可編程自旋邏輯器件和包括其的電子設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及可編程自旋邏輯器件和包括其的電子設(shè)備。一種自旋邏輯器件包括：SHE偏置層，由具有自旋霍爾效應(yīng)的反鐵磁材料形成；磁性隧道結(jié)，包括：自由磁層，設(shè)置在SHE偏置層上并與之接觸；勢(shì)壘層，設(shè)置在自由磁層上；以及參考磁層，設(shè)置在勢(shì)壘層上；以及電流布線，連接到磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得磁性隧道結(jié)設(shè)置在SHE偏置層與電流布線之間，其中SHE偏置層向自由磁層施加沿第一方向的偏置磁場(chǎng)，并且SHE偏置層接收第一、第二和第三面內(nèi)電流，第一和第二面內(nèi)電流的方向與第一方向平行，第三面內(nèi)電流用于控制自旋邏輯器件的操作模式，SHE偏置層和電流布線還用于施加流過磁性隧道結(jié)的讀取電流。
【專利說明】
可編程自旋邏輯器件和包括其的電子設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總體上涉及自旋電子學(xué)，更特別地，涉及一種純電流驅(qū)動(dòng)型可編程自旋邏 輯器件，其可以在零磁場(chǎng)下操作，并且還涉及包括該自旋邏輯器件的電子設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用磁性材料的電子自旋特性來(lái)設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯器件稱為自旋邏輯器件或磁邏 輯器件。與普通的半導(dǎo)體邏輯器件相比，這種基于自旋相關(guān)輸運(yùn)特性的可重配置的邏輯器 件具有高操作頻率、無(wú)限重配次數(shù)、邏輯信息的非易失性、防輻射、與磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM)兼容等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體邏輯器件的下一代邏輯器件的有力候選 者。
[0003] 圖1示出一種現(xiàn)有技術(shù)的自旋邏輯器件100，其核心單元為磁性隧道結(jié)MTJ，其包括 兩個(gè)鐵磁層FM1和FM2以及位于二者之間的絕緣勢(shì)皇層I。磁性隧道結(jié)MTJ上方有三條輸入線 A、B和C，并且在磁性隧道結(jié)MTJ的上下兩側(cè)有兩條輸出線Out。磁性隧道結(jié)MTJ的兩個(gè)鐵磁層 FM1和FM2具有不同的矯頑力。三條輸入線A、B和C上的輸入電流的大小相等。當(dāng)僅一條輸入 線例如輸入線A上通電流時(shí)，鐵磁層FM1和FM2的磁化方向都不發(fā)生改變；當(dāng)兩條輸入線例如 輸入線A和B上同時(shí)通過相同方向的電流時(shí)，僅具有較小矯頑力的鐵磁層例如鐵磁層FM2的 磁化方向可發(fā)生翻轉(zhuǎn)；當(dāng)三條輸入線A、B和C上均通過相同方向的電流時(shí)，兩個(gè)鐵磁層FM1和 FM2的磁化方向均發(fā)生翻轉(zhuǎn)。從而，MTJ可配置為4種不同的初始狀態(tài)，其中兩種平行態(tài)，兩種 反平行態(tài)。當(dāng)處于平行態(tài)時(shí)，磁性隧道結(jié)MTJ的電阻較低；當(dāng)處于反平行態(tài)時(shí)，磁性隧道結(jié) MTJ的電阻較高。這樣，可以得到多種不同的邏輯狀態(tài)。磁邏輯器件的操作一般包括兩個(gè)步 驟。第一步為設(shè)置步驟，即通過在輸入線上施加電流來(lái)使磁性隧道結(jié)MTJ處于預(yù)定的初始狀 態(tài);第二步為邏輯操作步驟，即在兩條或三條輸入線上施加輸入電流，在兩條輸出線上施加 輸出電流以讀取MTJ的電阻(或電壓、電流），來(lái)進(jìn)行邏輯操作。
[0004]上述現(xiàn)有技術(shù)的自旋邏輯器件存在若干缺點(diǎn)。第一，其包含過多的布線，結(jié)構(gòu)非常 復(fù)雜，不便于制造。第二，由于其完全依賴電流產(chǎn)生的奧斯特磁場(chǎng)來(lái)翻轉(zhuǎn)鐵磁層的磁化方 向，為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的奧斯特磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，需要施加很大的電流，因此導(dǎo)致邏輯器件的 能耗很高。第三，電流產(chǎn)生的奧斯特磁場(chǎng)可能影響周圍的電子器件的正常操作，必要時(shí)還需 要在圖1的邏輯器件周圍形成磁屏蔽結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜并且增加了成本。上述缺陷限 制了這種現(xiàn)有技術(shù)的自旋邏輯器件的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種自旋邏輯器件，其能夠克服現(xiàn)有技術(shù)自旋邏輯器 件中的上述以及其他缺陷中的一個(gè)或多個(gè)。
[0006] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種自旋邏輯器件，包括：自旋霍爾效應(yīng)SHE偏置層，由 具有自旋霍爾效應(yīng)的反鐵磁材料形成;磁性隧道結(jié)，包括：自由磁層，設(shè)置在所述SHE偏置層 上并且與之直接接觸；勢(shì)皇層，設(shè)置在所述自由磁層上；以及參考磁層，設(shè)置在所述勢(shì)皇層 上；以及電流布線，連接到所述磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得所述磁性隧道結(jié)設(shè)置在所 述SHE偏置層與所述電流布線之間，其中，所述SHE偏置層向所述自由磁層施加沿第一方向 的偏置磁場(chǎng)，并且所述SHE偏置層接收第一、第二和第三面內(nèi)電流，所述第一和第二面內(nèi)電 流的方向與所述第一方向平行，所述第三面內(nèi)電流用于控制所述自旋邏輯器件的操作模 式，且其中，所述SHE偏置層和所述電流布線還用于施加流過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流。
[0007] 在一些實(shí)施例中，所述第三面內(nèi)電流的方向平行或者垂直于所述第一方向。
[0008] 在一些實(shí)施例中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平行狀態(tài)之一。當(dāng)所述 第三面內(nèi)電流設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或門；當(dāng)所述第三面內(nèi) 電流設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯與門。
[0009] 在一些實(shí)施例中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平行狀態(tài)中的另一個(gè)。 當(dāng)所述第三面內(nèi)電流設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或非門；當(dāng)所述 第三面內(nèi)電流設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏 輯與非門。
[0010] 在一些實(shí)施例中，，所述磁性隧道結(jié)的自由磁層和參考磁層具有沿垂直方向的易 磁化軸。
[0011 ] 在一些實(shí)施例中，所述SHE偏置層由PtMn、IrMn、AuMn、PdMn、FeMn或NiMn形成。
