一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件

摘要

本发明涉及一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其特征在于：利用自旋轨道耦合效应及自旋流实现超低功耗逻辑运算，其结构包括非铁磁自旋注入端、自旋输运沟道、自旋放大部分、自旋流‑电流转换结构及输出端。在输入端向两种非铁磁材料的界面处通入电流以实现自旋注入；非铁磁材料之间可加入隔离层；在自旋输运沟道中以纯自旋流进行运算；为解决自旋流的衰减问题，可对自旋流进行放大或将其转化为电流进行输运；在输出端利用磁隧道结对数据进行存储。本发明尽可能少地使用铁磁材料，克服了自旋注入时的高功耗问题，实现了低功耗设计；并且通过自旋流‑电流转换可实现信号的长距离传输，也方便拓展材料体系。

权利要求

1.一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其特征在于：该自旋逻辑器件由输入端即非铁磁自旋注入端、自旋输运沟道、自旋放大部分、自旋流-电流转换结构以及输出端组成；

该输入端即非铁磁自旋注入端，其结构自上而下分别为非铁磁材料/非铁磁材料/基底，或者非铁磁材料/隔离层/非铁磁材料/基底；所述的输入端两种非铁磁材料的其中一种作为纯自旋流扩散的沟道；

该自旋输运沟道，通过纯自旋流的方式进行计算；

该自旋放大部分的基本结构与输入端基本结构一致；

该自旋流-电流转换结构，从上至下分别是非铁磁材料/非铁磁材料/基底，或者非铁磁材料/隔离层/非铁磁材料/基底；其中这两种非铁磁材料的一种作为自旋流输运的沟道；

该输出端，自上而下由磁性隧道结、自旋输运沟道和基底组成，其中磁性隧道结包括自由层、隧穿层和固定层；从前级电路输运过来的自旋流，扩散到磁性隧道结的自由层，使自由层翻转，从而利用磁性隧道结对数据进行存储，实现电路的非易失性；

其中，在输入端向两种非铁磁材料的界面处注入电流，由于自旋轨道耦合效应，在界面处发生电流到自旋流的转化从而产生自旋流；当将注入的电流反向时，将产生不同极化方向的自旋流，从而表征出逻辑“0”和“1”；输入端是单端或者多端输入，在同一个自旋输运沟道中进行多个信号的自旋注入；

其中，由于自旋流在自旋输运沟道中的扩散衰减比电流在线路中的衰减大，因此当自旋流需要进行长距离输运时，在自旋输运沟道中的适当位置，注入与输运的自旋流极化方向相同的自旋流以对自旋信号进行放大，或者利用自旋流-电流转化结构将自旋流转化为电流，在需要进行纯自旋流计算时再借助输入端中的方式转化为自旋流；

其中，在自旋流-电流转换结构中，由于自旋轨道耦合效应，输运而来的自旋流将在两种非铁磁材料的界面处或者隔离层处发生自旋流-电流转化，从而产生电流并通过互连线传输；当输运的自旋流极化方向相反时，产生的电流的方向也相反；所述的互连线是任意导体或者拓扑绝缘体。

2.根据权利要求1所述的一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其特征在于：所述的自旋输运沟道的材料是金属纳米线、半导体硅、碳纳米管、石墨烯、硅烯或二硫化钼中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其特征在于：所述的输出端是单端或者多端输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其特征在于：所述的两种非铁磁材料，一种是具有强自旋轨道耦合效应的材料，包括三氧化二铋、拓扑绝缘体和MX2；其中，MX2是二硫化钼、二硫化钨的二维半导体MX2材料；另一种是具有弱自旋轨道耦合效应的材料，包括石墨烯。

5.根据权利要求1所述的一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其特征在于：所述的隔离层的材料是氧化镁及氧化铝。

6.根据权利要求1所述的一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其特征在于：所述基底包括硅片、氮化硼及石英片。

7.根据权利要求1所述的一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其特征在于：所述的磁性隧道结是面内或者垂直各向异性的；同时，磁性隧道结固定层的磁化方向在不同节点不需要保持一致。

说明书

一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，可以降低目前自旋逻辑器件在产生和检测自旋信号时由于翻转铁磁层而产生的功耗，属于自旋逻辑器件技术领域。

背景技术

[0002] 随着市场对芯片集成度的需求越来越高，单位硅片面积集成的电子器件(如晶体管)数目依据摩尔定律快速增长。然而，随着器件尺寸进一步缩小到深亚微米至纳米尺寸时，由量子效应所引起的漏电流占据漏极饱和电流的很大部分，而这部分漏电流会造成高功耗、低能量利用率以及低可靠性等后果，极大地限制了集成电路性能的提升。因此在深亚微米工艺节点及以下，摩尔定律将不再适用于传统晶体管技术。

