[發(fā)明專利]一種多功能自旋電子邏輯門器件

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• 申請日: 2019-04-24
• 公開（公告）號: CN110021700A
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發(fā)明（設計）人: 李曉光;周艷
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市思品科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10
• 代理公司: 深圳市智科友專利商標事務所 44241
• 代理人: 曲家彬

本發(fā)明公開了一種多功能自旋電子邏輯門器件，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的控制復雜，功耗較高等缺陷，該器件包括磁性隧道結(jié)，所述磁性隧道結(jié)自頂層向底層順次包括參考層、隧穿絕緣層、自由層，在所述自由層兩側(cè)至少一側(cè)具有隔層，所述隔層的材料為鉑、鉭、鎢、鈦、銣、鉻、鉿、鋁及對應金屬氧化物中的一種或多種的任意組合；與所述磁性隧道結(jié)的底層相鄰并接觸的基底，由重金屬材料構(gòu)成，所述基底在其周邊耦接到第一和第二端子，所述第一和第二端子關(guān)于基底彼此相對，所述基底用于接收沿第一端子指向第二端子方向的邏輯輸入電流；以及位于所述參考層上方的頂部電極。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自旋電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于自旋軌道矩的震蕩磁化反轉(zhuǎn)的非易失性的多功能邏輯門器件。應當注意，由于本發(fā)明的多功能自旋電子邏輯門器件兼有運算與失電存儲功能，因此還涉及磁隨機存取存儲器件。

背景技術(shù)

在馮式計算機架構(gòu)中，數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲是分立的，運算操作需先從存儲器中提取數(shù)據(jù)，在處理器完成計算之后再重新保存。近年來，處理器性能大幅提升，而存儲器的訪問速率瓶頸仍難以突破。研究表明，目前CPU與片外存儲器的數(shù)據(jù)交換所需的能量已經(jīng)超過浮點運算所需能量約兩個量級，成為計算機性能提升的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

為了面對上述挑戰(zhàn)，近年來提出利用非易失的數(shù)據(jù)存儲器件進行邏輯運算。該類器件在掉電時仍然能夠保留邏輯值，無待機能耗；另一方面，由于具備同時具備數(shù)據(jù)處理與計算的雙重功能，數(shù)據(jù)交換的能耗大幅降低。基于自旋軌道矩的磁性隨機存儲器件在功耗、操作延遲、耐久度方面具有明顯優(yōu)勢，并且具有非易失性，因而被認為是新一代“存算一體”器件的主要備選方案。

現(xiàn)有技術(shù)中磁性隧道結(jié)是該類磁性“存算一體”器件的核心元件，一般包括自由層、參考層以及位于二者之間的隧穿絕緣層，自由層的磁矩可以自由翻轉(zhuǎn)，而參考層的磁矩被固定或者矯頑力高不受磁場、電流溫度等外界激勵因素影響。隧穿絕緣層由金屬氧化物等絕緣材料構(gòu)成。磁性隧道結(jié)的電阻變化與自由層的磁矩和參考磁層的磁矩之間的夾角 θ的余弦值 cos(θ) 成比例。當自由層的磁矩與參考層的磁矩彼此平行排列時，磁性隧道結(jié)的電阻最低，處于低電阻態(tài) ；當自由層的磁矩與參考層的磁矩反平行排列時，磁性隧道結(jié)的電阻最高，處于高電阻態(tài)。上述阻狀態(tài)可以分別對應于信息 0 和 1，或者可以分別對應于信息 1 和 0。利用極化電流或電場等方式操控自由層磁矩可實現(xiàn)信息的存儲或邏輯運算。

目前基于自旋軌道矩的磁性邏輯門器件需要沿電流方向施加磁場以實現(xiàn)穩(wěn)定的磁化反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)基本的電阻切換功能。然而從CMOS（Complementary Metal OxideSemiconductor互補金屬氧化物半導體）集成角度而言，利用外部磁場源會對器件的集成密度以及穩(wěn)定性造成負面影響，不具備實際可操作性。另一方面，即便在外加磁場的作用下，現(xiàn)有方案仍需要通過多路的電流控制，或進一步結(jié)合電場調(diào)控等輔助手段以實現(xiàn)邏輯運算功能，大大增加了電路的復雜程度與成本。此外，現(xiàn)有方案采用上述繁復方式能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯與、或功能，然而異或功能需要通過多個器件級聯(lián)來實現(xiàn)，該方式將成倍增加器件功耗，同時增加邏輯操作延遲。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種多功能自旋電子邏輯門器件，至少解決上述分析中現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷之一。本發(fā)明無需外加磁場、電場等輔助手段，僅通過控制輸入電流脈沖的強度和寬度即可實現(xiàn)磁性隧道結(jié)的多閾值電阻切換。基于該特性，本發(fā)明進一步提供了一種邏輯門器件，通過電流脈沖控制可實現(xiàn)按位操作的與門、與非門、或門、或非門、異或門以及同或門功能。

具體的，本發(fā)明公開了一種多功能自旋電子邏輯門器件，包括磁性隧道結(jié)，所述磁性隧道結(jié)自頂層向底層順次包括參考層、隧穿絕緣層、自由層，在所述自由層兩側(cè)至少一側(cè)具有隔層，所述隔層的材料為鉑、鉭、鎢、鈦、銣、鉻、鉿、鋁及對應金屬氧化物中的一種或多種的任意組合；與所述磁性隧道結(jié)的底層相鄰并接觸的基底，由重金屬材料構(gòu)成，所述基底在其周邊耦接到第一和第二端子，所述第一和第二端子關(guān)于基底彼此相對，所述基底用于接收沿第一端子指向第二端子方向的邏輯輸入電流；以及位于所述參考層上方的頂部電極。