[0012] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種自旋邏輯器件，包括：自旋霍爾效應(yīng)SHE偏置層，由 具有自旋霍爾效應(yīng)的反鐵磁材料形成;磁性隧道結(jié)，包括：自由磁層，設(shè)置在所述SHE偏置層 上并且與之直接接觸；勢(shì)皇層，設(shè)置在所述自由磁層上；以及參考磁層，設(shè)置在所述勢(shì)皇層 上；以及電流布線，連接到所述磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得所述磁性隧道結(jié)設(shè)置在所 述SHE偏置層與所述電流布線之間，其中，所述SHE偏置層向所述自由磁層施加沿第一方向 的偏置磁場(chǎng)，并且所述SHE偏置層接收第一和第二面內(nèi)電流，所述第一和第二面內(nèi)電流的方 向與所述第一方向平行，其中，所述SHE偏置層和所述電流布線用于向所述磁性隧道結(jié)施加 偏置電壓以控制所述自旋邏輯器件的操作模式，且其中，所述SHE偏置層和所述電流布線還 用于施加流過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流。
[0013] 在一些實(shí)施例中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平行狀態(tài)之一。當(dāng)所述 偏置電壓設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或門；當(dāng)所述偏置電壓設(shè)置 為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯與門。
[0014] 在一些實(shí)施例中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平行狀態(tài)中的另一個(gè)。 當(dāng)所述偏置電壓設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或非門；當(dāng)所述偏置 電壓設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯與非 門。
[0015] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種自旋邏輯器件，包括：自旋霍爾效應(yīng)SHE層，由具有 自旋霍爾效應(yīng)的材料形成;磁性隧道結(jié)，包括：自由磁層，設(shè)置在所述SHE層上并且與之直接 接觸；勢(shì)皇層，設(shè)置在所述自由磁層上；參考磁層，設(shè)置在所述勢(shì)皇層上；以及釘扎層，設(shè)置 在所述參考磁層上并且向所述參考磁層施加沿第一方向的偏置磁場(chǎng)；電流布線，連接到所 述磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得所述磁性隧道結(jié)設(shè)置在所述SHE層與所述電流布線之 間，其中，所述勢(shì)皇層具有一厚度使得所述自由磁層和所述參考磁層彼此鐵磁耦合，從而所 述參考磁層向所述自由磁層施加沿所述第一方向的偏置磁場(chǎng)，其中，所述SHE層接收第一、 第二和第三面內(nèi)電流，所述第一和第二面內(nèi)電流的方向與所述第一方向平行，所述第三面 內(nèi)電流用于控制所述自旋邏輯器件的操作模式，且其中，所述SHE層和所述電流布線還用于 施加流過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流。
[0016] 在一些實(shí)施例中，所述SHE層由以下材料中的一種或多種形成:Pt、Au、Ta、Pd、Ir、 W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn、Bi2Se3、Bi2Te 3、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、 Te、Dy、Ho、Er、Tm、Y;i^PILu。
[0017] 在一些實(shí)施例中，所述第三面內(nèi)電流的方向平行或者垂直于所述第一方向。
[0018] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種自旋邏輯器件，包括：自旋霍爾效應(yīng)SHE層，由具有 自旋霍爾效應(yīng)的材料形成;磁性隧道結(jié)，包括：自由磁層，設(shè)置在所述SHE層上并且與之直接 接觸；勢(shì)皇層，設(shè)置在所述自由磁層上；參考磁層，設(shè)置在所述勢(shì)皇層上；以及釘扎層，設(shè)置 在所述參考磁層上并且向所述參考磁層施加沿第一方向的偏置磁場(chǎng)；電流布線，連接到所 述磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得所述磁性隧道結(jié)設(shè)置在所述SHE層與所述電流布線之 間，其中，所述勢(shì)皇層具有一厚度使得所述自由磁層和所述參考磁層彼此鐵磁耦合，從而所 述參考磁層向所述自由磁層施加沿所述第一方向的偏置磁場(chǎng)，其中，所述SHE層接收第一和 第二面內(nèi)電流，所述第一和第二面內(nèi)電流的方向與所述第一方向平行;其中，所述SHE偏置 層和所述電流布線用于向所述磁性隧道結(jié)施加偏置電壓以控制所述自旋邏輯器件的操作 模式，且其中，所述SHE層和所述電流布線還用于施加流過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流。
[0019] 在一些實(shí)施例中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平行狀態(tài)之一。當(dāng)所述 偏置電壓設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或門；當(dāng)所述偏置電壓設(shè)置 為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯與門。
[0020] 在一些實(shí)施例中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平行狀態(tài)中的另一個(gè)。 當(dāng)所述偏置電壓設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或非門；當(dāng)所述偏置 電壓設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯與非 門。
[0021] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種電子設(shè)備，其包括上述自旋邏輯器件中的任意一 種。
[0022] 在一些實(shí)施例中，所述電子設(shè)備是手機(jī)、膝上計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、媒 體播放器、個(gè)人數(shù)字助理、以及穿戴式電子設(shè)備中的一種。
[0023] 本發(fā)明的自旋邏輯器件可以通過電流或電壓控制而在不同的模式下操作，因此實(shí) 現(xiàn)了可編程的自旋邏輯器件，而且結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用到各種電子設(shè)備中。
【附圖說明】
[0024] 圖1示出一種現(xiàn)有技術(shù)的自旋邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的自旋邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖3A示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的、圖2所示的自旋邏輯器件中的自由磁層的磁化 與流過SHE偏置層的電流之間的關(guān)系。
[0027] 圖3B示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、圖2所示的自旋邏輯器件中的自由磁層的磁 化與流過SHE偏置層的電流之間的關(guān)系。
[0028] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖5A示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的、圖4所示的自旋邏輯器件中的自由磁層的磁化 與流過SHE偏置層的電流之間的關(guān)系。
[0030] 圖5B示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、圖4所示的自旋邏輯器件中的自由磁層的磁 化與流過SHE偏置層的電流之間的關(guān)系。
[0031] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例。
