硅層形成PN二極管結(jié)構(gòu)；加熱層的尺寸小于P型硅層的尺寸；所述相變磁性材料薄膜沉積在所述絕緣層上并與所述加熱層形成電接觸；所述頂電極和所述底電極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；所述磁頭用于檢測相變磁性材料的磁狀態(tài)，所述磁頭包括基底、依次附著于所述基底上的第一磁屏蔽層、磁阻傳感器以及第二磁屏蔽層；當磁頭檢測某個器件的磁狀態(tài)時，第一磁屏蔽層和第二磁屏蔽層用于屏蔽周圍其他器件單元磁狀態(tài)對磁頭傳感器的干擾，磁阻傳感器用于檢測器件中相變磁性材料的剩余磁化強度并將其轉(zhuǎn)換為讀電流輸出。

其中，所述相變磁性材料薄膜由一種相變材料基質(zhì)摻雜鐵磁性元素構(gòu)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％。

其中，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。

其中，所述相變磁性材料薄膜為Ge₂Sb₂Te₅、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₁Sb₄Te₇、GeTe、GeSb、Sb₂Te₃、Sb₇₀Te₃₀、Ag₅In₅Sb₆₀Te₃₀、Bi₂Te₃或Sb₂Se₃。所述的鐵磁性元素A包括但不局限于Co、Fe、Ni及其合金，如FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa等。A也包括Mn、Cr以及稀土元素Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm等。