一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件及其调控方法技术

本发明专利技术属于磁性器件领域，具体为一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件及其调控方法。本发明专利技术采用铁磁/反铁磁双层垂直交换偏置结构制备自旋逻辑器件，利用自旋轨道矩效应，通过输入电流在重金属层中产生自旋极化流，从而调制铁磁层/反铁磁双层膜中交换偏置场，通过结构中反常霍尔电压的测试，且配合沿单元长轴方向自旋轨道矩注入电流大小的改变，实现与门、与非门、或门、或非门、非门逻辑。本发明专利技术不但实现基于反铁磁材料的新型自旋逻辑器件，且具有更强的抗外磁场干扰能力、开关电流密度低、结构简单、与MRAM工艺兼容等优点。与MRAM工艺兼容等优点。与MRAM工艺兼容等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件及其调控方法


[0001]本专利技术属于磁性器件领域，具体为一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件及其调控方法，利用自旋轨道矩效应，调制铁磁层/反铁磁双层膜中交换偏置场，实现与门、与非门、或门、或非门、非门逻辑单元。

技术介绍

[0002]基于自旋轨道矩驱动磁性层磁矩翻转，具有写入速度快、功耗低、耐久度高和非易失性等优点，可用作随机存储器(MRAM)，也同样可用作实现逻辑器件。在该种逻辑器件的实现过程中，由于采用的是电子自旋效应，因此也称为自旋逻辑器件。
[0003]在目前的自旋逻辑单元中，一般在具有强自旋轨道耦合的金属层中通入电流，将产生垂直于电流方向的自旋极化流，自旋流流向铁磁层，对铁磁层磁矩施加力矩使之翻转。翻转的状态可通过与注入电流方向垂直的两端的电势差进行表征，其原理是利用反常霍尔效应。因此，通过自旋轨道驱动电流调控磁化方向，再用反常霍尔电压表征磁化方向，即可利用该原理制成自旋逻辑器件。
[0004]通常而言，对于具有垂直各向异性的磁性薄膜，其磁矩取向沿着垂直于膜面的正方向与垂直于膜面的负方向时可分别获得两个不同的反常霍尔电压值；一般情况下，当垂直于膜面的磁矩全沿正方向时会获得一最大电压V1，而当垂直于膜面的磁矩全沿膜面负方向时会获得一最小电压V2，一般设定一判定电压V
th
，当单元的反常霍尔电压值大于V
th
时，视为输出“1”，当单元的反常霍尔电压值小于V
th
时输出“0”。基于此，只需要门器件的输入电流满足一定条件时使得磁矩状态发生改变，获得不同的反常霍尔电压，即可实现所需的逻辑输出。
[0005]目前常见的自旋逻辑器件多是采用自旋轨道矩驱动铁磁材料翻转来实现，这种方式具有过高的开关电流密度、较弱的抗外界干扰能力等劣势。

