可编程自旋逻辑器件和包括其的电子设备制造技术

本发明专利技术涉及可编程自旋逻辑器件和包括其的电子设备。一种自旋逻辑器件包括：SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在SHE偏置层上并与之接触；势垒层，设置在自由磁层上；以及参考磁层，设置在势垒层上；以及电流布线，连接到磁性隧道结的参考磁层一侧，使得磁性隧道结设置在SHE偏置层与电流布线之间，其中SHE偏置层向自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且SHE偏置层接收第一、第二和第三面内电流，第一和第二面内电流的方向与第一方向平行，第三面内电流用于控制自旋逻辑器件的操作模式，SHE偏置层和电流布线还用于施加流过磁性隧道结的读取电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种纯电流驱动型可编程自旋逻辑器件，其可以在零磁场下操作，并且还涉及包括该自旋逻辑器件的电子设备。
技术介绍
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配置的逻辑器件具有高操作频率、无限重配次数、逻辑信息的非易失性、防辐射、与磁随机存取存储器(MRAM)兼容等优点，因此被认为是替代传统半导体逻辑器件的下一代逻辑器件的有力候选者。图1示出一种现有技术的自旋逻辑器件100，其核心单元为磁性隧道结MTJ，其包括两个铁磁层FM1和FM2以及位于二者之间的绝缘势垒层I。磁性隧道结MTJ上方有三条输入线A、B和C，并且在磁性隧道结MTJ的上下两侧有两条输出线Out。磁性隧道结MTJ的两个铁磁层FM1和FM2具有不同的矫顽力。三条输入线A、B和C上的输入电流的大小相等。当仅一条输入线例如输入线A上通电流时，铁磁层FM1和FM2的磁化方向都不发生改变；当两条输入线例如输入线A和B上同时通过相同方向的电流时，仅具有较小矫顽力的铁磁层例如铁磁层FM2的磁化方向可发生翻转；当三条输入线A、B和C上均通过相同方向的电流时，两个铁磁层FM1和FM2的磁化方向均发生翻转。从而，MTJ可配置为4种不同的初始状态，其中两种平行态，两种反平行态。当处于平行态时，磁性隧道结MTJ的电阻较低；当处于反平行态时，磁性隧道结MTJ的电阻较高。这样，可以得到多种不同的逻辑状态。磁逻辑器件的操作一般包括两个步骤。第一步为设置步骤，即通过在输入线上施加电流来使磁性隧道结MTJ处于预定的初始状态；第二步为逻辑操作步骤，即在两条或三条输入线上施加输入电流，在两条输出线上施加输出电流以读取MTJ的电阻(或电压、电流)，来进行逻辑操作。上述现有技术的自旋逻辑器件存在若干缺点。第一，其包含过多的布线，结构非常复杂，不便于制造。第二，由于其完全依赖电流产生的奥斯特磁场来翻转铁磁层的磁化方向，为了产生足够强的奥斯特磁场来实现翻转，需要施加很大的电流，因此导致逻辑器件的能耗很高。第三，电流产生的奥斯特磁场可能影响周围的电子器件的正常操作，必要时还需要在图1的逻辑器件周围形成磁屏蔽结构，使得结构更加复杂并且增加了成本。上述缺陷限制了这种现有技术的自旋逻辑器件的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的一个方面在于提供一种自旋逻辑器件，其能够克服现有技术自旋逻辑器件中的上述以及其他缺陷中的一个或多个。本专利技术的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；以及参考磁层，设置在所述势垒层上；以及电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一、第二和第三面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，所述第三面内电流用于控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。在一些实施例中，所述第三面内电流的方向平行或者垂直于所述第一方向。在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一。当所述第三面内电流设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述第三面内电流设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个。当所述第三面内电流设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述第三面内电流设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。在一些实施例中，，所述磁性隧道结的自由磁层和参考磁层具有沿垂直方向的易磁化轴。在一些实施例中，所述SHE偏置层由PtMn、IrMn、AuMn、PdMn、FeMn或NiMn形成。本专利技术的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；以及参考磁层，设置在所述势垒层上；以及电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一和第二面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，其中，所述SHE偏置层和所述电流布线用于向所述磁性隧道结施加偏置电压以控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一。当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。在一些实施例中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个。当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。本专利技术的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE层，由具有自旋霍尔效应的材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；参考磁层，设置在所述势垒层上；以及钉扎层，设置在所述参考磁层上并且向所述参考磁层施加沿第一方向的偏置磁场；电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE层与所述电流布线之间，其中，所述势垒层具有一厚度使得所述自由磁层和所述参考磁层彼此铁磁耦合，从而所述参考磁层向所述自由磁层施加沿所述第一方向的偏置
磁场，其中，所述SHE层接收第一、第二和第三面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，所述第三面内电流用于控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。在一些实施例中，所述SHE层由以下材料中的一种或多种形成：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn、Bi2Se3、Bi2Te3、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Yi和Lu。在一些实施例中，所述第三面内电流的方向平行或者垂直于所述第一方向。本专利技术的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE层，由具有自旋霍尔效应的材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；参考磁层，设置在所述势垒层上；以及钉扎层，设置在所述参考磁层上并且向所述参考磁层施加沿第一方向的偏置磁场；电流布线，连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；以及参考磁层，设置在所述势垒层上；以及电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一、第二和第三面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，所述第三面内电流用于控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。

【技术特征摘要】
1.一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；以及参考磁层，设置在所述势垒层上；以及电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一、第二和第三面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，所述第三面内电流用于控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。2.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述第三面内电流的方向平行或者垂直于所述第一方向。3.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一，且其中，当所述第三面内电流设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述第三面内电流设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。4.如权利要求3所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个，且其中，当所述第三面内电流设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述第三面内电流设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。5.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结的自由磁层和参考磁层具有沿垂直方向的易磁化轴。6.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述SHE偏置层由PtMn、IrMn、AuMn、PdMn、FeMn或NiMn形成。7.一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成；磁性隧道结，包括：自由磁层，设置在所述SHE偏置层上并且与之直接接触；势垒层，设置在所述自由磁层上；以及参考磁层，设置在所述势垒层上；以及电流布线，连接到所述磁性隧道结的参考磁层一侧，使得所述磁性隧道结设置在所述SHE偏置层与所述电流布线之间，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第一方向的偏置磁场，并且所述SHE偏置层接收第一和第二面内电流，所述第一和第二面内电流的方向与所述第一方向平行，其中，所述SHE偏置层和所述电流布线用于向所述磁性隧道结施加偏置电压以控制所述自旋逻辑器件的操作模式，且其中，所述SHE偏置层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流。8.如权利要求7所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态之一，且其中，当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与门。9.如权利要求8所述的自旋逻辑器件，其中，所述磁性隧道结初始处于反平行状态和平行状态中的另一个，且其中，当所述偏置电压设置为第一预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑或非门；当所述偏置电压设置为与所述第一预定值不同的第二预定值时，所述自旋逻辑器件操作为逻辑与非门。10.一种自旋逻...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩秀峰，张轩，万蔡华，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11