一种基于磁性斯格明子的与逻辑门和与非逻辑门制造技术

本发明专利技术公开了一种基于磁性斯格明子的与逻辑门和与非逻辑门，本发明专利技术将磁性斯格明子置于环形磁性赛道中，采用电压驱动的方式使斯格明子在磁性赛道中循环运动，并通过磁隧道结来读取斯格明子在磁性赛道中的状态，进而实现与门以及与非门的逻辑功能，保障了基于斯格明子的非门与门以及与使用时的稳定性。

A kind of AND-LOGIC GATE AND NON-LOGIC GATE BASED ON MAGNETIC SCRGMINGS

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁性斯格明子的与逻辑门和与非逻辑门
本专利技术涉及逻辑器件领域，更具体地说，涉及一种基于磁性斯格明子的与逻辑门和与非逻辑门。
技术介绍
与逻辑门和与非逻辑门属于逻辑器件中较为常见的一种器件，是数字电路中不可或缺的一个组件，传统的逻辑器件普遍采用的CMOS工艺制备，随着器件集成度的提升，这种半导体技术的缺陷逐渐暴露出来：一方面晶体管随着尺寸的减小其漏电流不断增大，器件的功耗逐步增大；另一方面晶体管电路逐渐趋于性能极限，继续提高集成度将变得十分困难。磁性斯格明子是磁性材料中一种具有拓扑保护特性的磁结构，由于其纳米尺寸(直径最小仅有几个纳米)，拓扑保护(稳定性好)等特性，因此磁性斯格明子作为高集成度器件的信息存储介质有着得天独厚的优势，可以应用于存储器和逻辑器件之中。目前所提出的磁性斯格明子逻辑器件均为直赛道结构，通过驱动在输入端生成的斯格明子运动至输出端来实现逻辑功能，这种结构会导致此类器件在运算后使得斯格明子滞留在器件中，进而影响器件的二次使用。因此，一种可重复使用的斯格明子逻辑器件设计方案是十分有必要的。相关研究表明，磁性斯格明子的运动可以通过电压控制磁性材料的磁各向异性能梯度变化来实现(WangXet.al,Efficientskyrmiontransportmediatedbyvoltagecontrolledmagneticanisotropygradient)，并且磁隧道结(MTJ)可以用于读取斯格明子的状态(Jaffrès,H,et.al,Angulardependenceofthetunnelmagnetoresistanceintransition-metal-basedjunctions)。以上技术手段已通过实验和理论得到证实，均被本专利技术所采用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术中所提出的磁性斯格明子JK触发器均为直赛道结构，该结构是通过驱动在输入端生成的斯格明子运动至输出端来实现逻辑功能，这种结构会导致此类器件在运算后使得斯格明子滞留在器件中，进而影响器件的二次使用的技术缺陷，提供一种基于磁性斯格明子的具有环形磁性赛道结构的基于磁性斯格明子的与逻辑门和与非逻辑门。本专利技术解决其技术问题，采用的基于磁性斯格明子的与逻辑门采用环形磁性赛道结构，环形磁性赛道结构为由第1赛道至第4赛道依次连接而成的环形，第1赛道和第3赛道为直赛道，第2赛道和第4赛道为弯曲赛道，每段赛道均为一端厚一端薄的楔形结构，任意两个楔形结构的连接处为一个楔形结构的厚端与另一个楔形结构的薄端连接；每段赛道包括依次设置的电极层、介电层以及第一铁磁层，即共4段电极层、4段介电层以及4段第一铁磁层；4段第一铁磁层为一体成型的整体，4段电极层及4段介电层均为4段独立的结构，且任意相邻的两介电层的厚度不一致，从而使得任意相邻的两电极层之间是非接触的，以保证绝缘；磁性斯格明子初始固化于第1赛道或第3赛道；在第3赛道的第一铁磁层上设置有磁隧道结，所述磁隧道结包括依次设置的：磁隧道结所在的第一铁磁层、绝缘层和第二铁磁层，所述绝缘层位于磁隧道结所在的第一铁磁层的接触面的相对面上，第二铁磁层的磁化方向与一铁磁层的磁化方向相同，所述接触面是指磁隧道结所在的第一铁磁层与介电层相接触的面，第1赛道和第2赛道的电极层引出与逻辑门的两个信号输入端INPUTB和INPUTA，第3赛道的电极层引出时钟信号输入端，第4赛道的电极层引出高电平输入端，第二铁磁层上引出输出端。进一步地，在本专利技术的基于磁性斯格明子的与逻辑门中，第1赛道和第3赛道的长度相同，第2赛道和第4赛道为半径一致的半圆环。进一步地，在本专利技术的基于磁性斯格明子的与逻辑门中，4段电极层的厚度一致，第一铁磁层的厚度均匀。进一步地，在本专利技术的基于磁性斯格明子的与逻辑门中，任意相邻的两介电层的厚度不一致是通过下述方式实现的：通过将不同段的介电层采用不同的材料制成。