[0003] 自旋电子技术被广泛认为是“后CMOS时代”实现“三高一低”(高密度、高速、高可靠性和低功耗)需求的重要技术。传统自旋电子学器件通过控制磁性材料的磁化方向实现对信息的存储，可以使存储数据掉电不挥发，从而克服当前计算系统的静态功耗问题，但是数据在传输和逻辑计算中需要在电状态和磁状态之间的频繁转换，无法解决大数据传输的动态功耗问题。自旋逻辑器件的概念应运而生。当前的自旋逻辑器件主要基于自旋转移力矩的原理，核心是利用磁性隧道结实现非易失性存储，通过横向自旋阀实现纯自旋流的注入、输运和检测，以纯自旋流作为信息传输与调控的载体实现自旋逻辑运算。但是目前采用铁磁电极/自旋输运沟道材料搭接的结构，通过电流极化产生自旋流的方法效率不高，一般低于10％，导致器件功耗仍然高于传统的CMOS器件。

[0004] 近几年来，自旋-轨道耦合效应引起了广泛关注。借助这种效应可以在两种非铁磁材料界面产生电流到自旋流或者自旋流到电流的转化，并且效率较高，为设计新型的自旋逻辑器件提供了可能。2015年，Intel提出了一种带磁电结的自旋轨道逻辑器件。其输出端利用到了IREE(inverse Rashba-Edel ste in effect，一种自旋轨道耦合效应)，将自旋流转化为电流并输出。但是由于设计的器件需要频繁地进行自旋流与电流之间的转化，并且产生自旋流的方式依然是传统的借助铁磁材料的自旋相关散射的方式，效率不高。因此，相对于传统的CMOS器件以及自旋逻辑器件，Intel提出的自旋轨道器件并不具备优越的性能。如何利用自旋轨道耦合效应，尽可能减少自旋流和电流之间的相互转化以及铁磁材料的使用，是设计新型自旋轨道耦合器件的关键点。

发明内容

[0005] 1.发明目的:

[0006] 针对上述背景提到的基于自旋转移力矩的自旋逻辑器件以及Intel提出的自旋轨道器件存在的高功耗缺点，结合自旋轨道耦合效应的优势，本发明提供了一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件。它克服了自旋注入时产生的高功耗问题，尽可能少的使用铁磁材料，并且可以通过多种方式进行信号的长距离传输，实现了低功耗设计。

[0007] 2.技术方案：

[0008] 本发明是一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其技术方案说明如下：

[0009] 该自旋逻辑器件由输入端即非铁磁自旋注入端、自旋输运沟道、自旋放大部分、自旋流-电流转换结构以及输出端(数据存储端)组成。

[0010] 该自旋逻辑器件的输入端，即非铁磁自旋注入端，其结构自上而下分别为非铁磁材料/非铁磁材料/基底，或者非铁磁材料/隔离层/非铁磁材料/基底；输入端两种非铁磁材料的其中一种可以作为纯自旋流扩散的沟道。在输入端向两种非铁磁材料的界面处注入电流，由于自旋轨道耦合效应，在界面处发生电流到自旋流的转化从而产生自旋流。当将注入的电流反向时，将产生不同极化方向的自旋流，从而可以表征出逻辑“0”和“1”。为了加强自旋流-电流相互转化的效果，在这两种非铁磁材料之间可以再加一层非铁磁材料作为隔离层(interface)。输入端可以是单端或者多端输入，在同一个自旋输运沟道中也可以进行多个信号的自旋注入。

[0011] 自旋输运沟道中，通过纯自旋流的方式进行计算。

[0012] 由于自旋流在自旋输运沟道中的扩散衰减比电流在线路中的衰减大，因此当自旋流需要进行长距离输运时，可以在自旋输运沟道中的适当位置，注入与输运的自旋流极化方向相同的自旋流以对自旋信号进行放大，或者可以利用自旋流-电流转化结构将自旋流转化为电流，在需要进行纯自旋流计算时再借助输入端中的方式转化为自旋流。

[0013] 自旋放大部分的基本结构与输入端基本结构一致。

[0014] 自旋流-电流转换结构，从上至下分别是非铁磁材料/非铁磁材料/基底，或者非铁磁材料/隔离层/非铁磁材料/基底。其中这两种非铁磁材料的一种作为自旋流输运的沟道。由于自旋轨道耦合效应，输运而来的自旋流将在两种非铁磁材料的界面处或者隔离层处发生自旋流-电流转化，从而产生电流并通过互连线传输。当输运的自旋流极化方向相反时，产生的电流的方向也相反。所述互连线可以是任意导体或者拓扑绝缘体。