[0034]圖2示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的自旋邏輯器件200的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，自旋 邏輯器件200包括磁性隧道結(jié)210、以及位于磁性隧道結(jié)210下方的自旋霍爾效應(yīng)(SHE)偏置 層220和位于磁性隧道結(jié)210上方的電流布線230。
[0035] 如圖2所示，磁性隧道結(jié)210可以包括自由磁層212、參考磁層216、以及位于自由磁 層212和參考磁層216之間的勢(shì)皇層214。自由磁層212和參考磁層216均可由鐵磁材料形成， 例如Co、Fe、Ni以及包括Co、Fe、Ni的合金，諸如CoFe、NiFe、CoFeB等。其中，自由磁層212可以 由具有較低矯頑力的鐵磁材料形成，使得自由磁層212的磁矩可以較容易地被外磁場(chǎng)或自 旋轉(zhuǎn)移力矩所改變，而參考磁層216可以由具有較高矯頑力的鐵磁材料形成，使得其磁矩不 易被外磁場(chǎng)或自旋轉(zhuǎn)移力矩所改變。如圖2所示，自由磁層212和參考磁層216二者均可具有 垂直磁各向異性，也就是說，其易磁化軸在垂直于層面的方向上，即沿圖2中的Z軸方向上。 應(yīng)注意，自由磁層212的磁矩因?yàn)槠枚鄬?duì)于垂直方向傾斜，這將在下面進(jìn)一步詳細(xì)描 述。在一些實(shí)施例中，自由磁層212的厚度可以在0.5nm至16nm的范圍，優(yōu)選在0.8nm至8nm的 范圍；參考磁層216的厚度可以在0 · 5nm至20nm的范圍，優(yōu)選0 · 8nm至10nm的范圍。
[0036] 勢(shì)皇層214可以由非磁絕緣材料形成，例如但不限于MgO、Al2〇3等。在一些實(shí)施例 中，勢(shì)皇層214的厚度可以在0.6nm至5nm的范圍，優(yōu)選0.8nm至3nm的范圍。
[0037]雖然這里參照?qǐng)D2描述了磁性隧道結(jié)210的結(jié)構(gòu)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，還 可以對(duì)磁性隧道結(jié)210的結(jié)構(gòu)進(jìn)行許多變化。例如，雖然圖2示出了磁性隧道結(jié)210具有矩形 圖案，但是磁性隧道結(jié)210也可以被圖案化成其他形狀，例如圓形、橢圓形、方形、環(huán)形、其它 多邊形形狀、等等。此外，磁性隧道結(jié)210也可以用更多或更少的層來(lái)形成。本發(fā)明旨在涵蓋 所有這些磁性隧道結(jié)的修改或變化，只要其落在所附權(quán)利要求及其等價(jià)物的范圍內(nèi)。
[0038] SHE偏置層220可以設(shè)置在磁性隧道結(jié)210的自由磁層212-側(cè)，即圖2所示的下側(cè)， 并且直接和自由磁層212接觸。顧名思義，SHE偏置層220是具有自旋霍爾效應(yīng)(SHE)以及偏 置效果的層，可用于形成SHE偏置層220的材料可包括具有強(qiáng)的自旋軌道耦合的反鐵磁材 料，例如但不限于？七]\&1、]^]\&1、411]\&1、？(1]\&1、？6]\&1和附]\&1等，其中？七]\&1和]^]\&1是優(yōu)選的，因?yàn)槠?具有相對(duì)更強(qiáng)的自旋軌道耦合。在一些實(shí)施例中，SHE層220的厚度可以在0.5nm至30nm的范 圍，優(yōu)選地在〇.6nm至10nm的范圍。這些材料的反鐵磁屬性使得它們可以向與其接觸的自由 磁層212提供偏置磁場(chǎng)，例如圖2中沿Y軸方向的偏置磁場(chǎng)Hb，使得自由磁層212的磁矩從其 沿Z軸方向的易磁化軸向Y軸方向偏轉(zhuǎn)，如實(shí)線箭頭所示;另一方面，這些材料由于具有強(qiáng)的 自旋軌道耦合而具有自旋霍爾效應(yīng)。自旋霍爾效應(yīng)是指當(dāng)電流流過SHE偏置層220時(shí)，在SHE 偏置層220的表面上會(huì)形成自旋極化電流，其中電子的自旋方向是規(guī)則排列的，如圖2中SHE 層220上的帶圓點(diǎn)的箭頭所示，其中圓點(diǎn)表示電子，箭頭表示電子的自旋方向，并且進(jìn)而產(chǎn) 生從SHE偏置層220向自由磁層212中流入的純自旋流，該自旋流可以向自由磁層212施加磁 轉(zhuǎn)矩，或者說自旋轉(zhuǎn)矩，從而影響自由磁層212的磁矩方向。應(yīng)理解，雖然圖2示出在SHE偏置 層220的表面上形成的自旋極化電流的自旋方向?yàn)橄蛴?，但是在電流方向不變的情況下，取 決于形成SHE偏置層220的材料，該自旋方向也可以向左。應(yīng)注意，偏置磁場(chǎng)和引起自旋轉(zhuǎn)矩 的電流應(yīng)在相同方向上，例如彼此平行，從而在這樣的偏置磁場(chǎng)和自旋轉(zhuǎn)矩的共同作用下， 可以翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁矩。還應(yīng)注意，當(dāng)自由磁層212的磁矩從向上翻轉(zhuǎn)到向下時(shí)，由于 偏置磁場(chǎng)Hb的存在，其同樣也從沿Z軸的易磁化軸方向朝向Y軸方向偏轉(zhuǎn)，如虛線箭頭所示。 [0039]在圖2所示的實(shí)施例中，SHE偏置層220可以連接到不同的電流布線（未示出）以接 收流過其的三個(gè)電流，即Ia、Ib和Ic，其中第一電流Ια和第二電流Ib可以是邏輯輸入電流，第 三電流Ic可以是用于控制自旋邏輯器件200的操作模式的控制電流，它們與偏置磁場(chǎng)Hb共 同作用即可翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁矩，其具體操作將在下面詳細(xì)描述。應(yīng)注意，第一至第三 電流Ia、Ib和I C均流過SHE偏置層220的層平面，而非垂直于層平面流過磁性隧道結(jié)210。并 且，在圖2所示的實(shí)施例中，第一至第三電流Ia、Ib和Ic均在偏置磁場(chǎng)Hb所在的方向上，即平 行于Y軸方向。
[0040] 電流布線230可以電連接到磁性隧道結(jié)210,例如連接到磁性隧道結(jié)210的參考磁 層一側(cè)，從而磁性隧道結(jié)210連接在SHE偏置層220和電流布線230之間。這樣，可以在電流布 線230和SHE偏置層220之間施加流過磁性隧道結(jié)210的讀取電流IR以讀取磁性隧道結(jié)210的 邏輯狀態(tài)。在圖2所示的實(shí)施例中，電流布線230可以直接接觸磁性隧道結(jié)210的參考磁層 216。在另一些實(shí)施例中，電流布線230可以形成在磁性隧道結(jié)210上方，并且通過例如導(dǎo)電 插塞連接到磁性隧道結(jié)210。電流布線230的延伸方向不限于圖2所示的方向，而是可以沿任 何方向。
[0041] 圖3A示出根據(jù)一實(shí)施例的、圖2所示的自旋邏輯器件200中的自由磁層212的磁化 與流過SHE偏置層220的電流之間的關(guān)系；圖3B示出根據(jù)另一實(shí)施例的、圖2所示的自旋邏輯 器件200中的自由磁層212的磁化與流過SHE偏置層220的電流之間的關(guān)系。如前所述，當(dāng)流 過SHE偏置層220的電流(在圖2所示的實(shí)施例中，其等于第一至第三電流Ia、Ib和I C之和)足 夠大，即超過臨界電流Ιο時(shí)，其和偏置磁場(chǎng)Hb共同作用即可翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁化，并且 自由磁層212的磁化方向取決于所施加的電流的方向以及偏置磁場(chǎng)Hb的方向。圖3A和圖3B 所示實(shí)施例的不同之處在于，偏置磁場(chǎng)Hb的方向彼此相反，因此在相同的電流作用下，自由 磁層212的磁化方向彼此相反。
[0042]下面首先參照?qǐng)D2和圖3A來(lái)說明自旋邏輯器件200的操作原理。最初時(shí)，可以執(zhí)行 自旋邏輯器件200的初始化操作，或者也可稱為復(fù)位操作，例如第一電流Ια和第二電流Ib每 個(gè)都設(shè)置為_1〇/2,第三電流Ic設(shè)置為-Io/2-Δ，即第一至第三電流Ia、I b和Ic之和為-Ι〇-Δ， 其中△可以為大于零的小量，例如其取值可以為〇〈Δ〈Ι〇/2。在該電流下，磁性隧道結(jié)210被 設(shè)置為反平行狀態(tài)，例如參考磁層216的磁矩向上(實(shí)線箭頭所示），自由磁層212的磁矩向 下(虛線箭頭所示）。應(yīng)理解，貫穿本說明書，在描述磁性隧道結(jié)的磁化狀態(tài)為平行和反平行 時(shí)，"平行"可以不包含"反平行"；在其他情況下，例如描述電流方向與偏置磁場(chǎng)方向平行 時(shí)，該"平行"也涵蓋反平行的情況。
