一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件及其调控方法与流程

1.本发明属于磁性器件领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.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，本发明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。
7.本发明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。
8.本发明的技术方案如下：
9.一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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.所述铁磁层材料选用cofeb、cofe和/或co。
14.所述反铁磁材料选用irmn、femn和/或ptmn。
15.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。
16.上述自旋逻辑器件磁矩的调控方法有：
17.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。在本发明中使用两个电流脉冲ia和ib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hf；其中hf为正表示磁场沿x轴正方向，hf为负表示磁场沿x轴负方向，hf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hf《0；当所选的重金属材料自旋霍尔角为负时，如ta、w等，所选hf》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。
18.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is(i
l
》is，根据所选择的材料以及结构确定)，i
l
和is的大小以及hf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。
19.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hf沿着x轴方向，且|hf|＜|hi|时，其中hi为施加的电流为i
l
+is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。
20.a、b端输入的电流有：
21.为两个is之和(对应a、b两个逻辑输入均为“0”)以及一个i
l
、一个is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”。
22.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
th
，记为输出为“1”。
23.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hf沿着x轴方向，且|hi|＜|hf|时。
24.a、b端输入的电流有：
25.为两个is之和(对应a、b两个逻辑输入端均为“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，即v
out1
《v
th
，记为输出为“0”。
26.而一个i
l
、一个is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”)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，即v
out2
》v
th
，记为输出为“1”。
27.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hf沿着x轴方向，且|hf|＜|hi|时。
28.a、b端输入的电流有：
29.为两个is之和(对应a、b两个输入均为“0”)以及一个i
l
、一个is之和(对应a、b两个输入一个为“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
为一大值，即v
out1
》v
th
，判定为输出为“1”。
30.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
为一小值，即v
out2
《v
th
，记为输出为“0”。
31.规则4：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)，当施加的辅助磁场hf沿着x轴方向，且|hi|＜|hf|时。
32.a、b端输入的电流有：
33.为两个is之和(对应a、b两个输入端均为“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
为一大值，即v
out1
》v
th
，记为输出为“1”。
34.而一个i
l
、一个is之和(对应a、b两个输入一个为“1”一个为“0”)以及两个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，这时输出端获得的反常霍尔电压值v
out2
为一小值，即v
out2
《v
th
，记为输出为“0”。
35.上述基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件的调控方法，按照规则1-4，即可基于铁磁/反铁磁双层的磁性薄膜实现与门、或门、与非门、或非门、非门逻辑，具体调控方法如下：
36.(1)单元复位(reset)与置位(set)：
37.在实现与门、或门(利用规则1或规则2的门器件)逻辑功能前均需对单元进行复位(reset)操作，使单元的初始磁矩沿z轴负方向。
