一种新型的基于应力控制的磁性逻辑器件制造技术

一种新型的基于应力控制的磁性逻辑器件，它为复合多层膜结构，在线状压电材料薄膜中心上方，生长一条铁磁性薄膜纳米线，底层压电薄膜中部为两组相对的电极B1、B2，作为逻辑信号电平U的输入端；在铁磁纳米线左端上方水平面内，通过一条垂直于纳米线方向的导电纳米线，作为磁性写入端；脉冲电流Iw通过导电纳米线时产生的奥斯特场能改变其下方铁磁纳米线的磁化方向，进而在铁磁纳米线中产生磁畴壁；在铁磁纳米线中通入控制电流Ic，驱动磁畴壁沿着电流方向运动。本磁性逻辑器件基于电场控制，具有低功耗和可在室温下工作的优点；它能够完成单输入的“非”逻辑功能，双输入或者多输入的“与非”、“或非”等逻辑运算功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于应力控制的磁性逻辑器件
本专利技术涉及一种基于应力控制的磁性逻辑器件。在压电/铁磁混合结构中，通过逆压电效应，压电材料衬底发生形变，进而附着于压电材料表面的磁性薄膜也随之产生形变，并控制其中磁畴壁(DomainWall，以下简写为DW)的移动，从而进行逻辑运算。本专利技术适用于任何基于压电性、铁磁性、铁弹性等多铁性混合结构的、控制磁畴壁移动的半导体逻辑器件。本专利技术属于半导体器件中的新型逻辑器件领域。
技术介绍
自旋电子器件因其非易失性、高速读写、高密度、高稳定性、长使用寿命等优秀特性，目前发展迅速，并被普遍认为是最有发展前景的半导体集成电路器件。目前，传统自旋电子器件需要较大的工作电流，进而存在较高功耗问题。利用电场控制磁畴壁移动、磁矩转动，实现自旋器件的功能，有助于进一步降低功耗和提高集成度。目前，电场调控的自旋器件主要有三类：一是通过介电材料在界面处的电荷累积来调控与其相邻的磁薄膜的界面各向异性；二是利用多铁材料通过磁电耦合来控制磁性质；三是利用压电材料与铁磁材料复合体系，通过应力改变磁性质。对于第一类器件，介电材料产生界面电荷，该界面效应改变磁薄膜中的磁各向异性。但是该效应局限于界面处，对磁各向异性的改变量与磁性薄膜厚度成反比。相较于第二、三类体系对磁性薄膜整体的调节能力，第一类器件产生的界面效应相对微弱。多铁材料同时具有铁磁和铁电等多种铁性有序，但其磁电耦合非常弱，且只存在于低温环境中，极大局限了其应用场景和发展潜力。而对于第三类，即压电与铁磁复合材料器件，目前已有大量实验结果证实，能够在室温下利用其中压电材料的逆压电效应产生的应力改变其中铁磁材料的磁性。本专利技术利用复合压电与铁磁材料，通过电场控制磁畴壁移动，实现超低功耗逻辑判断。
技术实现思路
1、目的：本专利技术的目的是提供一种基于应力控制的磁性逻辑器件，它通过压电、铁磁双层薄膜复合结构，将输入的电场变化转化为本磁性逻辑器件中薄膜的形变，并进一步将薄膜形变转化为铁磁材料的磁性变化，从而实现在室温下电场控制的、低功耗逻辑器件，完成对电信号的逻辑运算。2、技术方案：本专利技术为一种基于应力控制的磁性逻辑器件，为复合多层膜结构。本器件的空间结构如图1所示。在线状压电材料薄膜中心上方，生长一条铁磁性薄膜纳米线(以下简称“铁磁纳米线”)。底层压电薄膜中部为两组相对的电极B1、B2，作为逻辑信号电平U的输入端。在铁磁纳米线左端上方水平面内，通过一条垂直于纳米线方向的导电纳米线，作为磁性写入端。脉冲电流Iw通过导电纳米线时产生的奥斯特场可以改变其下方铁磁纳米线的磁化方向，进而在铁磁纳米线中产生磁畴壁。在铁磁纳米线中通入控制电流Ic，驱动磁畴壁沿着电流方向运动。在铁磁纳米线的右端上方，是磁性隧道结(MagneticTunnelJunction,以下简写为MTJ)的势垒层和钉扎层，同时铁磁纳米线作为MTJ的自由层。两层铁磁材料(即自由层和钉扎层)中间夹着一层绝缘体(即势垒层)构成的类似于三明治结构的纳米多层膜是MTJ的核心结构。由于电子的自旋特性，在电子隧穿输运性质作用下，根据MTJ自由层磁化方向与MTJ钉扎层磁化方向的平行或者反平行，MTJ可以分为低阻状态和高阻状态。如图3所示，左图中MTJ自由层与钉扎层磁化方向平行，MTJ处于低阻态；右图中MTJ自由层与钉扎层磁化方向反平行，MTJ处于高阻态。换言之，改变铁磁性纳米线右端的磁化方向，即可控制MTJ的磁阻状态。当在MTJ上下两端通入MTJ读电流Io，可以读取MTJ的磁阻状态。MTJ的磁阻状态C是本逻辑器件的输出端。3、优点和功效。本磁性逻辑器件基于电场控制，具有低功耗和可在室温下工作的优点；本器件能够完成单输入的“非”逻辑功能，双输入或者多输入的“与非”、“或非”等逻辑运算功能。附图说明图1为本基于应力控制的磁性逻辑器件的三维结构示意图。在线状压电材料薄膜中心上方，生长一条铁磁纳米线。该压电材料包括且不限于PMN-PT、PZT等材料，该铁磁性材料包括且不限于钴铁硼、坡莫合金，钴铂多层膜、镍铜多层膜等软磁材料。在压电薄膜中部两侧为两组相对的电极B1、B2，其接入的电平信号为逻辑信号的输入端。在铁磁纳米线左端上方水平面内，通过一条垂直于纳米线方向的导电纳米线，作为磁性写入端。在铁磁纳米线的右端上方，是MTJ的势垒层和钉扎层，同时铁磁纳米线作为MTJ的自由层，三层共同组成一个MTJ。MTJ的磁阻状态C是本逻辑器件的输出端。图2为本基于应力控制的磁性逻辑器件中铁磁纳米线中DW的示意图。图中水平方向箭头表示铁磁纳米线在此处的磁化方向。其中，铁磁纳米线中部的磁化方向与两端磁化方向相反，形成DW。