逻辑器件及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种逻辑器件及其制作方法，该逻辑器件从下至上依次包括：柔性衬底，非磁缓冲层，耦合层，磁性缓冲层，多铁层和电极层；其中，耦合层为超薄膜，以实现反常霍尔效应和拓扑霍尔效，电极层包括十字结构，通过改变施加在非磁缓冲层与电极层之间电压的方向，改变十字结构的其中一组相对端之间的霍尔电阻。具体地，衬底为柔性衬底，具有抗挤压、可弯曲等优点，该器件采用了反常霍尔效应和拓扑霍尔效应原理，具有高灵敏性且不易失真的特性，不仅有效降低了对自旋轨道耦合效应进行调控所需的电压，还可结合外部磁场实现逻辑非运算功能，进一步地，还可基于此逻辑器件制作出相应的存储器件。

Logic device and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
逻辑器件及其制造方法
本专利技术涉及微电子
，具体地涉及一种基于多铁磁电耦合及自旋轨道耦合效应的逻辑器件及其制造方法。
技术介绍
传统电子学以电子的电荷属性为基础，人们通过对电子电荷的控制来实现信息存储及逻辑处理。然而，随着电子器件逐渐微型化，所面临的量子效应、能量损耗等的影响越来越明显，传统电子器件已经无法满足发展的需求。自旋电子器件具有非挥发性、低能耗和高集成度等优点使其飞速发展起来，自旋电子器件在信息处理中的高计算能力、低能耗等特性是传统的半导体电子器件无法比拟的。自旋轨道耦合可利用其产生的力矩实现对磁矩的操控，可实现小尺寸下的自旋翻转控制而不需要借助特定的磁性材料来产生自旋极化电流。基于自旋轨道转矩(自旋轨道耦合)的自旋逻辑器件在逻辑配置方面具有特别的优点，它可重新配置逻辑运算。易于结合电压控制的磁各向异性(VCMA)效应来调控自旋轨道耦合。传统自旋轨道耦合调控依赖电流产生的磁场、自旋力矩等，这需要较高的电流密度，从而产生大量的能耗。而多铁性材料可以使用电场调控自旋轨道耦合，能够有效降低能耗，在信息存储、自旋电子学等方面具有巨大的潜在应用前景。有鉴于此，设计一种轻便、便携、低功耗、稳定性好的逻辑器件及该器件的制作方法是本专利技术所要解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种基于多铁磁电耦合及自旋轨道耦合效应的逻辑器件，以解决现有技术中逻辑器件柔韧性不足及能耗高等问题。一方面，本专利技术提供一种逻辑器件，其特征在于，包括：衬底，用于承载所述逻辑器件，所述衬底为柔性衬底；非磁缓冲层，位于所述衬底上，厚度为10-30nm；耦合层，位于所述非磁缓冲层上，厚度为1-5u.c.，优选厚度为2u.c.；磁性缓冲层，位于所述耦合层上，厚度为10-30nm；多铁层，位于所述磁性缓冲层上，厚度为10-30nm；电极层，位于所述多铁层上，厚度为3-10nm；其中，所述耦合层为超薄膜，以实现反常霍尔效应和拓扑霍尔效，所述电极层包括至少一个十字结构，通过改变施加在所述非磁缓冲层与所述电极层之间电压的方向，改变所述十字结构的其中一组相对端之间的霍尔电阻。优选地，所述非磁缓冲层、所述耦合层、所述磁性缓冲层和所述多铁层的材料均为氧化物。优选地，所述逻辑器件为非易失性逻辑器件。优选地，所述十字结构的其中一组相对端为输出端，通过从该输出端检测所述电极层的霍尔电阻作为输出信号，所述十字结构中与所述输出端相垂直的方向上的另两端，其一端与非磁缓冲层之间施加输入电压作为输入端，另一端接入输入电流。优选地，所述逻辑器件通过改变电场使反常霍尔电阻翻转并使拓扑霍尔电阻的大小和有限影响区域改变，从而在所述输出端获取对应的输出信号。优选地，将所述逻辑器件放置于预设磁场中，所述非磁缓冲层与所述电极层之间的输入电压作为输入，该逻辑器件可实现非逻辑并可通过调节预设磁场的正负及输入电压对所述逻辑器件进行初始化。优选地，所述预设磁场的方向垂直于所述输出端，所述逻辑器件为非易失性逻辑器件。优选地，所述霍尔电阻具有高阻态和低阻态，所述霍尔电阻为低阻态时，所述逻辑器件的输出为0，所述霍尔电阻为高阻态时，所述逻辑器件的输出为1。根据本专利技术的另一方面，还提供一种存储器，其特征在于，包括如上任一项所述的逻辑器件。根据本专利技术的另一方面，还提供一种逻辑器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：对衬底进行清洁；在清洁后的衬底上制备非磁缓冲层；在非磁缓冲层上制备耦合层；在耦合层上制备磁性缓冲层；在磁性缓冲层上制备多铁层；在多铁层上制备电极层；对所述电极层进行加工，使其具有十字结构；其中，所述耦合层为超薄膜，所述十字结构通过光刻和蚀刻形成，所述非磁缓冲层、所述耦合层、所述磁性缓冲层和所述多铁层的材料均为氧化物。优选地，所述衬底由单晶云母片、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯对苯二酸脂、聚二甲基硅氧、聚丙烯己二酯中的至少一种材料制成；所述非磁缓冲层由SrTiO3、LaAlO3、AlO中的至少一种材料制成；所述耦合层由SrIrO3、Sr2IrO4、ZrBi2、IrTe2、Sr2RuO4中的至少一种材料制成；所述磁性缓冲层由YIG、NiFe2O4、ZnCoO、Fe3O4、CoO、NiO中的至少一种材料制成；所述多铁层由BiFeO3、YMnO3、YMn2O5、BiMnO3、TbMnO3、YbMn2O5、GdMnO、HoMnO3、DyMnO3中的至少一种材料制成；所述电极层由Pt、Au、Ag中的至少一种材料制成。