[0043] 在進(jìn)行邏輯操作時(shí)，第三電流IC可以設(shè)置為Io/2+Δ，第一和第二電流Ια和Ib可以 在0和Iq/2中選擇，其中電流0可以對(duì)應(yīng)于邏輯0,電流Iq/2可以對(duì)應(yīng)于邏輯1。如果第一電流 Ια為0(對(duì)應(yīng)于邏輯0)，第二電流Ib也為0(對(duì)應(yīng)于邏輯0)時(shí)，那么流過SHE偏置層220的總電流 為Io/2+Δ，由于Δ小于1〇/2,所以該總電流小于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩不翻轉(zhuǎn)，磁 性隧道結(jié)210保持在反平行狀態(tài)。當(dāng)磁性隧道結(jié)210保持在反平行狀態(tài)時(shí)，其具有高電阻，使 得流過磁性隧道結(jié)210的讀取電流I R的值較小，此時(shí)可視為自旋邏輯器件200的輸出為邏輯 0〇
[0044] 當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│翞?(對(duì)應(yīng)于邏輯0)，第二電流Ib為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，或者相反，第 一電流Ια為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，第二電流Ib為0(對(duì)應(yīng)于邏輯0)時(shí)，流過SHE偏置層220的總 電流為Io+A，由于Δ大于〇,所以該總電流大于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩將發(fā)生翻 轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210變?yōu)槠叫袪顟B(tài)。當(dāng)磁性隧道結(jié)210為平行狀態(tài)時(shí)，其具有低電阻，使得流 過磁性隧道結(jié)210的讀取電流I R的值較大，此時(shí)可視為自旋邏輯器件200的輸出為邏輯1。
[0045] 當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│梁偷诙娏鱅b均為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)時(shí)，流過SHE偏置層220的總電 流為3IQ/2+△，其大于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210變?yōu)槠?行狀態(tài)，從而輸出為邏輯1。
[0046] 應(yīng)注意的是，當(dāng)自由磁層212的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，磁性隧道結(jié)210的狀態(tài)發(fā)生改變， 不再保持在初始狀態(tài)，這會(huì)影響后續(xù)的邏輯操作。因?yàn)椋诿總€(gè)邏輯操作之后，可以對(duì)自旋 邏輯器件200進(jìn)行一次復(fù)位操作，以確保磁性隧道結(jié)210保持在初始狀態(tài)。在另一些實(shí)施例 中，也可以僅在自由磁層212的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作。
[0047]如上所述，自旋邏輯器件200實(shí)現(xiàn)了符合表1所示的真值表的邏輯或(OR)操作。
[0048] 表1:邏輯或"0R"的真值表
[0049]
L0050J 前_描述Γ在控制電流Ic設(shè)置為某一餓定值時(shí)，自旋邏輯器仵200操作為邏輯或 門的過程。而當(dāng)控制電流Ic變更為另一預(yù)定值時(shí)，自旋邏輯器件200還可以操作為邏輯與 (AND)門。下面繼續(xù)參照?qǐng)D2和圖3A來(lái)描述自旋邏輯器件200作為邏輯與門的操作。
[00511 例如，可以將第三電流Ic的值設(shè)置為Δ，如前所述，Δ的取值可以為0〈Δ〈Ι()/2。其 他方面與前面描述的情況相同。此時(shí)，當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│翞?(對(duì)應(yīng)于邏輯0)，第二電流Ib也為0 (對(duì)應(yīng)于邏輯0)時(shí)，那么流過SHE偏置層220的總電流為Δ，由于Δ小于10/2,所以該總電流 小于臨界電流10,自由磁層212的磁矩不翻轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210保持在反平行狀態(tài)。當(dāng)磁性隧 道結(jié)210保持在反平行狀態(tài)時(shí)，其具有高電阻，使得流過磁性隧道結(jié)210的讀取電流I R的值 較小，此時(shí)可視為自旋邏輯器件200的輸出為邏輯0。
[0052]當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│翞?(對(duì)應(yīng)于邏輯0)，第二電流Ib為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，或者相反，第 一電流Ια為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，第二電流Ib為0(對(duì)應(yīng)于邏輯0)時(shí)，流過SHE偏置層220的總 電流為I〇/2+ Δ，由于Δ小于I〇/2，所以流過SHE偏置層220的總電流仍小于臨界電流I〇，此時(shí) 自旋邏輯器件200的輸出仍為邏輯0。
[0053]當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│梁偷诙娏鱅b均為IQ/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)時(shí)，流過SHE偏置層220的總電 流為I〇+A，其大于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210變?yōu)槠叫袪?態(tài)。當(dāng)磁性隧道結(jié)210為平行狀態(tài)時(shí)，其具有低電阻，使得流過磁性隧道結(jié)210的讀取電流I R 的值較大，此時(shí)可視為自旋邏輯器件200的輸出為邏輯1。
[0054]應(yīng)注意的是，當(dāng)自由磁層212的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，磁性隧道結(jié)210的狀態(tài)發(fā)生改變， 不再保持在初始狀態(tài)，這會(huì)影響后續(xù)的邏輯操作。因此，在每個(gè)邏輯操作之后，可以對(duì)自旋 邏輯器件200進(jìn)行一次復(fù)位操作，以確保磁性隧道結(jié)210保持在初始狀態(tài)。例如，可以施加反 向的第一至第三電流，即第一電流Ια和第二電流Ib均為_1〇/2,第三電流1。為-八，即可將磁 性隧道結(jié)210復(fù)位到初始的反平行狀態(tài)。在另一些實(shí)施例中，也可以僅在自由磁層212的磁 矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作。
[0055]如上所述，自旋邏輯器件200實(shí)現(xiàn)了符合表2所示的真值表的邏輯與(AND)操作。 [0056] 表2:邏輯與"AND"的真值表
[0057]___
[0058]另一方面，參照?qǐng)D2,如果偏置磁場(chǎng)Hb的方向設(shè)置為與圖2所示的相反，即沿負(fù)Y軸 方向，則自旋邏輯器件200中的自由磁層212的磁化與流過SHE偏置層220的電流之間的關(guān)系 如圖3B所示。下面參照?qǐng)D2和圖3B來(lái)說明自旋邏輯器件200的操作。
