自旋逻辑器件和包括其的电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种自旋逻辑器件以及包括该自 旋逻辑器件的电子设备。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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皇层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。
[0004]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。上述缺陷限制了现有技术的自旋逻辑器件的实际应用。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明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，其由具 有自旋霍尔效应的导电材料制成，并且用于接收沿第一方向的第一输入电流和第二输入电 流;位于所述SHE层上的磁性隧道结，所述磁性隧道结具有自由磁层、参考磁层以及位于二 者之间的势皇层，其中所述自由磁层直接接触所述SHE层；以及在所述磁性隧道结上方沿第 二方向延伸并且电连接到所述磁性隧道结的电流布线，所述第二方向与所述第一方向交 叉，所述电流布线用于接收第三输入电流以在所述磁性隧道结处生成磁场。
[0007] 在一些示例中，所述第二方向垂直于所述第一方向。
[0008] 在一些示例中，所述自由磁层和所述参考磁层都具有垂直磁化。
[0009] 在一些示例中，所述第一输入电流和所述第二输入电流是在所述SHE层的面内流 动的面内电流，并且所述第一输入电流和所述第二输入电流与所述第三输入电流产生的磁 场共同作用以设置所述磁性隧道结的磁化状态。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以读取所述磁性隧道结的磁化状态，从而实现逻辑操作。 [0010]在一些示例中，所述SHE层由选自包括以下材料的组的材料形成：Pt、Au、Ta、Pd、 Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、Bi2Se3、Bi2Te3、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er^PTm，W& 它们的任意组合。
[0011] 在一些示例中，所述自旋逻辑器件能通过设置所述第一输入电流、所述第二输入 电流以及所述第三输入电流的大小和方向而配置为逻辑与门、逻辑或门、逻辑非门、逻辑与 非门和逻辑或非门。
[0012] 本发明的另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， 其由具有自旋霍尔效应并且能提供磁偏置的导电材料制成，并且用于接收沿第一方向的第 一输入电流和第二输入电流;位于所述SHE偏置层上的磁性隧道结，所述磁性隧道结具有自 由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势皇层，其中所述自由磁层直接接触所述SHE偏置 层；以及连接到所述磁性隧道结的与所述SHE偏置层相反的一侧的读取布线，用于施加流经 所述磁性隧道结的读取电流，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿所述第一方向的 偏置磁场。
[0013] 在一些示例中，所述SHE偏置层由IrMn、PtMn或AuMn制成。
[0014] 在一些示例中，所述自旋逻辑器件能通过设置所述第一输入电流和所述第二输入 电流的大小和方向而配置成与门、或门和或非门之一，或者能配置成非门和与非门。
[0015] 本发明的另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，其由 具有自旋霍尔效应的导电材料制成，并且用于接收沿第一方向的第一输入电流和沿第二方 向的第二输入电流，所述第一方向与所述第二方向交叉;位于所述SHE层上的磁性隧道结， 所述磁性隧道结具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势皇层，其中所述自由磁层 直接接触所述SHE层；以及在所述磁性隧道结上方沿第三方向延伸并且电连接到所述磁性 隧道结的电流布线，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向的合成方向垂直，所述 电流布线用于接收第三输入电流以在所述磁性隧道结处生成磁场。
[0016] 在一些示例中，所述第一方向与所述第二方向垂直
[0017]在一些示例中，所述第一输入电流和所述第二输入电流是在所述SHE层的面内流 动的面内电流，并且所述第一输入电流和所述第二输入电流与所述第三输入电流产生的磁 场共同作用以设置所述磁性隧道结的磁化状态。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以读取所述磁性隧道结的磁化状态，从而实现逻辑操作。
[0018] 在一些示例中，所述自旋逻辑器件能通过设置所述第一输入电流、所述第二输入 电流以及所述第三输入电流的方向而配置为逻辑与门、逻辑或门、逻辑非门、逻辑与非门和 逻辑或非门。
[0019] 本发明的另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， 其由具有自旋霍尔效应并且能提供磁偏置的导电材料制成，并且用于接收沿第一方向的第 一输入电流和沿第二方向的第二输入电流，所述第一方向与所述第二方向交叉;位于所述 SHE偏置层上的磁性隧道结，所述磁性隧道结具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的 势皇层，其中所述自由磁层直接接触所述SHE偏置层；以及连接到所述磁性隧道结的与所述 SHE偏置层相反的一侧的读取布线，用于施加流经所述磁性隧道结的读取电流，其中，所述 SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第三方向的偏置磁场，所述第三方向在所述第一方向和 所述第二方向的合成方向上。
[0020] 在一些示例中，所述SHE偏置层由IrMn、PtMn或AuMn制成。
[0021] 在一些示例中，所述自旋逻辑器件能通过设置所述第一输入电流和所述第二输入 电流的方向而配置为逻辑与门和逻辑或门，或者配置为逻辑非门、逻辑与非门和逻辑或非 门。
[0022] 本发明的另一些实施例提供一种电子设备，其包括上述自旋逻辑器件中的任意一 种。
[0023] 在一些示例中，所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体 播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。
【附图说明】
[0024] 图1示出一种现有技术的自旋逻辑器件的结构示意图。
[0025] 图2示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。
[0026]图3A、3B、3C、3D和3E示出图2的自旋逻辑器件的各种逻辑操作的信号曲线图。
[0027] 图4示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。
[0028] 图5示出根据本发明另一实施