技术实现思路

[0006]针对上述存在问题或不足，为解决现有自旋逻辑器件存在过高开关电流密度和抗外界干扰能力低的问题，本专利技术提供了一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件及其调控方法，基于自旋轨道矩效应，通过输入电流在重金属层中产生自旋极化流，从而改变铁磁/反铁磁双层膜的交换偏置方向，并最终带动铁磁层磁矩翻转。通过结构中反常霍尔电压的测试，且配合沿单元长轴方向(X轴方向)自旋轨道矩注入电流大小的改变，最终实现门逻辑。
[0007]本专利技术采用的自旋轨道矩驱动的单元为铁磁/反铁磁双层结构，整体结构简单，易于制备，且自旋轨道矩驱动的为其中的铁磁层和反铁磁层磁矩，因而利用该方法实现的逻辑存储方式将具有更低的驱动电流密度及抗干扰能力。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件，结构从下至上依次为：注入极化流层/铁磁层/反铁磁层/覆盖层，自旋逻辑单元为双层的铁磁层/反铁磁层的磁性薄膜，且磁性薄膜
的交换偏置结构呈现面外各向异性，即磁性薄膜的磁矩沿面外方向取向。
[0010]所述注入极化流层(即自旋轨道矩电流注入层)为十字形的薄膜，采用具有自旋轨道耦合作用的重金属材料；如Ta、W、Pt等，其厚度＜所用注入极化流层材料的自旋扩散长度。
[0011]以注入极化流层十字型的中心点为坐标系的原点，垂直于薄膜表面的方向为Z轴正方向，十字型两条互相垂直的边分别作为X轴和Y轴。在X轴的负方向设有两个电流脉冲的输入端A和B，在X轴的正方向设有输出端，电流从X轴负方向到X轴正方向流动。注入极化流层的Y轴正/负方向分别设有反常霍尔电压的正负测试点。
[0012]所述磁性薄膜(铁磁层/反铁磁层)以其物理中心与注入极化流层的原点重叠的方式设置于X轴上，且磁性薄膜的长轴方向即X轴方向，短轴方向即Y轴方向。磁性薄膜的宽度与注入极化流层X轴的宽度一致，注入极化流层Y轴的宽度≤其长度≤注入极化流层X轴的长度。
[0013]所述铁磁层材料选用CoFeB、CoFe和/或Co。
[0014]所述反铁磁材料选用IrMn、FeMn和/或PtMn。
[0015]所述覆盖层以完全覆盖的方式设置于磁性薄膜上，以保护自旋逻辑单元，可选用Ta或Cu。
[0016]上述自旋逻辑器件磁矩的调控方法有：
[0017]为实现对器件磁矩的调控，注入极化流层沿X轴正方向注入电流脉冲。在本专利技术中使用两个电流脉冲I
A
和I
B
作为门器件的两个输入，分别对应输入端A和输入端B(如图1所示)。实现相应的门逻辑器件时，需在X轴(整个磁性薄膜的长轴方向)施加相应的辅助磁场H
f
；其中H
f
为正表示磁场沿X轴正方向，H
f
为负表示磁场沿X轴负方向，H
f
的正负由所选用的注入极化流层材料来确定；当所选的重金属材料自旋霍尔角为正时，如Pt，所选H
f
<0；当所选的重金属材料自旋霍尔角为负时，如Ta、W等，所选H
f
>0；以满足自旋轨道矩驱动铁磁和反铁磁材料垂直磁矩翻转的要求。
[0018]门电路的两个输入逻辑状态“1”和“0”分别对应输入一个大电流脉冲I
L
和一个小电流脉冲I
S
(I
L
>I
S
，根据所选择的材料以及结构确定)，I
L
和I
S
的大小以及H
f
的方向和大小，需要根据下面所列自旋轨道矩驱动铁磁层/反铁磁的磁化翻转的规则所确定，V
th
为设定的判定电压。
[0019]规则1：若磁性薄膜的材料磁矩初始取向沿着Z轴负方向(此时输出端输出的反常霍尔电压值为V2)，施加的辅助磁场H
f
沿着X轴方向，且|H
f
|＜|H
i
|时，其中H
i
为施加的电流为I
L
+I
S
之和时，铁磁层和反铁磁层的一半磁矩发生翻转时所需要的磁场。
[0020]A、B端输入的电流有：
[0021]为两个I
S
之和(对应A、B两个逻辑输入均为“0”)以及一个I
L
、一个I
S
之和(对应A、B两个逻辑输入一个为“1”一个为“0”)只能使小部分反铁磁层磁矩翻转，并带动小部分铁磁层磁矩翻转，这时输出端V
AHE
获得的反常霍尔电压值V
out1
为一小值，且V
out1
<V
th
，判定为输出为“0”。
[0022]而两个I
L
之和(对应A、B两个输入均为“1”)则能使大部分反铁磁层磁矩翻转，并带动大部分铁磁层磁矩翻转，这时输出端V
AHE
获得的反常霍尔电压值V
out2
为一大值，且V
out2
>V