图3为本基于应力控制的磁性逻辑器件中MTJ处于不同磁阻状态时的示意图。图中水平方向箭头表示MTJ钉扎层和自由层中的磁化方向，竖直方向箭头代表通过MTJ的读电流Io。图4为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“或非门”逻辑时，处于步骤1“逻辑器件初始化”中所处的状态。图中所有的电信号均断开，整个器件处于水平向右的外加磁场H中。图5为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“或非门”逻辑时，处于步骤2“逻辑状态重置”中所处的状态。其电信号的开闭如图中开关状态所示，即接通控制电流Ic，断开其他电信号。图6为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“或非门”逻辑时，处于步骤3“DW生成”中所处的状态。其电信号的开闭如图中开关状态所示，即接通磁性写入端电流Iw，断开其他电信号。图7为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“或非门”逻辑时，处于步骤4“信号输入”中所处的状态。其电信号的开闭如图中开关状态所示，即接通控制电流Ic，接通电极B1、B2的输入电平，断开其他电信号。图8为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“或非门”逻辑时，处于步骤5“信号输出”中所处的状态。其电信号的开闭如图中开关状态所示，即接通MTJ读电流Io，断开其他电信号。图9为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“非门”逻辑时，处于步骤1“逻辑器件初始化”中所处的状态。图中所有的电信号均断开，整个器件处于水平向右的外加磁场H中。图10为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“非门”逻辑时，处于步骤2“逻辑状态重置”中所处的状态。其电信号的开闭如图中开关状态所示，即接通控制电流Ic，断开其他电信号。图11为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“非门”逻辑时，处于步骤3“DW生成”中所处的状态。其电信号的开闭如图中开关状态所示，即接通磁性写入端电流Iw，断开其他电信号。图12为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“非门”逻辑时，处于步骤4“信号输入”中所处的状态。其电信号的开闭如图中开关状态所示，即接通控制电流Ic，接通电极B1的输入电平，断开其他电信号。图13为本基于应力控制的磁性逻辑器件在实现“非门”逻辑时，处于步骤5“信号输出”中所处的状态。其电信号的开闭如图中开关状态所示，即接通MTJ读电流Io，断开其他电信号。具体实施方式本节将以本专利技术，即基于应力控制的磁性逻辑器件，在实现“或非门”和“非门”逻辑运算时的步骤为例，详细说明本专利技术的工作方式。在本节约定，当电极(B1或B2)的输入电平信号U为高电平时，系统逻辑输入为“1”；当电极断开输入电信号或者输入电平U为低电平时，系统逻辑输入为“0”。当MT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型的基于应力控制的磁性逻辑器件，其特征在于：它为复合多层膜结构，在线状压电材料薄膜中心上方，生长一条铁磁性薄膜纳米线，底层压电薄膜中部为两组相对的电极B1、B2，作为逻辑信号电平U的输入端；在铁磁纳米线左端上方水平面内，通过一条垂直于纳米线方向的导电纳米线，作为磁性写入端；脉冲电流Iw通过导电纳米线时产生的奥斯特场能改变其下方铁磁纳米线的磁化方向，进而在铁磁纳米线中产生磁畴壁；在铁磁纳米线中通入控制电流Ic，驱动磁畴壁沿着电流方向运动；在铁磁纳米线的右端上方，是磁性隧道结MTJ的势垒层和钉扎层，同时铁磁纳米线作为MTJ的自由层；两层铁磁材料即自由层和钉扎层中间夹着一层绝缘体即势垒层构成的类似于三明治结构的纳米多层膜是MTJ的核心结构；由于电子的自旋特性，在电子隧穿输运性质作用下，根据MTJ自由层磁化方向与MTJ钉扎层磁化方向的平行或者反平行，MTJ分为低阻状态和高阻状态；换言之，改变铁磁性纳米线右端的磁化方向，即可控制MTJ的磁阻状态；当在MTJ上下两端通入MTJ读电流Io，能读取MTJ的磁阻状态；MTJ的磁阻状态C是本逻辑器件的输出端。

【技术特征摘要】
1.一种基于应力控制的磁性逻辑器件，其特征在于：它为复合多层膜结构，在线状压电材料薄膜中心上方，生长一条铁磁性薄膜纳米线，底层压电薄膜中部为两组相对的电极B1、B2，作为逻辑信号电平U的输入端；在铁磁纳米线左端上方水平面内，通过一条垂直于纳米线方向的导电纳米线，作为磁性写入端；脉冲电流Iw通过导电纳米线时产生的奥斯特场能改变其下方铁磁纳米线的磁化方向，进而在铁磁纳米线中产生磁畴壁；在铁磁纳米线中通入控制电流Ic，驱动磁畴壁沿着电流方向运动；在铁磁纳米线的右端上方，是磁性隧道...

【专利技术属性】
技术研发人员：王承祥，雷娜，郭玮，李智，张有光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11