进一步地，在本专利技术的基于磁性斯格明子的与逻辑门中，与逻辑门实现与逻辑运算的过程如下：：INPUTA输入“0”且INPUTB输入“0”时，第1赛道和第2赛道均没有磁各向异性能梯度，这会导致斯格明子最终停留在第4赛道，由于斯格明子最终滞留在第4赛道，第3赛道的磁隧道结5无法检测到斯格明子，所以A:“0”B:“0”输入对应“0”输出；INPUTA输入“1”且INPUTB输入“0”时,第1赛道没有磁各向异性能梯度，第2赛道有磁各向异性能梯度，最终斯格明子仍会在第4赛道停止运动，由于斯格明子最终滞留在第4赛道，第3赛道的磁隧道结5无法检测到斯格明子，所以A:“1”B:“0”输入对应“0”输出；INPUTA输入“0”且INPUTB输入“1”时,第1赛道有磁各向异性能梯度，第2赛道没有磁各向异性梯度，由于第1赛道的磁各项异性能小于第4赛道的磁各向异性能，于是斯格明子将会从第4赛道运动至第1赛道，最终斯格明子会停留在第1赛道，由于斯格明子最终滞留在第1赛道，第3赛道的磁隧道结5无法检测到斯格明子，所以A:“0”B:“1”输入对应“0”输出；INPUTA输入“1”且INPUTB输入“1”时,第1赛道和第2赛道均有磁各向异性梯度，并且从第1赛道至第2赛道，其磁各向异性能逐步下降，于是斯格明子将会沿着梯度方向运动第2赛道，等待时钟信号从“0”至“1”后，第2赛道磁各向异性将会大于第3赛道磁各向异性，于是斯格明子会从第2赛道运动至第3赛道，最终将停留在第3赛道，第3赛道的磁隧道结5能够检测到斯格明子，所以A:“1”B:“1”输入对应“1”输出。进一步地，在本专利技术的基于磁性斯格明子的与逻辑门中，所述与逻辑门进行过一次运算后，需要对器件中的斯格明子复位至第3赛道，具体操作为：给逻辑门INPUTA和INPUTB均输入高电平“1”持续一个时钟周期，通过复位的方式进而实现器件的循环使用。本专利技术为解决其技术问题，所述采用的基于磁性斯格明子的与非逻辑门采用环形磁性赛道结构，环形磁性赛道结构为由第1赛道至第4赛道依次连接而成的环形，第1赛道和第3赛道为直赛道，第2赛道和第4赛道为弯曲赛道，每段赛道均为一端厚一端薄的楔形结构，任意两个楔形结构的连接处为一个楔形结构的厚端与另一个楔形结构的薄端连接；每段赛道包括依次设置的电极层、介电层以及第一铁磁层，即共4段电极层、4段介电层以及4段第一铁磁层；4段第一铁磁层为一体成型的整体，4段电极层及4段介电层均为4段独立的结构，，且任意相邻的两介电层的厚度不一致，从而使得任意相邻的两电极层之间是非接触的，以保证绝缘；磁性斯格明子初始固化于第1赛道或第3赛道；在第3赛道的第一铁磁层上设置有磁隧道结，所述磁隧道结包括依次设置的：磁隧道结所在的第一铁磁层、绝缘层和第二铁磁层，所述绝缘层位于磁隧道结所在的第一铁磁层的接触面的相对面上，第二铁磁层的磁化方向与一铁磁层的磁化方向相反，所述接触面是指磁隧道结所在的第一铁磁层与介电层相接触的面，第1赛道和第2赛道的电极层引出与逻辑门的两个信号输入端INPUTB和INPUTA，第3赛道的电极层引出时钟信号输入端，第4赛道的电极层引出高电平输入端，第二铁磁层上引出输出端。进一步地，在本专利技术的基于磁性斯格明子的与非逻辑门中，第1赛道和第3赛道的长度相同，第2赛道和第4赛道为半径一致的半本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁性斯格明子的与逻辑门，其特征在于，采用环形磁性赛道结构，环形磁性赛道结构为由第1赛道至第4赛道依次连接而成的环形，第1赛道和第3赛道为直赛道，第2赛道和第4赛道为弯曲赛道，每段赛道均为一端厚一端薄的楔形结构，任意两个楔形结构的连接处为一个楔形结构的厚端与另一个楔形结构的薄端连接；每段赛道包括依次设置的电极层、介电层以及第一铁磁层，即共4段电极层、4段介电层以及4段第一铁磁层；4段第一铁磁层为一体成型的整体，4段电极层及4段介电层均为4段独立的结构，，且任意相邻的两介电层的厚度不一致，从而使得任意相邻的两电极层之间是非接触的，以保证绝缘；磁性斯格明子初始固化于第1赛道或第3赛道；在第3赛道的第一铁磁层上设置有磁隧道结，所述磁隧道结包括依次设置的：磁隧道结所在的第一铁磁层、绝缘层和第二铁磁层，所述绝缘层位于磁隧道结所在的第一铁磁层的接触面的相对面上，第二铁磁层的磁化方向与一铁磁层的磁化方向相同，所述接触面是指磁隧道结所在的第一铁磁层与介电层相接触的面，第1赛道和第2赛道的电极层引出与逻辑门的两个信号输入端INPUT B和INPUT A，第3赛道的电极层引出时钟信号输入端，第4赛道的电极层引出高电平输入端，第二铁磁层上引出输出端。...