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件，其特征在于：结构从下至上依次为：注入极化流层/铁磁层/反铁磁层/覆盖层，自旋逻辑单元为双层的铁磁层/反铁磁层的磁性薄膜，且磁性薄膜的磁矩沿面外方向取向；所述注入极化流层为十字形的薄膜，采用具有自旋轨道耦合作用的重金属材料，其厚度＜所用注入极化流层材料的自旋扩散长度；以注入极化流层十字型的中心点为坐标系的原点，垂直于薄膜表面的方向为Z轴正方向，十字型两条互相垂直的边分别作为X轴和Y轴；在X轴的负方向设有两个电流脉冲的输入端A和B，在X轴的正方向设有输出端，电流从X轴负方向到X轴正方向流动；注入极化流层的Y轴正/负方向分别设有反常霍尔电压的正负测试点；所述磁性薄膜以其物理中心与注入极化流层的原点重叠的方式设置于X轴上，且磁性薄膜的长轴方向即X轴方向，短轴方向即Y轴方向；磁性薄膜的宽度与注入极化流层X轴的宽度一致，注入极化流层Y轴的宽度≤其长度≤注入极化流层X轴的长度；所述覆盖层以完全覆盖的方式设置于磁性薄膜上。2.如权利要求1所述基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件，其特征在于：所述注入极化流层材料选用Ta、W和/或Pt。3.如权利要求1所述基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件，其特征在于：所述铁磁层材料选用CoFeB、CoFe和/或Co。4.如权利要求1所述基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件，其特征在于：所述反铁磁材料选用IrMn、FeMn和/或PtMn。5.如权利要求1所述基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件，其特征在于：所述覆盖层材料选用Ta或Cu。6.如权利要求1所述基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件，其特征在于，磁矩的调控方法有：在注入极化流层沿X轴正方向注入电流脉冲，使用两个电流脉冲I
A
和I
B
作为门器件的两个输入，分别对应输入端A和输入端B；实现相应的门逻辑器件时，在X轴施加相应的辅助磁场H
f
；其中H
f
为正表示磁场沿X轴正方向，H
f
为负表示磁场沿X轴负方向，H
f
的正负由所选用的注入极化流层材料来确定；当所选的重金属材料自旋霍尔角为正时，所选H
f
<0；当所选的重金属材料自旋霍尔角为负时，所选H
f
>0；以满足自旋轨道矩驱动铁磁和反铁磁材料垂直磁矩翻转的要求；门电路的两个输入逻辑状态1和0分别对应输入一个大电流脉冲I
L
和一个小电流脉冲I
S
，I
L
>I
S
；I
L
和I
S
的大小以及H
f
的方向和大小，根据以下自旋轨道矩驱动铁磁层/反铁磁的磁化翻转的规则所确定，V
th
为设定的判定电压；规则1：若磁性薄膜的材料磁矩初始取向沿着Z轴负方向，此时输出端输出的反常霍尔电压值为V2，施加的辅助磁场H
f
沿着X轴方向，且|H
f
|＜|H
i
|时，其中H
i
为施加的电流为I
L
+I
S
之和时，铁磁层和反铁磁层的一半磁矩发生翻转时所需要的磁场；A、B端输入的电流有：两个I
S
之和对应A、B两个逻辑输入均为0，以及一个I
L
、一个I
S
之和对应A、B两个逻辑输入一个为1一个为0；这时输出端V
AHE
获得的反常霍尔电压值V
out1
为一小值，且V
out1
<V
th
，判定为输出为0；
而两个I
L
之和对应A、B两个输入均为1，这时输出端V
AHE
获得的反常霍尔电压值V
out2
为一大值，且V
out2
>V
th
，记为输出为1；规则2：若磁性薄膜的材料磁矩初始取向沿着Z轴负方向，此时输出端输出的反常霍尔电压值为V2，当施加的辅助磁场H
f
沿着X轴方向，且|H
i
|＜|H
f
|时；A、B端输入的电流有：两个I
S
之和对应A、B两个逻辑输入端均为0，这时输出端V
AHE
获得的反常霍尔电压值V
out1
为一小值，即V
out1
<V
th
，记为输出为0；而一个I
L
、一个I
S
之和对应A、B两个逻辑端输入一个为1一个为0，以及两个I
L
之和对应A、B两个逻辑输入均为1，这时输出端V
AHE
获得的反常霍尔电压值V
out2
为一大值，即V
out2
>V
th
，记为输出为1；规则3：若磁性薄膜的材料磁矩初始取向沿着Z轴正方向，此时输出端输出的反常霍尔电压值为V1，施加的辅助磁场H
f
沿着X轴方向，且|H
f
...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐晓莉，施国鹏，郭磊，姜杰，
申请(专利权)人：上海麦歌恩微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：