[0059] 最初時(shí)，可以執(zhí)行自旋邏輯器件200的初始化操作，或者也可稱為復(fù)位操作，例如 第一電流Ια和第二電流Ib每個(gè)都設(shè)置為_1〇/2,第三電流I C設(shè)置為-Io/2-Δ，即第一至第三電 流Ia、Ib和Ic之和為-Ιο-Δ，其中Δ可以為大于零的小量，例如其取值可以為〇〈Δ〈Ι〇/2。在該 電流下，磁性隧道結(jié)210被設(shè)置為平行狀態(tài)，例如參考磁層216的磁矩向上(實(shí)線箭頭所示）， 自由磁層212的磁矩向上(實(shí)線箭頭所示）。
[0060] 在進(jìn)行邏輯操作時(shí)，第三電流Ic可以設(shè)置為Io/2+Δ，第一和第二電流Ια和Ib可以 在0和1〇/2中選擇，其中電流0可以對(duì)應(yīng)于邏輯0,電流1〇/2可以對(duì)應(yīng)于邏輯1。如果第一電流 Ια為0(對(duì)應(yīng)于邏輯0)，第二電流Ib也為0(對(duì)應(yīng)于邏輯0)時(shí)，那么流過SHE偏置層220的總電流 為Io/2+Δ，由于Δ小于1〇/2,所以該總電流小于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩不翻轉(zhuǎn)，磁 性隧道結(jié)210保持在平行狀態(tài)。當(dāng)磁性隧道結(jié)210保持在平行狀態(tài)時(shí)，其具有低電阻，使得流 過磁性隧道結(jié)210的讀取電流I R的值較大，此時(shí)可視為自旋邏輯器件200的輸出為邏輯1。
[0061] 當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│翞椹?對(duì)應(yīng)于邏輯0)，第二電流Ib為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，或者相反，第 一電流Ια為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，第二電流Ib為0(對(duì)應(yīng)于邏輯0)時(shí)，流過SHE偏置層220的總 電流為Io+A，由于Δ大于〇,所以該總電流大于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩將發(fā)生翻 轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210變?yōu)榉雌叫袪顟B(tài)。當(dāng)磁性隧道結(jié)210為反平行狀態(tài)時(shí)，其具有高電阻，使 得流過磁性隧道結(jié)210的讀取電流I R的值較小，此時(shí)可視為自旋邏輯器件200的輸出為邏輯 0〇
[0062]當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│梁偷诙娏鱅b均為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)時(shí)，流過SHE偏置層220的總電 流為31()/2+△，其大于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210變?yōu)榉?平行狀態(tài)，從而輸出為邏輯0。
[0063]同樣，可以在每個(gè)邏輯操作之后，對(duì)自旋邏輯器件200進(jìn)行一次復(fù)位操作，以確保 磁性隧道結(jié)210保持在初始的平行狀態(tài)。在另一些實(shí)施例中，也可以僅在自由磁層212的磁 矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作。
[0064]如上所述，自旋邏輯器件200實(shí)現(xiàn)了符合表3所示的真值表的邏輯或非(N0R)操作。
[0065] 表3:邏輯或非"N0R"的真值表
[0066]
[0067]前面描述了在控制電流Ie設(shè)置為某一預(yù)定值時(shí)，自旋邏輯器件200操作為邏輯或 非門的過程。而當(dāng)控制電流Ic變更為另一預(yù)定值時(shí)，自旋邏輯器件200還可以操作為邏輯與 非(NAND)門。下面繼續(xù)參照?qǐng)D2和圖3B來(lái)描述自旋邏輯器件200作為邏輯與非門的操作。 [0068] 例如，可以將第三電流IC的值設(shè)置為Δ，如前所述，Δ的取值可以為〇〈Δ〈Ι()/2。其 他方面與前面描述的情況相同。此時(shí)，當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│翞椹?對(duì)應(yīng)于邏輯〇)，第二電流Ιβ也為〇 (對(duì)應(yīng)于邏輯0)時(shí)，那么流過SHE偏置層220的總電流為Δ，由于Δ小于1〇/2,所以該總電流 小于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩不翻轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210保持在平行狀態(tài)。當(dāng)磁性隧道 結(jié)210保持在平行狀態(tài)時(shí)，其具有低電阻，使得流過磁性隧道結(jié)210的讀取電流I R的值較大， 此時(shí)可視為自旋邏輯器件200的輸出為邏輯1。
[0069] 當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│翞?(對(duì)應(yīng)于邏輯0)，第二電流Ιβ為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，
[0070] 或者相反，第一電流Ια為1〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，第二電流Ιβ為0(對(duì)應(yīng)于邏輯0)時(shí)，流 過SHE偏置層220的總電流為Io/2+Δ，由于Δ小于1〇/2,所以流過SHE偏置層220的總電流仍 小于臨界電流1〇,此時(shí)自旋邏輯器件200的輸出仍為邏輯1。
[0071] 當(dāng)?shù)谝浑娏鳓│梁偷诙娏鳓│戮鶠?〇/2(對(duì)應(yīng)于邏輯1)時(shí)，流過SHE偏置層220的總電 流為I〇+A，其大于臨界電流1〇,自由磁層212的磁矩將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210變?yōu)榉雌叫?狀態(tài)。當(dāng)磁性隧道結(jié)210為反平行狀態(tài)時(shí)，其具有高電阻，使得流過磁性隧道結(jié)210的讀取電 流Ir的值較小，此時(shí)可視為自旋邏輯器件200的輸出為邏輯0。
[0072] 同樣，可以在每個(gè)邏輯操作之后，對(duì)自旋邏輯器件200進(jìn)行一次復(fù)位操作，以確保 磁性隧道結(jié)210保持在初始的平行狀態(tài)。在另一些實(shí)施例中，也可以僅在自由磁層212的磁 矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作。
[0073]如上所述，自旋邏輯器件200實(shí)現(xiàn)了符合表4所示的真值表的邏輯與非（NAND)操 作。
[0074] 表4:邏輯與非"NAND"的真值表
[0075]
[0077] 可以理解，當(dāng)?shù)谌娏鱅C設(shè)置為Io/2+Δ，并且第二電流Ib設(shè)置為〇時(shí)，自旋邏輯器 件200還可以操作為邏輯非(NOT)門。具體而言，當(dāng)?shù)谝惠斎腚娏鳓│翞?時(shí)(對(duì)應(yīng)于邏輯0)，磁 性隧道結(jié)210保持為平行狀態(tài)，輸出邏輯1;當(dāng)?shù)谝惠斎腚娏鳓│翞?〇/2時(shí)(對(duì)應(yīng)于邏輯1)，流過 SHE偏置層220的總電流為Io+Δ，自由磁層212的磁化被翻轉(zhuǎn)，磁性隧道結(jié)210變?yōu)榉雌叫袪?態(tài)，輸出邏輯0。應(yīng)理解，此時(shí)第二電流Ιβ也被視為控制電流，而非邏輯輸入電流。因此，自旋 邏輯器件200實(shí)現(xiàn)了符合表5所示的真值表的邏輯非(NOT)操作。
[0078] 表5:邏輯非"NOT"的真值表 [0079]