[0015] 该自旋逻辑器件的输出端，自上而下由磁性隧道结、自旋输运沟道和基底组成，其中磁性隧道结包括自由层、隧穿层和固定层。从前级电路输运过来的自旋流，扩散到磁性隧道结的自由层，使自由层翻转，从而利用磁性隧道结对数据进行存储，实现电路的非易失性。输出端可以是单端或者多端输出。

[0016] 所述的两种非铁磁材料，一种是任意一种具有强自旋轨道耦合效应的材料，如铋、三氧化二铋、拓扑绝缘体和MX2等；另一种是任意一种具有弱自旋轨道耦合效应的材料，可以是银、铜、石墨烯等。其中MX2是二维半导体MX2材料，如二硫化钼、二硫化钨等。

[0017] 所述的隔离层(interface)的材料可以是氧化镁及氧化铝等氧化物。

[0018] 所述基底包括但不限于硅片、氮化硼、石英片或其他绝缘衬底。

[0019] 所述的自旋输运沟道的材料可以是金属纳米线、半导体硅、碳纳米管、石墨烯、硅烯、二硫化钼或其他低维材料中的一种。

[0020] 所述的磁性隧道结可以是面内或者垂直各向异性的。同时，磁性隧道结固定层的磁化方向在不同节点不需要保持一致。

[0021] 3.优点和功效：

[0022] 本发明提供一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其优点及功效在于：该发明尽可能少地使用铁磁材料，克服了自旋注入时产生的高功耗问题，实现了低功耗设计；并且通过自旋流-电流转换结构可以进行信号的长距离传输，也方便拓展材料体系。

附图说明

[0023] 图1-1是该自旋逻辑器件非铁磁自旋注入端的一种结构示意图(选取下面的非铁磁材料作为自旋输运沟道)。

[0024] 图1-2是图1-1所示自旋逻辑器件在非铁磁自旋注入端加入隔离层后的结构示意图。

[0025] 图1-3是该自旋逻辑器件非铁磁自旋注入端的另一种结构示意图(选取上面的非铁磁材料作为自旋输运沟道)。

[0026] 图1-4是图1-3所示自旋逻辑器件在非铁磁自旋注入端加入隔离层后的结构示意图。

[0027] 图2-1是该自旋逻辑器件在同一自旋输运沟道进行三个信号注入的一种电路结构，可以实现“与”和“或”操作。

[0028] 图2-2在图2-1的基础上加入了隔离层。

[0029] 图3-1是该自旋逻辑器件的一种自旋流-电流转换结构(不加隔离层)。

[0030] 图3-2是该自旋逻辑器件的另一种自旋流-电流转换结构(不加隔离层，自旋输运沟道的相对位置与图3-1不同)。

[0031] 图4是该自旋逻辑器件输出端一种结构，采用磁性隧道结进行存储。磁性隧道结可以是面内或者垂直各向异性的。

[0032] 图5-1是该自旋逻辑器件整体结构的一个示意图。

[0033] 图5-2是该自旋逻辑器件整体结构的一个拓展示意图，自旋流转化为电流以后不直接作为下一级的输入，而是先利用电流信号进行长距离的输运。

[0034] 对于不同的材料体系，以及对于不同的自旋流-电流相互转化的机理，相同条件下产生自旋流或者电流的方向不同，故图中标出的所有自旋流、电流信号的方向仅作为参考。

[0035] 图中参数定义为：

[0036] A非铁磁自旋注入端      B自旋输运沟道

[0037] C基底                  D自旋放大部分

[0038] E自旋流－电流转换结构  F数据存储端

[0039] 1                      第一非铁磁材料

[0040] 2                      隔离层(interface)

[0041] 3                      第二非铁磁材料

[0042] 4                      基底

[0043] 5                      磁性隧道结自由层

[0044] 6                      磁性隧道结隧穿层

[0045] 7                      磁性隧道结固定层

[0046] 附图中Jc指输入或者通过自旋流-电流转化产生的电流；Js是指自旋流；Input1，Input2，…，InputN1和InputN2指输入端1，2，…，N1和N2。

具体实施方式

[0047] 本发明提供一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件器件。参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度，面积与体积等参数并非实际尺寸。

