基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件制造技术

本申请提出一种基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件，涉及器件和电路控制技术领域，包括：在输入端先利用电压可调磁各向异性效应降低铁磁层所需翻转能量，通过自旋轨道耦合效应材料体系施加不同方向电流产生自旋流，利用自旋轨道矩实现铁磁层翻转；在传输通道利用传输材料电学传导和自旋弛豫性质的电压可调性放大或者减小传输信号实现可重构特性；在输出端利用自旋轨道耦合逆效应实现自旋流转化电流，读取不同的电流方向，当多个输入时通过自旋流择多逻辑实现基本逻辑门电路运算。本申请无需磁场辅助，利用自旋轨道效应及其逆效应，通过全电压调控实现数据存储、写入和传输，进一步降低自旋逻辑器件的功耗，提高了器件运算速度和集成度。了器件运算速度和集成度。了器件运算速度和集成度。

【技术实现步骤摘要】
基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件


[0001]本申请涉及器件和电路控制
，尤其涉及一种基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件。

技术介绍

[0002]磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)作为一种新兴非易失存储器，具有读写速度快、能耗低、寿命长和工艺兼容性号等优势，是最具大规模产业化前景的新一代非易失性存储器之一。磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)作为MRAM的存储单元。如第一代磁场驱动型磁随机存储器(MRAM)是以脉冲电流产生的奥斯特场驱动磁性隧道结自由层的磁矩翻转和实现信息的写入操作，但是写入电流能耗高，且尺寸难以缩小；第二代自旋转移力矩(Spin Transfer Torque，STT)型磁随机存储器(STT-MRAM)是基于脉冲自旋极化电流产生的STT效应来驱动磁性隧道结自由层的磁矩翻转和信息写入，其功耗可以显著降低，但是写入时延、读写路径相同导致的读取干扰和隧穿层击穿，以及写入电流能耗等问题逐渐凸显。
[0003]随着自旋电子学的迅猛发展，自旋轨道耦合效应(Spin-Orbit Coupling，SOC)越来越受到人们的广泛关注,主要包括自旋霍尔效应和界面Edelstein效应及其逆效应，可实现电压可控的电流和自旋流的相互转化。而自旋轨道转矩(Spin-Orbit Torque，SOT)基于SOC效应，利用电荷流诱导的自旋流产生自旋转移力矩，从而达到调控磁性存储单元的目的。由于其读写路径分开化，因此具有能耗低，写入速度快，磁矩翻转性强，效率高，局域性强，稳定性高等优良性能，在磁记忆，运算，存储器件等领域展现出巨大的前景。
[0004]而第三代自旋轨道力矩型磁随机存储器(SOT-MRAM)是利用自旋流产生的SOT效应作为信息写入方式，即保持了MRAM高速度和低功耗等优异特性，又实现了读写路径的分离，更有利于提高器件的抗击穿和长寿命等性能。目前对于采用性能优异的具有垂直磁各向异性的磁性隧道结作为基本存储单元的SOT-MRAM设计，一般需要在特定方向上外加磁场的帮助下，才能够实现磁性隧道结中垂直自由层的确定性磁矩翻转和信息写入。研究发现，磁各向异性可以通过电压进行调控，如利用铁电/铁磁异质结材料或者利用电压可调控磁各向异性效应(Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy，VCMA)，进一步降低磁化翻转所需能量。
[0005]利用磁性材料的电子自旋特性来设计的数字逻辑器件称为自旋逻辑器件或磁逻辑器件。与普通的半导体逻辑器件相比，这种基于自旋相关输运特性的可重构逻辑器件具有信息非易失性、抗辐射、高操作频率、无限重构次数、与MRAM兼容、可存算一体化等优点，受到学术界和工业界重点关注。
[0006]相关技术中，SOT-MRAM通过自旋轨道耦合效应材料体系施加不同方向的电流产生自旋流，利用自旋轨道矩实现铁磁自由层翻转时，如果产生的偏置电压较小时，自由层的磁化状态翻转将会是不完整的，需要外磁场辅助。对磁隧道结进行信息读取时，所需读取的电流较大，会产生较大的能耗。
[0007]相关技术中，自旋逻辑器件的若干缺点：第一，利用磁场翻转或者非局域STT翻转，写入能耗高；第二，结构复杂，传输过程损耗大，容易受干扰，传输不易调控；第三，可扩展性差，难以大规模集成。以上缺陷都限制了自旋逻辑器件的进一步发展。