[0080]通過上面的描述可知，在初始反平行配置下，自旋邏輯器件200可以操作為邏輯或 門和邏輯與門，并且通過調(diào)節(jié)第三控制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)在這兩種門之間的切換。而將自旋邏輯 器件200更改為初始平行配置時(shí)，例如將SHE偏置層220的偏置磁場(chǎng)Hb設(shè)置在相反的方向上， 可以使自旋邏輯器件200操作為邏輯或非門和邏輯與非門，并且通過調(diào)節(jié)第三控制電流來(lái) 實(shí)現(xiàn)在這兩種門之間的切換，或者還可以使自旋邏輯器件200操作為邏輯非門。然而應(yīng)理 解，本發(fā)明的原理不限于這樣的實(shí)施例。例如，如果將磁性隧道結(jié)的高電阻態(tài)定義為邏輯1， 而將其低電阻態(tài)定義為邏輯〇,則可以在初始平行配置下，將自旋邏輯器件200操作為邏輯 或門和邏輯與門，而在初始反平行配置下將自旋邏輯器件200操作為邏輯或非門和邏輯與 非門。這些變化都落在本發(fā)明原理的范圍內(nèi)。
[0081]另外，雖然上面描述了通過改變偏置磁場(chǎng)Hb的方向來(lái)改變旋邏輯器件200的配置， 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，該目的還可以通過其他手段來(lái)進(jìn)行，例如將流過SHE偏置層220的 面內(nèi)電流的正方向設(shè)置在相反的方向上，或者將參考磁層216的磁矩設(shè)置在相反方向上等。 [0082]圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋邏輯器件300的結(jié)構(gòu)圖。自旋邏輯器件300 與圖2所示的自旋邏輯器件200基本相同，除了SHE偏置層320之外，因此這里省略對(duì)相同或 相似元件的重復(fù)描述。
[0083]如圖4所示，自旋邏輯器件300的SHE偏置層320也接收第一至第三面內(nèi)電流Ia、Ib和 Ic，但是與圖2所示的SHE偏置層220不同的是，第三電流IC在與第一和第二電流Ia、Ib垂直的 方向上。圖5A示出自旋邏輯器件300的自由磁層212的磁化Μ與施加到SHE偏置層上的電流I 之間的關(guān)系，其中電流I在與SHE偏置層320提供的偏置磁場(chǎng)Hb相同的方向（平行或反平行） 上。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在與翻轉(zhuǎn)電流I垂直的方向上施加第三電流Ic時(shí)，其也可以改變用于 翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁化的臨界電流。具體而言，如圖5A所示，當(dāng)不施加 Ic時(shí)，翻轉(zhuǎn)自由磁層 212的磁化的臨界電流為I〇;當(dāng)施加 Ic時(shí)，翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁化的臨界電流變?yōu)镮〇 '，其中 1〇'小于1〇。
[0084]下面參照?qǐng)D4和圖5A來(lái)描述自旋邏輯器件300的操作。自旋邏輯器件300的初始狀 態(tài)可以設(shè)置為反平行狀態(tài)，對(duì)于作為邏輯輸入的第一和第二電流Ια和Ib，邏輯〇對(duì)應(yīng)于零電 流，邏輯1對(duì)應(yīng)于電流Ii，其中^'〈^〈^，并且^/^^^在第一模式下^三電流^可以為零， 也就是不施加第三電流Ic，此時(shí)翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁化的臨界電流為1〇。當(dāng)?shù)谝缓偷诙?流Ια和Ib均為邏輯0時(shí)，自由磁層212的磁化不翻轉(zhuǎn)，讀取電流I R對(duì)應(yīng)于邏輯0;當(dāng)?shù)谝缓偷诙?電流Ια和Ib中的一個(gè)為邏輯0，另一個(gè)為邏輯1時(shí)，在與偏置磁場(chǎng)Hb相同的方向上流經(jīng)自由磁 層212的總電流為，其小于臨界電流1〇,所以自由磁層212的磁化不翻轉(zhuǎn)，讀取電流I R仍對(duì) 應(yīng)于邏輯〇;只有當(dāng)?shù)谝缓偷诙娏鳓│梁虸b均為邏輯1時(shí)，在與偏置磁場(chǎng)Hb相同的方向上流經(jīng) 自由磁層212的總電流為2h，其大于臨界電流1〇,所以自由磁層212的磁化被翻轉(zhuǎn)，讀取電流 Ir對(duì)應(yīng)于邏輯1。這樣，自旋邏輯器件300完成了表2所示的邏輯與操作。
[0085]當(dāng)施加預(yù)定值的控制電流1成寸，用于翻轉(zhuǎn)自由磁層212的臨界電流變?yōu)?〇'，其小于 1〇。在這種情況下，當(dāng)?shù)谝缓偷诙娏鳓│梁虸b均為邏輯0時(shí)，自由磁層212的磁化不翻轉(zhuǎn)，讀取 電流Ir對(duì)應(yīng)于邏輯0;當(dāng)?shù)谝缓偷诙娏鳓│梁虸b中的一個(gè)為邏輯0,另一個(gè)為邏輯1時(shí)，在與偏 置磁場(chǎng)Hb相同的方向上流經(jīng)自由磁層212的總電流為h，其大于臨界電流1〇'，所以自由磁層 212的磁化發(fā)生翻轉(zhuǎn)，讀取電流I R對(duì)應(yīng)于邏輯1;當(dāng)?shù)谝缓偷诙娏鳓│梁虸b均為邏輯1時(shí)，在與 偏置磁場(chǎng)Hb相同的方向上流經(jīng)自由磁層212的總電流為，其大于臨界電流1〇'，所以自由 磁層212的磁化也發(fā)生翻轉(zhuǎn)，讀取電流Ir對(duì)應(yīng)于邏輯1。這樣，自旋邏輯器件300完成了表1所 示的邏輯或操作。
[0086] 可見，與前面參照?qǐng)D2和3A描述的類似，通過控制第三電流IC，可以使自旋邏輯器 件300在邏輯或門與邏輯與門之間切換。
[0087]同樣，通過將偏置磁場(chǎng)Hb設(shè)置在相反方向上、將邏輯輸入電流Ια和Ib的正方向設(shè)置 在相反方向上、或者將參考磁層216的磁化設(shè)置在相反方向上，即可得到圖5B所示的曲線 圖，其示出在與偏置磁場(chǎng)Hb相同的方向上流過SHE偏置層220的電流I與自由磁層212的磁矩 Μ之間的關(guān)系。當(dāng)電流I超過臨界電流1〇或1〇'時(shí)，自由磁層212的磁矩Μ被翻轉(zhuǎn)到負(fù)方向上。在 該情況下，可以將自旋邏輯器件300操作為與非門、或非門和非門。具體操作與前面描述的 類似，這里不再重復(fù)描述。
[0088] 上面描述了第三電流IC平行于（圖2)和垂直于（圖4)偏置磁場(chǎng)Hb的實(shí)施例，但是應(yīng) 理解的是，第三電流Ic的方向不限于此，而是可以在其他方向上，也可以實(shí)現(xiàn)相同或相似的 技術(shù)效果?；谏鲜鼋虒?dǎo)，第三電流Ic在其他方向上的實(shí)施例是顯而易見的，此處不再贅 述。
[0089]圖6示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋邏輯器件400的結(jié)構(gòu)圖。自旋邏輯器件400 與圖2所示的自旋邏輯器件200以及圖4所示的自旋邏輯器件300基本相同，除了SHE偏置層 420和電流布線430之外，因此這里省略對(duì)相同或相似元件的重復(fù)描述。
[0090] 如圖6所示，在自旋邏輯器件400中，在SHE偏置層420和電流布線430之間施加偏置 電壓V，其可以調(diào)節(jié)用于翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁矩的臨界電流。具體而言，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng) 不施加偏置電壓V時(shí)，用于翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁矩的臨界電流為Ιο;當(dāng)在SHE偏置層420和 電流布線430之間施加偏置電壓V時(shí)，用于翻轉(zhuǎn)自由磁層212的磁矩的臨界電流變?yōu)?〇 '，其 中1〇'小于1〇。本發(fā)明人認(rèn)為，這是因?yàn)槠秒妷篤產(chǎn)生的電場(chǎng)E使得自由磁層212的磁晶各向 異性能Han減小，從而降低了翻轉(zhuǎn)其磁化所需的電流。這樣，圖6的自旋邏輯器件400可以與 圖4的自旋邏輯器件300以相同方式操作，此處不再重復(fù)描述。
[0091 ]雖然在描述上面的實(shí)施例時(shí)，提供了許多細(xì)節(jié)，例如輸入電流或電壓的大小等，但 是將理解，本發(fā)明不限于這些細(xì)節(jié)，例如輸入電流或電壓可以設(shè)置為其他值，同樣可以實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明的原理。