[0048] 本发明一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件，其技术方案说明如下：

[0049] 该自旋逻辑器件由输入端即非铁磁自旋注入端A、自旋输运沟道B、自旋放大部分D、自旋流-电流转换结构E以及输出端F(数据存储端)组成。

[0050] 该自旋逻辑器件的输入端，即非铁磁自旋注入端A，其结构自上而下分别为第一非铁磁材料1/第二非铁磁材料3/基底4，或者第一非铁磁材料1/隔离层2/第二非铁磁材料3/基底4；输入端两种非铁磁材料的其中一种可以作为纯自旋流扩散的沟道。在输入端向两种非铁磁材料的界面处注入电流，由于自旋轨道耦合效应，在界面处发生电流到自旋流的转化从而产生自旋流。当将注入的电流反向时，将产生不同极化方向的自旋流，从而可以表征出逻辑“0”和“1”。为了加强自旋流-电流相互转化的效果，在这两种非铁磁材料之间可以再加一层非铁磁材料作为隔离层(interface)。输入端可以是单端或者多端输入，在同一个自旋输运沟道中也可以进行多个信号的自旋注入。

[0051] 自旋输运沟道中，通过纯自旋流的方式进行计算。

[0052] 由于自旋流在自旋输运沟道中的扩散衰减比电流在线路中的衰减大，因此当自旋流需要进行长距离输运时，可以在自旋输运沟道中的适当位置，注入与输运的自旋流极化方向相同的自旋流以对自旋信号进行放大，或者可以利用自旋流-电流转化结构将自旋流转化为电流，在需要进行纯自旋流计算时再借助输入端中的方式转化为自旋流。

[0053] 自旋放大部分的基本结构与输入端基本结构一致。

[0054] 自旋流-电流转换结构，从上至下分别是第一非铁磁材料1/第二非铁磁材料3/基底4，或者第一非铁磁材料1/隔离层2/第二非铁磁材料3/基底4。其中这两种非铁磁材料的一种作为自旋流输运的沟道。由于自旋轨道耦合效应，输运而来的自旋流将在两种非铁磁材料的界面处或者隔离层处发生自旋流-电流转化，从而产生电流并通过互连线传输。当输运的自旋流极化方向相反时，产生的电流的方向也相反。所述互连线可以是任意导体或者拓扑绝缘体。

[0055] 该自旋逻辑器件的输出端，自上而下由磁性隧道结、自旋输运沟道和基底组成，其中磁性隧道结包括自由层、隧穿层和固定层。从前级电路输运过来的自旋流，扩散到磁性隧道结的自由层，使自由层翻转，从而利用磁性隧道结对数据进行存储，实现电路的非易失性。输出端可以是单端或者多端输出。

[0056] 所述的输入端的两种非铁磁材料，一种是任意一种具有强自旋轨道耦合效应的材料，如铋、三氧化二铋、拓扑绝缘体和MX2等；另一种是任意一种具有弱自旋轨道耦合效应的材料，可以是银、铜、石墨烯等。其中MX2是二维半导体MX2材料，如二硫化钼、二硫化钨等。

[0057] 所述的隔离层(interface)的材料可以是氧化镁及氧化铝等氧化物。

[0058] 所述基底包括但不限于硅片、氮化硼、石英片或其他绝缘衬底。关于基底，别的材料，比如说自旋输运沟道，甚至是部分非铁磁材料需要生长在基底上，因此不论是输入端，沟道材料还是输出端的材料都需要生长在基底上、文中所有的基底都是指同一结构，只不过由于由于在基底上生长的材料可能不同，因此在电路中不同部分选用的基底材料也可能不同，但基本结构不变。文中不对基底的具体材料作区分，统一用基底来说明。

[0059] 所述的自旋输运沟道的材料可以是金属纳米线、半导体硅、碳纳米管、石墨烯、硅烯、二硫化钼或其他低维材料中的一种。

[0060] 所述的磁性隧道结可以是面内或者垂直各向异性的。同时，磁性隧道结固定层的磁化方向在不同节点不需要保持一致。

[0061] 在此公开了详细的示例性实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是描述特定实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，即一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件。且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明一种基于非铁磁材料的超低功耗自旋逻辑器件器件范围内的所有变化、等价物和可替换物。另外，将不会详细描述或将省略本发明的众所周知的元件，器件与子电路，以免混淆本发明的实施例的相关细节。