技术实现思路

[0008]本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0009]为此，本申请的第一个目的在于提出一种基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件，解决了自旋注入所产生的高功耗问题，利用电压可调磁各向异性效应降低铁磁自由层所需翻转能量，通过自旋轨道耦合效应材料体系施加不同方向的电流产生自旋流，利用自旋轨道矩实现铁磁自由层翻转，并且可通过自旋流择多逻辑实现基本逻辑门电路运算。
[0010]为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件，包括：输入端，传输通道和输出端；
[0011]所述输入端，用于利用电压产生电流，对所述电流进行降低处理，将降低的电流转化为自旋流；
[0012]所述传输通道，用于对所述自旋流进行调控后，发送给所述输出端；
[0013]所述输出端，用于对调控后的自旋流进行转化，输出电流；其中，所述输出电流与所述调控后的自旋流的极化方向相同。
[0014]在本申请的一个实施例中，所述输入端自上而下分别为第一顶端电极、压控层，第一铁磁层、第一SOC荷电状态层和第一传输层；
[0015]在所述第一顶端电极施加一个偏置电压产生电流；
[0016]所述压控层用于在所述第一铁磁层的界面基于产生电压可调磁各向异性效应以降低所述铁磁层的电流；
[0017]基于所述第一SOC层的自旋轨道耦合效应，在所述铁磁层的界面处会将电流转化为自旋流；其中，电流方向与产生自旋流的极化方向一一对应，所述第一传输层将所述自旋流发送给所述传输通道。
[0018]在本申请的一个实施例中，所述传输通道利用传输材料的电学传导和自旋弛豫性质的电压可调性对所述自旋流进行放大或者减小传输信号发送给所述输出端。
[0019]在本申请的一个实施例中，所述输出端自上而下分别为第二顶端电极、第二铁磁层、第二SOC层、第一传输层和底端电极；
[0020]当所述自旋流传输至所述输入端，在所述第二顶端电极和第一底端电极之间通入电流；
[0021]通过所述第二SOC层产生的逆自旋轨道耦合效应使所述自旋流转化为电流；其中，产生的电流方向由传输的自旋流的极化方向决定，进入传输通道传输。
[0022]在本申请的一个实施例中，当有多个输入端时，多个自旋流通过自旋流择多逻辑进行基本逻辑门电路运算，再通过所述第二SOC层转化成运算后的输出电流。
[0023]在本申请的一个实施例中，铁磁层材料为混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中一种或多种。
[0024]在本申请的一个实施例中，所述第一SOC层材料为半导体、金属体系和重金属中一
种或多种。
[0025]在本申请的一个实施例中，所述传输材料为金属纳米线、半导体硅、碳纳米管、石墨烯、硅烯、二硫化钼或低维材料中的一种或多种。
[0026]在本申请的一个实施例中，所述第二SOC层材料为金属体系界面、复杂金属氧化物界面的二维电子气、二维材料体系石墨烯、二硫化钼、碲化钨和拓扑绝缘体硒化铋类中的一种或多种。
[0027]本申请实施例的基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件，在输入端，先利用电压可调磁各向异性效应降低铁磁层所需翻转能量，然后通过自旋轨道耦合效应材料体系施加不同方向的电流产生自旋流，利用自旋轨道矩实现铁磁自由层翻转；在传输通道，利用传输材料的电学传导和自旋弛豫性质的电压可调性，进一步放大或者减小传输信号，实现可重构特性；在输出端，利用自旋轨道耦合逆效应实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自旋轨道耦合效应的全电压调控逻辑器件，其特征在于，包括：输入端，传输通道和输出端；所述输入端，用于利用电压产生电流，对所述电流进行降低处理，将降低的电流转化为自旋流；所述传输通道，用于对所述自旋流进行调控后，发送给所述输出端；所述输出端，用于对调控后的自旋流进行转化，输出电流；其中，所述输出电流与所述调控后的自旋流的极化方向相同。2.如权利要求1所述的全电压调控逻辑器件，其特征在，所述输入端自上而下分别为第一顶端电极、压控层，第一铁磁层、第一SOC荷电状态层和第一传输层；在所述第一顶端电极施加一个偏置电压产生电流；所述压控层用于在所述第一铁磁层的界面基于产生电压可调磁各向异性效应以降低所述第一铁磁层的电流；基于所述第一SOC层的自旋轨道耦合效应，在所述第一铁磁层的界面处会将电流转化为自旋流；其中，电流方向与产生自旋流的极化方向一一对应，所述第一传输层将所述自旋流发送给所述传输通道。3.如权利要求1所述的全电压调控逻辑器件，其特征在，所述传输通道利用传输材料的电学传导和自旋弛豫性质的电压可调性对所述自旋流进行放大或者减小传输信号发送给所述输出端。4.如权利要求1所述的全电压调控逻辑器件，其特征在，所述输出端自上而下分别为第二顶端电极、...

【专利技术属性】
技术研发人员：粟傈，李晴，童良乐，王向禹，杨帆，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：