[0092]圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自旋邏輯器件500。如圖7所示，自旋邏輯器件 500包括設(shè)置在電流布線530和SHE層520之間的磁性隧道結(jié)510。與前面描述的SHE偏置層 220、320和420不同，SHE層520可以由具有自旋霍爾效應(yīng)，而不一定要求其還能提供偏置磁 場(chǎng)。可用于形成SHE層520的材料的示例包括但不限于諸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、 1『1]1、？七111、411111、？(1111、？6111、附111之類的金屬或合金，諸如1^2363和1^2了63之類的拓?fù)浣^緣 體、以及諸如 ￥、1^、〇6、？1'、制、3111411、6(1、16、〇7、!1〇41'、1'111、￥;[、1^1之類的稀土材料等，稀土材 料中￥、恥、5111411、6(1、1^、0 7、!1044卩1'111是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兙哂休^強(qiáng)的自旋軌道耦合。 [0093]磁性隧道結(jié)510可包括設(shè)置在SHE層520上并且與其接觸的自由磁層512、設(shè)置在自 由磁層512上的勢(shì)皇層514、設(shè)置在勢(shì)皇層514上的參考磁層516、以及設(shè)置在參考磁層516上 的釘扎層518,其中自由磁層512和參考磁層516每個(gè)都可以具有垂直磁各向異性，即它們的 磁磁化軸在與層平面垂直的方向上。
[0094] 應(yīng)理解，為了翻轉(zhuǎn)自由磁層512的磁化方向，除了流過SHE層520的電流產(chǎn)生的施加 到自由磁層512上的自旋轉(zhuǎn)矩之外，還需要向自由磁層512施加一定的沿該電流方向的偏置 磁場(chǎng)。而在上述結(jié)構(gòu)中，SHE層520可能并不能向自由磁層512施加這樣的偏置磁場(chǎng)，因此，在 上述結(jié)構(gòu)中，包括了釘扎層518。釘扎層518可以由反鐵磁材料形成，例如但不限于IrMn、 PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn等，其向參考磁層516施加沿Y軸方向的偏置磁場(chǎng)Hb，使得參考 磁層516的磁矩不是在垂直方向上，而是向Y軸方向傾斜，如實(shí)線箭頭所示。而且，在該實(shí)施 例中，勢(shì)皇層514的厚度可以較薄，一般在0.8至2.6nm的范圍內(nèi)，并且選擇勢(shì)皇層514的厚度 以使得參考磁層516和自由磁層514之間存在一定的鐵磁親合，從而向自由磁層514施加一 定的沿Y軸方向的偏置磁場(chǎng)Hb。該偏置磁場(chǎng)Hb和SHE層520產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)矩相配合，即可翻轉(zhuǎn) 自由磁層512的磁矩。自旋邏輯器件500的其他方面與前述自旋邏輯器件200、300和400相同 或相似，此處不再重復(fù)描述。
[0095]同樣，對(duì)圖7所示的自旋邏輯器件500可以進(jìn)行一些改變。例如，第三電流IC可以施 加在與偏置磁場(chǎng)Hb垂直的方向上，即X軸方向上，如圖4所示的自旋邏輯器件300中那樣，而 非圖7所示的Y軸方向上;或者，可以替代第三電流I C而在電流布線530與SHE層520之間施加 偏置電壓V，如圖6所示的自旋邏輯器件400中那樣。應(yīng)理解，自旋邏輯器件500以及它的這些 變型的操作與前面描述的那些實(shí)施例相同或類似，此處不再重復(fù)描述。
[0096]上面描述了SHE偏置層或SHE層接收兩個(gè)面內(nèi)電流(例如，圖6所示的電流Ια和Ib)和 三個(gè)面內(nèi)電流(例如，圖2、4和7所示的電流Ia、Ib和Ic)的實(shí)施例，但是應(yīng)理解，本發(fā)明的原理 亦不限于這些實(shí)施例，而是還可以應(yīng)用到SHE偏置層或SHE層接收更多面內(nèi)電流的情形，例 如其可以接收更多個(gè)邏輯輸入電流或者更多個(gè)控制電流等。
[0097]在本發(fā)明的自旋邏輯器件中，可以完全不需要外加磁場(chǎng)，即可實(shí)現(xiàn)邏輯操作，因此 結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，也不會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)而影響周圍的電子設(shè)備。而且，本發(fā)明的自旋邏輯器件可以 操作為不同的邏輯門，這只需要特定的電流或電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋邏輯器件的模式切換，因此 可以作為一種可編程的邏輯門硬件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路硬件的靈活配置。
[0098] 雖然上面以垂直磁化為例說明了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但是應(yīng)理解，本發(fā)明還可 以應(yīng)用到面內(nèi)磁化的方案。但是，垂直磁化是優(yōu)選的，因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)自旋邏輯器件的更小 占用面積，從而實(shí)現(xiàn)器件的小型化，便于自旋邏輯器件與大規(guī)模集成電路的集成。
[0099]本發(fā)明的另一些實(shí)施例還提供一種電子設(shè)備，其可以是例如但不限于手機(jī)、膝上 計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、媒體播放器、個(gè)人數(shù)字助理、以及穿戴式電子設(shè)備等。這 樣的電子設(shè)備一般都包括例如控制器、處理器、存儲(chǔ)器等，這些電子部件都包含有邏輯電 路，并且這些邏輯電路都可利用前面描述的任一實(shí)施例的自旋邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0100]盡管已經(jīng)圖示并描述了本申請(qǐng)的具體實(shí)施例和應(yīng)用，但是要理解，所述實(shí)施例不 限于在這里公開的確切結(jié)構(gòu)和組件，并且可以在本申請(qǐng)的方法和設(shè)備的安排、操作和細(xì)節(jié) 上做出對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言明顯的各種修改、改變和變化，而沒有脫離如在所附權(quán)利 要求中限定的本公開的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自旋邏輯器件，包括： 自旋霍爾效應(yīng)SHE偏置層，由具有自旋霍爾效應(yīng)的反鐵磁材料形成； 磁性隧道結(jié)，包括： 自由磁層，設(shè)置在所述SHE偏置層上并且與之直接接觸； 勢(shì)皇層，設(shè)置在所述自由磁層上；以及 參考磁層，設(shè)置在所述勢(shì)皇層上；以及 電流布線，連接到所述磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得所述磁性隧道結(jié)設(shè)置在所述 SHE偏置層與所述電流布線之間， 其中，所述SHE偏置層向所述自由磁層施加沿第一方向的偏置磁場(chǎng)，并且所述SHE偏置 層接收第一、第二和第三面內(nèi)電流，所述第一和第二面內(nèi)電流的方向與所述第一方向平行， 所述第三面內(nèi)電流用于控制所述自旋邏輯器件的操作模式，且 其中，所述SHE偏置層和所述電流布線還用于施加流過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流。2. 如權(quán)利要求1所述的自旋邏輯器件，其中，所述第三面內(nèi)電流的方向平行或者垂直于 所述第一方向。3. 如權(quán)利要求1所述的自旋邏輯器件，其中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平 行狀態(tài)之一，且 其中，當(dāng)所述第三面內(nèi)電流設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或門； 當(dāng)所述第三面內(nèi)電流設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操 作為邏輯與門。