自旋电子器件和存内逻辑计算器件制造技术

本发明专利技术提供一种自旋电子器件和存内逻辑计算器件。该自旋电子器件包括：金属层；自由磁性层，具有响应于外部磁场变化的磁化方向；固定磁性层，具有固定的磁化方向；氧化层，包括第一氧化层和第二氧化层；第一氧化层位于金属层与自由磁性层之间；第二氧化层位于自由磁性层与固定磁性层之间。本发明专利技术可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。

Spin electronic devices and in memory logic computing devices

The invention provides a spin electronic device and an in memory logic computing device. The spin electronic device comprises a metal layer, a free magnetic layer having a magnetization direction responsive to the change of an external magnetic field, a fixed magnetic layer having a fixed magnetization direction, an oxide layer including a first oxide layer and a second oxide layer, a first oxide layer between a metal layer and a free magnetic layer, and a second oxide layer between a free magnetic layer and a fixed magnetic layer. The invention can make a single device realize storage and logic processing at the same time, facilitate processing, and reduce transmission power consumption and manufacturing cost.

【技术实现步骤摘要】
自旋电子器件和存内逻辑计算器件
本专利技术涉及纳米电子器件
，具体地，涉及一种自旋电子器件和存内逻辑计算器件。
技术介绍
伴随物联网、大数据、人工智能等应用的迅猛发展，数据量产生爆发式增长，然而受限于传统的冯诺依曼架构，数据处理单元与数据存储单元相分离，导致数据在存储单元与处理单元之间频繁迁移，其产生的传输功耗甚至远超过实际数据处理的功耗，引起“功耗墙”问题。因此，实现在内存内进行数据处理是现今的重要研究方向之一。近年来，基于自旋电子学的新型非易失性自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)，为存内处理技术的实现提供了现实可能性，自旋存储器的核心器件是三明治结构的磁性隧道结，主要由上下两层铁磁性金属层(如CoFeB)内夹一层金属氧化层(如MgO)构成，其中一层磁性金属层为固定层，而另一磁性金属层为自由层，根据其上下两个铁磁性金属层的相对磁化方向不同(平行态或者反平行态)磁性隧道结可表现出两种不同阻态(低阻态和高阻态)，用于存储数据信息。而自旋转移矩效应是STT-MRAM的重要写入机理，当在磁性隧道结结构中(固定层/隔离层/自由层)，通过一定大小的电流时，流经固定层后产生的自旋极化电流会对自由层磁矩产生力矩，从而实现自由层磁化方向的翻转(即写入过程)。自旋存储器本身具有非易失性(即断电数据不丢失)、高密度、高速度、高耐久性等优点，且和当前的CMOS工艺具有较好的兼容性。能否获得较大的自旋转移力矩是利用自旋转移矩作用于磁性自由层的一个重要的因素。由于磁性隧道结自旋电流注入效率的限制，产生足够大小的自旋转移力矩往往需要较大的电流密度，进而增加了STT-MRAM的工作功耗，这为其实际应用造成不便。目前没有在内存内进行数据处理的电子器件，导致电子器件产生了巨大的传输功耗。
技术实现思路
本专利技术实施例的主要目的在于提供一种自旋电子器件和存内逻辑计算器件，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供一种自旋电子器件，包括：金属层；自由磁性层，具有响应于外部磁场变化的磁化方向；固定磁性层，具有固定的磁化方向；氧化层，包括第一氧化层和第二氧化层；第一氧化层位于金属层与自由磁性层之间；第二氧化层位于自由磁性层与固定磁性层之间。在其中一种实施例中，金属层的厚度大于10纳米且小于200纳米。在其中一种实施例中，自由磁性层的厚度大于0纳米且小于3纳米；固定磁性层的厚度大于0纳米且小于3纳米。在其中一种实施例中，第一氧化层的厚度大于0纳米且小于3纳米；第二氧化层的厚度大于0纳米且小于2纳米。在其中一种实施例中，金属层为钽、铝、铜中的至少一种。在其中一种实施例中，自由磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合；固定磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合。在其中一种实施例中，氧化层包括氧化镁或三氧化二铝。本专利技术实施例的自旋电子器件包括金属层，自由磁性层，固定磁性层和氧化层；第一氧化层位于金属层与自由磁性层之间，第二氧化层位于自由磁性层与固定磁性层之间，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。