本专利技术提供的逻辑器件，具有以下优点或有益效果：该逻辑器件结合了多铁材料的电磁耦合效应，在电极层、多铁层、耦合层的结构中利用电场调控自旋轨道耦合效应，有效降低了对自旋轨道耦合效应进行调控所需的电压，使电场调控效果更加显著，并且由于铁电场(多铁层)具有非易失性控制特点，还可实现非易失性的逻辑非存储器件，进一步地，该逻辑器件所对应的制作方法也具有很强的实用性。本专利技术实施例所提供的具有逻辑非运算功能的逻辑器件，其可直接以正负电场(电压)作为输入端，具有低耗能的特点，该逻辑器件还具有信息初始化功能。由于本专利技术所提供的逻辑器件，采用了超薄膜的耦合层，利用反常霍尔效应和拓扑霍尔效应原理，ρAHE和ρTHE对磁场具有高灵敏性，本专利技术相比传统方法得到的霍尔电阻更加准确，霍尔临界磁场也更精确，使得本专利技术的逻辑器件具有高灵敏度且不易失真的优点。本专利技术采用了柔性衬底，并采用多铁性材料及强自旋轨道耦合材料来实现电场对其界面自旋轨道耦合效应的调控，进而调控其中的霍尔电阻，利用正负电场对反常霍尔效应和拓扑霍尔效应的影响，得到不同电压下的Rxy-B信号，从而可实现逻辑非运算功能，以得到轻巧、超便携、低功耗的逻辑器件，还可基于此逻辑器件制作出可快速读写及高存储密度的存储器件。附图说明通过以下参照附图对本专利技术实施例的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1为本专利技术实施例的逻辑器件的结构示意图；图2为本专利技术实施例的逻辑器件的连接示意图；图3为本专利技术实施例的逻辑器件的连接俯视图；图4为本专利技术逻辑器件实施例的实验特性图；图5为本专利技术实施例的逻辑器件的制作流程图。具体实施方式以下公开为实施本申请的不同特征提供了许多不同的实施方式或实例。下面描述了部件或者布置的具体实施例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例并不旨在限制本专利技术。此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素之间进行区分，而未必描述时间顺序、空间顺序、等级顺序或者任何其他方式的顺序、应当理解，如果使用的这些术语在适当的环境下可互换，并且此处描述的本专利技术的实施例能够以本文描述或示出以外的其他顺序来操作。应当注意，在权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于下文所列出的手段，它并不排除其他元件或步骤。由此，它应当被解释为指定如涉及的所述特征、数字、步骤或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、数字、步骤或部件、或者其组合的存在或添加。因此，措词“包括装置A和B的设备”的范围不应当仅限于仅由组件A和B构成的装置。这意味着相对于本专利技术而言，设备的相关组件是A和B。下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种逻辑器件，其特征在于，包括：衬底，用于承载所述逻辑器件，所述衬底为柔性衬底；非磁缓冲层，位于所述衬底上；耦合层，位于所述非磁缓冲层上；磁性缓冲层，位于所述耦合层上；多铁层，位于所述磁性缓冲层上；电极层，位于所述多铁层上；其中，所述耦合层为厚度为1‑5u.c.的超薄膜，以实现反常霍尔效应和拓扑霍尔效，所述电极层包括至少一个十字结构，通过改变施加在所述非磁缓冲层与所述电极层之间电压的方向，改变所述十字结构的其中一组相对端之间的霍尔电阻。

【技术特征摘要】
1.一种逻辑器件，其特征在于，包括：衬底，用于承载所述逻辑器件，所述衬底为柔性衬底；非磁缓冲层，位于所述衬底上；耦合层，位于所述非磁缓冲层上；磁性缓冲层，位于所述耦合层上；多铁层，位于所述磁性缓冲层上；电极层，位于所述多铁层上；其中，所述耦合层为厚度为1-5u.c.的超薄膜，以实现反常霍尔效应和拓扑霍尔效，所述电极层包括至少一个十字结构，通过改变施加在所述非磁缓冲层与所述电极层之间电压的方向，改变所述十字结构的其中一组相对端之间的霍尔电阻。2.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，所述非磁缓冲层、所述耦合层、所述磁性缓冲层和所述多铁层的材料均为氧化物。3.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，所述十字结构的其中一组相对端为输出端，通过从该输出端检测所述电极层的霍尔电阻作为输出信号，所述十字结构中与所述输出端相垂直的方向上的另两端，其一端与非磁缓冲层之间施加输入电压作为输入端，另一端接入输入电流。4.根据权利要求3所述的逻辑器件，其特征在于，所述逻辑器件通过改变电场使反常霍尔电阻翻转并使拓扑霍尔电阻的大小和有限影响区域改变，从而在所述输出端获取对应的输出信号。5.根据权利要求3所述的逻辑器件，其特征在于，将所述逻辑器件放置于预设磁场中，所述非磁缓冲层与所述电极层之间的输入电压作为输入，该逻辑器件可实现非逻辑并可通过调节预设磁场的正负及输入电压对所述逻辑器件进行初始化。6.根据权利要求5所述的逻辑器件，其特征在于，所述预设磁场的方向垂直于所述输出端，所述逻辑器件为非易...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建国，
申请(专利权)人：叶建国，
类型：发明
国别省市：河北,13