4. 如權(quán)利要求3所述的自旋邏輯器件，其中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平 行狀態(tài)中的另一個(gè)，且 其中，當(dāng)所述第三面內(nèi)電流設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或非 門；當(dāng)所述第三面內(nèi)電流設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器 件操作為邏輯與非門。5. 如權(quán)利要求1所述的自旋邏輯器件，其中，所述磁性隧道結(jié)的自由磁層和參考磁層具 有沿垂直方向的易磁化軸。6. 如權(quán)利要求1所述的自旋邏輯器件，其中，所述SHE偏置層由PtMn、IrMn、AuMn、PdMn、 FeMn或NiMn形成。7. -種自旋邏輯器件，包括： 自旋霍爾效應(yīng)SHE偏置層，由具有自旋霍爾效應(yīng)的反鐵磁材料形成； 磁性隧道結(jié)，包括： 自由磁層，設(shè)置在所述SHE偏置層上并且與之直接接觸； 勢(shì)皇層，設(shè)置在所述自由磁層上；以及 參考磁層，設(shè)置在所述勢(shì)皇層上；以及 電流布線，連接到所述磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得所述磁性隧道結(jié)設(shè)置在所述 SHE偏置層與所述電流布線之間， 其中，所述SHE偏置層向所述自由磁層施加沿第一方向的偏置磁場(chǎng)，并且所述SHE偏置 層接收第一和第二面內(nèi)電流，所述第一和第二面內(nèi)電流的方向與所述第一方向平行， 其中，所述SHE偏置層和所述電流布線用于向所述磁性隧道結(jié)施加偏置電壓以控制所 述自旋邏輯器件的操作模式，且 其中，所述SHE偏置層和所述電流布線還用于施加流過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流。8. 如權(quán)利要求7所述的自旋邏輯器件，其中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平 行狀態(tài)之一，且 其中，當(dāng)所述偏置電壓設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或門；當(dāng)所 述偏置電壓設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯 與門。9. 如權(quán)利要求8所述的自旋邏輯器件，其中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和平 行狀態(tài)中的另一個(gè)，且 其中，當(dāng)所述偏置電壓設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或非門；當(dāng) 所述偏置電壓設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏 輯與非門。10. -種自旋邏輯器件，包括： 自旋霍爾效應(yīng)SHE層，由具有自旋霍爾效應(yīng)的材料形成； 磁性隧道結(jié)，包括： 自由磁層，設(shè)置在所述SHE層上并且與之直接接觸； 勢(shì)皇層，設(shè)置在所述自由磁層上； 參考磁層，設(shè)置在所述勢(shì)皇層上；以及 釘扎層，設(shè)置在所述參考磁層上并且向所述參考磁層施加沿第一方向的偏置磁場(chǎng)； 電流布線，連接到所述磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得所述磁性隧道結(jié)設(shè)置在所述 SHE層與所述電流布線之間， 其中，所述勢(shì)皇層具有一厚度使得所述自由磁層和所述參考磁層彼此鐵磁耦合，從而 所述參考磁層向所述自由磁層施加沿所述第一方向的偏置磁場(chǎng)， 其中，所述SHE層接收第一、第二和第三面內(nèi)電流，所述第一和第二面內(nèi)電流的方向與 所述第一方向平行，所述第三面內(nèi)電流用于控制所述自旋邏輯器件的操作模式，且 其中，所述SHE層和所述電流布線還用于施加流過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流。11. 如權(quán)利要求10所述的自旋邏輯器件，其中，所述SHE層由以下材料中的一種或多種 形成：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn、Bi2Se 3、Bi2Te3、Y、 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Y;i^PILu。12. 如權(quán)利要求10所述的自旋邏輯器件，其中，所述第三面內(nèi)電流的方向平行或者垂直 于所述第一方向。13. -種自旋邏輯器件，包括： 自旋霍爾效應(yīng)SHE層，由具有自旋霍爾效應(yīng)的材料形成； 磁性隧道結(jié)，包括： 自由磁層，設(shè)置在所述SHE層上并且與之直接接觸； 勢(shì)皇層，設(shè)置在所述自由磁層上； 參考磁層，設(shè)置在所述勢(shì)皇層上；以及 釘扎層，設(shè)置在所述參考磁層上并且向所述參考磁層施加沿第一方向的偏置磁場(chǎng)； 電流布線，連接到所述磁性隧道結(jié)的參考磁層一側(cè)，使得所述磁性隧道結(jié)設(shè)置在所述 SHE層與所述電流布線之間， 其中，所述勢(shì)皇層具有一厚度使得所述自由磁層和所述參考磁層彼此鐵磁耦合，從而 所述參考磁層向所述自由磁層施加沿所述第一方向的偏置磁場(chǎng)， 其中，所述SHE層接收第一和第二面內(nèi)電流，所述第一和第二面內(nèi)電流的方向與所述第 一方向平行； 其中，所述SHE偏置層和所述電流布線用于向所述磁性隧道結(jié)施加偏置電壓以控制所 述自旋邏輯器件的操作模式，且 其中，所述SHE層和所述電流布線還用于施加流過所述磁性隧道結(jié)的讀取電流。14. 如權(quán)利要求13所述的自旋邏輯器件，其中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和 平行狀態(tài)之一，且 其中，當(dāng)所述偏置電壓設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或門；當(dāng)所 述偏置電壓設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯 與門。15. 如權(quán)利要求14所述的自旋邏輯器件，其中，所述磁性隧道結(jié)初始處于反平行狀態(tài)和 平行狀態(tài)中的另一個(gè)，且 其中，當(dāng)所述偏置電壓設(shè)置為第一預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏輯或非門；當(dāng) 所述偏置電壓設(shè)置為與所述第一預(yù)定值不同的第二預(yù)定值時(shí)，所述自旋邏輯器件操作為邏 輯與非門。16. -種電子設(shè)備，包括權(quán)利要求1至15中的任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件。17. 如權(quán)利要求16所述的電子設(shè)備，其中，所述電子設(shè)備是手機(jī)、膝上計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算 機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、媒體播放器、個(gè)人數(shù)字助理、以及穿戴式電子設(shè)備中的一種。
【文檔編號(hào)】H01L43/06GK105895799SQ201610190767
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】韓秀峰, 張軒, 萬(wàn)蔡華
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院物理研究所