本专利技术实施例还提供一种存内逻辑计算器件，包括：第一开关管、第二开关管和如上所述的自旋电子器件；自旋电子器件的金属层连接第一开关管的第一端；第一开关管的第二端连接逻辑线，第一开关管的栅极连接逻辑控制线；自旋电子器件的自由磁性层连接第二开关管的第一端；第二开关管的第二端连接源线，第二开关管的栅极连接字线；自旋电子器件的固定磁性层连接位线。在其中一种实施例中，第一开关管的第一端为源极，第一开关管的第二端为漏极；或，第一开关管的第二端为源极，第一开关管的第一端为漏极。在其中一种实施例中，第二开关管的第一端为源极，第二开关管的第二端为漏极；或，第二开关管的第二端为源极，第二开关管的第一端为漏极。本专利技术实施例的存内逻辑计算器件包括第一开关管、第二开关管和自旋电子器件；自旋电子器件的金属层通过第一开关管连接逻辑线，自由磁性层通过第二开关管连接源线，固定磁性层连接位线，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例中自旋电子器件的示意图；图2是本专利技术实施例中自旋电子器件的工作示意图；图3是本专利技术实施例中自旋电子器件的IMP逻辑时序图；图4是本专利技术实施例中自旋电子器件的NAND逻辑时序图；图5是本专利技术第一实施例中自旋电子器件的示意图；图6是本专利技术第二实施例中自旋电子器件的示意图。具体实施方式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，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。鉴于目前没有在内存内进行数据处理的电子器件，导致电子器件产生了巨大的传输功耗，本专利技术实施例提供一种自旋电子器件和存内逻辑计算器件，可以令单一器件同时实现存储与逻辑处理，加工方便，降低了传输功耗和制造成本。以下结合附图对本专利技术进行详细说明。图1是本专利技术实施例中自旋电子器件的示意图。如图1所示，自旋电子器件，包括：金属层；金属层为钽、铝、铜中的至少一种，其厚度大于10纳米且小于200纳米。自由磁性层，具有响应于外部磁场变化的磁化方向；自由磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合，其厚度大于0纳米且小于3纳米。固定磁性层，具有固定的磁化方向；固定磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合，其厚度大于0纳米且小于3纳米。氧化层，包括第一氧化层和第二氧化层，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；第一氧化层和第二氧化层均可以包括氧化镁或三氧化二铝，第一氧化层的厚度大于0纳米且小于3纳米，第二氧化层的厚度大于0纳米且小于2纳米。第一氧化层位于金属层与自由磁性层之间；第二氧化层位于自由磁性层与固定磁性层之间。本专利技术所述的自旋电子器件的形状为正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)，也就是说该自旋电子器件为正方形、长方形、圆形、及椭圆形中的一种，尺寸为纳米级。本专利技术所述的自旋电子器件的制备工艺包括磁控溅射、分子束外延(MBE)、离子束沉积(IBD)、物理气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋电子器件，其特征在于，包括：/n金属层；/n自由磁性层，具有响应于外部磁场变化的磁化方向；/n固定磁性层，具有固定的磁化方向；/n氧化层，包括第一氧化层和第二氧化层；/n所述第一氧化层位于所述金属层与所述自由磁性层之间；/n所述第二氧化层位于所述自由磁性层与所述固定磁性层之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种自旋电子器件，其特征在于，包括：
金属层；
自由磁性层，具有响应于外部磁场变化的磁化方向；
固定磁性层，具有固定的磁化方向；
氧化层，包括第一氧化层和第二氧化层；
所述第一氧化层位于所述金属层与所述自由磁性层之间；
所述第二氧化层位于所述自由磁性层与所述固定磁性层之间。


2.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其特征在于，
所述金属层的厚度大于10纳米且小于200纳米。


3.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其特征在于，
所述自由磁性层的厚度大于0纳米且小于3纳米；
所述固定磁性层的厚度大于0纳米且小于3纳米。


4.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其特征在于，
所述第一氧化层的厚度大于0纳米且小于3纳米；
所述第二氧化层的厚度大于0纳米且小于2纳米。


5.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其特征在于，
所述金属层为钽、铝、铜中的至少一种。


6.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其特征在于，
所述自由磁性层包括钴铁、钴铁硼和镍铁的其中之一或任意组合；
所述固...

【专利技术属性】
技术研发人员：高天琦，曾琅，赵巍胜，
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