[0062] 为所有的附图建立如附图1中所示的坐标系，x轴正方向向右，y轴正方向向里，z轴正方向向上。

[0063] 图1-1是该自旋逻辑器件自旋注入端的一种结构示意图(选取下面的非铁磁材料作为自旋输运沟道)。

[0064] 从上至下分别是第一非铁磁材料1/第二非铁磁材料3(作为自旋输运沟道)/基底4。当向两种非铁磁材料的界面处注入-y方向的电流(电子运动方向为+y方向)时，由于自旋轨道耦合效应，在界面处发生电流到自旋流的转化从而产生自旋流，自旋极化方向为-x方向。由于存在浓度差，产生的自旋流将沿着+x方向扩散。如果注入端的电流反向，那么将得到不同极化方向的自旋流(扩散方向不变)，从而可以表征出逻辑“0”和“1”。由于可以在两种非铁磁材料之间加入隔离层，因此注入端的结构也可以为图1-2。在考虑到电路结构的相对位置，图1-3和图1-4也都是注入端可能的结构。并且由于相对位置的不同，在所加的电流方向一样时，图1-3和图1-4产生的自旋流的极化方向与图1-1和图1-2不同。

[0065] 图2为基于本发明的一种门电路的结构示意图，可以实现“与”和“或”操作。下面进行详细分析：

[0066] 在图2-1所示的门电路的结构中，在同一个自旋输运沟道内可以进行三个信号的自旋注入。当在自旋注入端通入-y方向的电流时，将产生自旋极化方向为-x方向(自旋向左)的自旋流扩散到自旋输运沟道中，并从左往右扩散；当电流反向时，将产生自旋极化方向为+x方向(自旋向右)的自旋流扩散到自旋输运沟道中，从左往右扩散。将自旋向右的自旋流编码为逻辑“1”，将自旋向左的自旋流编码为逻辑“0”。假设每一个输入端通入电流后，产生的自旋流的强度完全一样。现选取输入端3(图中Input3)为输入控制端(即在整个过程中此输入端恒定输入某一种信号，以实现对电路功能的控制)。当控制端始终通入沿-y方向的电流，即控制端始终输入为逻辑“0”时，此时电路的真值表如下表1-1所示，可以看出电路实现了“与”的功能；当控制端始终通入沿+y方向的电流，即控制端始终输入为逻辑“1”时，此时电路的真值表如下表1-2所示，可以看出电路实现了“或”的功能。图2-2是在图2-1的基础上增加了隔离层。除了这两种结构以外，考虑到电路结构的相对位置还应有别的结构，此处不再给出。

[0067]Input1 Input2 Input3/Control Output
0 0 0 0
0 1 0 0
1 0 0 0
1 1 0 1

[0068] 表1-1

[0069]Input1 Input2 Input3/Control Output
0 0 1 0
0 1 1 1
1 0 1 1
1 1 1 1

[0070] 表1-2

[0071] 图3-1是该自旋逻辑器件一种自旋流-电流转换结构。沿+x方向扩散的自旋极化方向为-x方向的自旋流，在两种非铁磁材料的界面处发生自旋流到电流的转化，产生沿+y方向的电流，并通过互连线进行传输。由于选择不同的非铁磁材料，产生的电流的方向也不同，本图中所给的方向只是其中一种情况。图3-2是考虑了电路结构的相对位置的另一种自旋流-电流转换结构。图3-1和图3-2都未加隔离层，因此除了图中给出的，加入了隔离层的结构也应纳入本专利的范畴。

[0072] 图4是该自旋逻辑器件一种输出端结构示意图。采用磁性隧道结对数据进行存储。由于实际应用中通过磁性隧道结的电阻高低来表征数据，例如自由层与固定层磁化方向相同时，磁性隧道结为小电阻，表示数据“1”，而自由层与固定层磁化方向相反时，磁性隧道结为大电阻，表示数据“0”，那么在不同的节点处的磁性隧道结固定层的磁化方向不必保持一致以扩展电路功能。例如对于图4的结构，只要将磁性隧道结固定层的磁化方向反向，那么此输出端的功能相对于原输出端就有一个取“非”的效果。

[0073] 图5-1是该自旋逻辑器件整体结构的一个示意图。上一级电路完成运算后的自旋流，通过自旋流-电流转化结构转化为电流再作为下一级电路的一个输入端。当然，也可以直接将上一级的自旋流信号输出，作为下一级的某一个输入。但是这样的转换，对于自旋输运距离不是特别长的材料体系，例如银，是有必要的。因此，该自旋逻辑器件有利于拓展现有自旋逻辑器件的材料体系(不仅仅局限于石墨烯)。

[0074] 图5-2是该自旋逻辑器件整体结构的一个拓展示意图。自旋流转化为电流以后不直接作为下一级的输入，而是先利用电流信号进行长距离的输运。