[發明專利]基于自旋軌道耦合效應的全電壓調控邏輯器件

在審

• 申請號: 202011415647.2
• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN112466359A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 粟傈;李晴;童良樂;王向禹;楊帆
• 申請（專利權）人: 首都師范大學
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 韓海花

本申請提出一種基于自旋軌道耦合效應的全電壓調控邏輯器件，涉及器件和電路控制技術領域，包括：在輸入端先利用電壓可調磁各向異性效應降低鐵磁層所需翻轉能量，通過自旋軌道耦合效應材料體系施加不同方向電流產生自旋流，利用自旋軌道矩實現鐵磁層翻轉；在傳輸通道利用傳輸材料電學傳導和自旋弛豫性質的電壓可調性放大或者減小傳輸信號實現可重構特性；在輸出端利用自旋軌道耦合逆效應實現自旋流轉化電流，讀取不同的電流方向，當多個輸入時通過自旋流擇多邏輯實現基本邏輯門電路運算。本申請無需磁場輔助，利用自旋軌道效應及其逆效應，通過全電壓調控實現數據存儲、寫入和傳輸，進一步降低自旋邏輯器件的功耗，提高了器件運算速度和集成度。

技術領域

本申請涉及器件和電路控制技術領域，尤其涉及一種基于自旋軌道耦合效應的全電壓調控邏輯器件。

背景技術

磁隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)作為一種新興非易失存儲器，具有讀寫速度快、能耗低、壽命長和工藝兼容性號等優勢，是最具大規模產業化前景的新一代非易失性存儲器之一。磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)作為MRAM的存儲單元。如第一代磁場驅動型磁隨機存儲器(MRAM)是以脈沖電流產生的奧斯特場驅動磁性隧道結自由層的磁矩翻轉和實現信息的寫入操作，但是寫入電流能耗高，且尺寸難以縮小；第二代自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque，STT)型磁隨機存儲器(STT-MRAM)是基于脈沖自旋極化電流產生的STT效應來驅動磁性隧道結自由層的磁矩翻轉和信息寫入，其功耗可以顯著降低，但是寫入時延、讀寫路徑相同導致的讀取干擾和隧穿層擊穿，以及寫入電流能耗等問題逐漸凸顯。

隨著自旋電子學的迅猛發展，自旋軌道耦合效應(Spin-Orbit Coupling，SOC)越來越受到人們的廣泛關注,主要包括自旋霍爾效應和界面Edelstein效應及其逆效應，可實現電壓可控的電流和自旋流的相互轉化。而自旋軌道轉矩(Spin-Orbit Torque，SOT)基于SOC效應，利用電荷流誘導的自旋流產生自旋轉移力矩，從而達到調控磁性存儲單元的目的。由于其讀寫路徑分開化，因此具有能耗低，寫入速度快，磁矩翻轉性強，效率高，局域性強，穩定性高等優良性能，在磁記憶，運算，存儲器件等領域展現出巨大的前景。

而第三代自旋軌道力矩型磁隨機存儲器(SOT-MRAM)是利用自旋流產生的SOT效應作為信息寫入方式，即保持了MRAM高速度和低功耗等優異特性，又實現了讀寫路徑的分離，更有利于提高器件的抗擊穿和長壽命等性能。目前對于采用性能優異的具有垂直磁各向異性的磁性隧道結作為基本存儲單元的SOT-MRAM設計，一般需要在特定方向上外加磁場的幫助下，才能夠實現磁性隧道結中垂直自由層的確定性磁矩翻轉和信息寫入。研究發現，磁各向異性可以通過電壓進行調控，如利用鐵電/鐵磁異質結材料或者利用電壓可調控磁各向異性效應(Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy，VCMA)，進一步降低磁化翻轉所需能量。

利用磁性材料的電子自旋特性來設計的數字邏輯器件稱為自旋邏輯器件或磁邏輯器件。與普通的半導體邏輯器件相比，這種基于自旋相關輸運特性的可重構邏輯器件具有信息非易失性、抗輻射、高操作頻率、無限重構次數、與MRAM兼容、可存算一體化等優點，受到學術界和工業界重點關注。

相關技術中，SOT-MRAM通過自旋軌道耦合效應材料體系施加不同方向的電流產生自旋流，利用自旋軌道矩實現鐵磁自由層翻轉時，如果產生的偏置電壓較小時，自由層的磁化狀態翻轉將會是不完整的，需要外磁場輔助。對磁隧道結進行信息讀取時，所需讀取的電流較大，會產生較大的能耗。

相關技術中，自旋邏輯器件的若干缺點：第一，利用磁場翻轉或者非局域STT翻轉，寫入能耗高；第二，結構復雜，傳輸過程損耗大，容易受干擾，傳輸不易調控；第三，可擴展性差，難以大規模集成。以上缺陷都限制了自旋邏輯器件的進一步發展。

發明內容

本申請旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。