[發(fā)明專利]一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410340521.1
• 申請日: 2014-07-17
• 公開（公告）號: CN104157297B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃陽棋;趙巍勝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G11B5/58
• 分類號: G11B5/58;G11B5/21
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件，旨在降低片內(nèi)信息傳輸功率，屬于新型磁性器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展和芯片工作頻率的不斷提高，芯片功耗的急劇增大已經(jīng)成為制約芯片性能的重要因素。另一方面，移動平臺的興起也對芯片功耗提出了更高的要求。而近年來研究發(fā)現(xiàn)的磁性斯格明子已經(jīng)被證明可以用于芯片內(nèi)二進制信息的載體，基于磁性斯格明子的芯片設(shè)計將有希望極大的降低芯片功耗。

斯格明子(skyrmions)最初是由核物理學(xué)家Tony?Skyrme在60年代發(fā)現(xiàn)的類粒子(particle-like)拓撲穩(wěn)定場結(jié)構(gòu)，被用于表述包括帶電粒子、液晶、玻爾茲曼-愛因斯坦凝聚態(tài)到量子霍爾效應(yīng)在內(nèi)的各種不同環(huán)境中的類似數(shù)學(xué)對象。2009年第一次在實驗中發(fā)現(xiàn)了磁性斯格明子，這是一種具有渦旋結(jié)構(gòu)的手性自旋結(jié)構(gòu)(chiral?spin?structures?with?a?whirling?configuration)屬于斯格明子的一種。可以產(chǎn)生于生長在強自旋軌道耦合金屬層之上的整塊鐵磁層或者納米薄膜上。

磁性斯格明子具有以下幾個特性使得將其作為二進制信息存儲單元可能取得較于傳統(tǒng)CMOS結(jié)構(gòu)極大的優(yōu)勢：

1、磁性斯格明子的尺寸可以做到很小，通過控制產(chǎn)生磁性斯格明子的材料特性和一些外加條件。可以使得產(chǎn)生的磁性斯格明子直徑小于10納米，極端可以小于1納米。因此可以把產(chǎn)生磁性斯格明子的納米薄膜寬度減小到小于10納米，能夠有效的提升傳輸信息的密度。

2、磁性斯格明子具有拓撲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，相較于磁性渦旋結(jié)構(gòu)(magnetic?vortices)和磁性類氣泡結(jié)構(gòu)(magnetic?bubbles)更加穩(wěn)定，能夠在器件存在工藝缺陷的情況下保持穩(wěn)定。

3、磁性斯格明子具有和磁疇壁類似的電流誘導(dǎo)輸運(current-induced?motion)性質(zhì)。在磁性納米薄膜軌道中通入電流，磁性斯格明子會受到自旋矩作用，發(fā)生移動。由此可以使用電流驅(qū)動的磁性斯格明子輸運進行二進制的信息傳遞。并且與磁疇壁相比，操作磁性斯格明子所需的啟動電流密度遠遠小于磁疇壁的啟動電流密度，僅為后者的百萬分之一，其相對于磁疇壁具有更加優(yōu)良的低功耗性能。

4、磁性斯格明子可以通過在具有強自旋軌道耦合的金屬上生長的鐵磁層中注入自旋極化電流來產(chǎn)生，可以在鐵磁層中切口尖端處被消除。從而可以實現(xiàn)信息傳遞過程中信息載體的產(chǎn)生與消除。

在傳統(tǒng)的芯片中，有很大一部分功耗都是用于信息傳遞。傳統(tǒng)芯片設(shè)計中為了實現(xiàn)前級信號驅(qū)動后級，需要不斷的對信號進行放大，占了整個芯片功耗的很大一部分。如果使用磁性斯格明子作為信號的載體，由于其在輸運過程中不需要進行逐級放大，將有可能極大的降低芯片內(nèi)部用于信號傳遞而產(chǎn)生的功耗。

發(fā)明內(nèi)容

1.發(fā)明目的：

針對上述背景中提到的對芯片低功耗的需求和磁性斯格明子具有的優(yōu)良性質(zhì)，本發(fā)明提供了一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件。它克服了傳統(tǒng)電路中信號傳遞需要逐級放大的缺點，能夠極大的降低芯片內(nèi)用于信號傳遞所消耗的能量，實現(xiàn)低功耗設(shè)計。

2.技術(shù)方案：

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件，如圖1所示，其特征是該信息傳輸器件由磁性斯格明子信號生成器，用于磁性斯格明子信號傳輸?shù)拇偶{米軌道以及用于檢測磁性斯格明子的信號讀取裝置組成。它們之間的位置連接關(guān)系是：磁性斯格明子信號生成器位于磁納米軌道發(fā)送端，即圖示左端；磁性斯格明子信號讀取裝置位于磁納米軌道接受端，即圖示右端；磁納米軌道起到連接整個器件的作用。系統(tǒng)工作時由磁性斯格明子信號生成器將需要傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)換為磁性納米帶上的斯格明子，經(jīng)磁納米軌道傳輸后，位于末端的磁性斯格明子信號信號讀取裝置讀取信號將信息還原為所需的電信號。

所述器件中磁性斯格明子信號生成器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上到下分別為數(shù)據(jù)線，強自旋極化層，鐵磁層，強自旋軌道耦合層，彼此之間相互接觸連接；該數(shù)據(jù)線是金屬導(dǎo)電材料，為長條形金屬薄膜結(jié)構(gòu)，用于將需要發(fā)送的電信號傳輸至磁性斯格明子信號生成器；該強自旋極化層是指具有強自旋極化能帶結(jié)構(gòu)的材料，如Pd，用于將普通電流轉(zhuǎn)化為具有自旋極化的自旋極化電流，形狀可以呈圓柱形或方形；該鐵磁層和強自旋軌道耦合層為磁納米軌道部分；鐵磁層用于形成磁性斯格明子，并能夠使生成的磁性斯格明子在自旋極化電流作用下沿垂直方向運動；該強自旋軌道耦合層用于產(chǎn)生生成磁性斯格明子所需的DMI效應(yīng)。