【技术特征摘要】
1.一种基于磁性斯格明子的与逻辑门，其特征在于，采用环形磁性赛道结构，环形磁性赛道结构为由第1赛道至第4赛道依次连接而成的环形，第1赛道和第3赛道为直赛道，第2赛道和第4赛道为弯曲赛道，每段赛道均为一端厚一端薄的楔形结构，任意两个楔形结构的连接处为一个楔形结构的厚端与另一个楔形结构的薄端连接；每段赛道包括依次设置的电极层、介电层以及第一铁磁层，即共4段电极层、4段介电层以及4段第一铁磁层；4段第一铁磁层为一体成型的整体，4段电极层及4段介电层均为4段独立的结构，，且任意相邻的两介电层的厚度不一致，从而使得任意相邻的两电极层之间是非接触的，以保证绝缘；磁性斯格明子初始固化于第1赛道或第3赛道；在第3赛道的第一铁磁层上设置有磁隧道结，所述磁隧道结包括依次设置的：磁隧道结所在的第一铁磁层、绝缘层和第二铁磁层，所述绝缘层位于磁隧道结所在的第一铁磁层的接触面的相对面上，第二铁磁层的磁化方向与一铁磁层的磁化方向相同，所述接触面是指磁隧道结所在的第一铁磁层与介电层相接触的面，第1赛道和第2赛道的电极层引出与逻辑门的两个信号输入端INPUTB和INPUTA，第3赛道的电极层引出时钟信号输入端，第4赛道的电极层引出高电平输入端，第二铁磁层上引出输出端。2.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的与逻辑门，其特征在于，第1赛道和第3赛道的长度相同，第2赛道和第4赛道为半径一致的半圆环。3.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的与逻辑门，其特征在于，4段电极层的厚度一致，第一铁磁层的厚度均匀。4.根据权利要求3所述的基于磁性斯格明子的与逻辑门，其特征在于，任意相邻的两介电层的厚度不一致是通过下述方式实现的：通过将不同段的介电层采用不同的材料制成。5.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的与逻辑门，其特征在于，与逻辑门实现与逻辑运算的过程如下：INPUTA输入“0”且INPUTB输入“0”时，第1赛道和第2赛道均没有磁各向异性能梯度，这会导致斯格明子最终停留在第4赛道，由于斯格明子最终滞留在第4赛道，第3赛道的磁隧道结5无法检测到斯格明子，所以A:“0”B:“0”输入对应“0”输出；INPUTA输入“1”且INPUTB输入“0”时,第1赛道没有磁各向异性能梯度，第2赛道有磁各向异性能梯度，最终斯格明子仍会在第4赛道停止运动，由于斯格明子最终滞留在第4赛道，第3赛道的磁隧道结5无法检测到斯格明子，所以A:“1”B:“0”输入对应“0”输出；INPUTA输入“0”且INPUTB输入“1”时,第1赛道有磁各向异性能梯度，第2赛道没有磁各向异性梯度，由于第1赛道的磁各项异性能小于第4赛道的磁各向异性能，于是斯格明子将会从第4赛道运动至第1赛道，最终斯格明子会停留在第1赛道，由于斯格明子最终滞留在第1赛道，第3赛道的磁隧道结5无法检测到斯格明子，所以A:“0”B:“1”输入对应“0”输出；INPUTA输入“1”且INPUTB输入“1”时,第1赛道和第2赛道均有磁各向异性梯度，并且从第1赛道至第2赛道，其磁各向异性能逐步下降，于是斯格明子将会沿着梯度方向运动第2赛道，等待时钟信号从“0”至“1”后，第2赛道磁各向异性将会大于第3赛道磁各向异性，于是斯格明子会从第2赛道运动至第3赛道，最终将停留在第3赛道，第3赛道的磁隧道结5能够检测到斯格明子，所以A:“1”B:“1”输入对应“1”输出。6.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的与逻辑门，其特征在于，所述与逻辑门进行过一次运算后，需要对器件中的斯格明子复位至第3赛道，具体操作为：给逻辑门INPUTA和INPUTB均输入高电平“1”...

【专利技术属性】
技术研发人员：晋芳，饶恒畅，赵植，董凯锋，宋俊磊，莫文琴，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42