38.复位操作步骤如下：沿x轴方向施加一大小与相应规则中|hf|大小一致、方向与相应规则中hf相反的磁场(该磁场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，则为正；当所选的重金属材料自旋霍尔角为负时，如ta、w等，则为负)，同时沿着x轴正方向施加2倍i
l
大小的脉冲电流，此时无论之前铁磁/反铁磁双层膜磁矩取向为何，自旋轨道矩作用均将使磁矩沿着z轴负方向取向，输出端获得的反常霍尔电压值为一小值，记为输出为“0”，此时完成了复位操作。
39.而在实现与非门、或非门、非门(利用规则3或规则4的门器件)逻辑功能前均需对单元进行置位(set)操作，使单元的初始磁矩沿z轴正方向。
40.置位操作步骤如下：沿x轴方向施加一大小与相应规则中|hf|大小一致、方向与相应规则中hf相反的磁场(该磁场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，则为负；当所选的重金属材料自旋霍尔角为负时，如ta、w等，则为正)，同时沿着x轴正方向施加2倍i
l
大小的脉冲电流，此时无论之前铁磁/反铁磁双层膜磁矩取向为何，自旋轨道矩作用均将使磁矩沿着z轴正方向取向，输出端获得的反常霍尔电压值为一大值，记为输出为“1”，此时完成了置位操作。
41.(2)与门的实现：
42.首先对单元实施复位reset操作后，按下表1所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf，且|hf|＜|hi|，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则1，则输出端即可获得如下表1所示的与门逻辑规则。
43.表1与门逻辑规则真值表
[0044][0045]
(3)或门的实现：
[0046]
首先对单元实施复位reset操作后，按下表2所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf，且|hi|＜|hf|时，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则2，则输出端即可获得如下表2所示的或门逻辑规则。
[0047]
表2或门逻辑规则真值表
[0048][0049]
(4)与非门的实现：
[0050]
首先对单元实施置位set操作后，按下表3所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf，且|hf|＜|hi|，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则3，则输出端即可获得如下表3所示的与非门逻辑规则。
[0051]
表3与非门逻辑规则真值表
[0052][0053]
(5)或非门的实现：
[0054]
首先对单元实施置位set操作后，按下表4所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf，且|hi|＜|hf|时，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则4，则输出端即可获得如下表4所示的或非门逻辑规则。
[0055]
表4或非门逻辑规则真值表
[0056][0057]
(6)非门的实现：
[0058]
首先对单元实施置位set操作后，按下表5所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf，且|hf|＜|hi|，由于非门只需一个输入，固定输入端a恒为“1”，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则3，则输出端即可获得如下表5所示的非门逻辑规则。
[0059]
表5非门逻辑规则真值表
[0060][0061]
本发明提出采用铁磁/反铁磁双层垂直交换偏置结构制备自旋逻辑器件，利用自旋轨道矩驱动铁磁层、反铁磁层界面磁矩翻转从而改变铁磁/反铁磁层双层垂直交换偏置体系的交换偏置场大小和方向，最终带动铁磁层磁矩翻转。由于反铁磁材料本身耐大磁场干扰，因此利用该方法，不但可以实现基于反铁磁材料的新型自旋逻辑器件，且还可在一定
程度上提升自旋逻辑器件的抗干扰能力及获得更低的驱动电流密度。
[0062]
综上所述，本发明改变铁磁层和反铁磁层的磁矩取向，从而实现磁逻辑器件，通过这种方法实现的磁逻辑器件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。
附图说明
[0063]
图1是本发明的器件结构示意图；
[0064]
图2是实施例与门实现的输出逻辑变化示意图；
[0065]
图3是实施例或门实现的输出逻辑变化示意图；
[0066]
图4是实施例与非门实现的输出逻辑变化示意图；
[0067]
图5是实施例或非门实现的输出逻辑变化示意图；
[0068]
图6是实施例非门实现的输出逻辑变化示意图；
[0069]
附图标记：1-注入极化流层，2-铁磁层，3-反铁磁层，4-保护层。
具体实施方式
[0070]
下面结合附图和具体实施例，详述本发明的技术方案。
[0071]
一种基于垂直交换偏置的自旋逻辑器件，在基片上利用光刻及薄膜工艺制备自旋逻辑单元，其结构为注入极化流层/铁磁层/反铁磁层/覆盖层，包括以下制备步骤：
[0072]
步骤1：选用常规的si/sio2基片作为器件基底，光刻出如图1所示的电极部分图形，其中十字型结构为注入极化流层，用于提供驱动铁磁/反铁磁磁矩翻转的自旋轨道矩电流，材料采用重金属pt，厚度为6nm；y轴方向电极为测试反常霍尔电压的电极。步骤2：在步骤1的基础上再进行反胶光刻出磁阻图形，并采用薄膜沉积工艺在基片上沉积薄膜，其结构为co(0.8nm)/irmn(5nm)/ta(1.5nm)。其中铁磁层co(0.8nm)由重金属层诱导为垂直各向异性，并对反铁磁层起到诱导垂直各向异性的作用；反铁磁层irmn(5nm)与铁磁层接触的界面处磁矩被诱导为垂直各向异性，与铁磁层产生了垂直交换偏置作用，该交换偏置将作为存储信息的媒介；覆盖层ta(1.5nm)起到保护器件的作用。
[0073]
在自旋逻辑器件制备完成之后，为实现对器件磁矩的调控，需要在器件的注入极化流层沿x轴正方向注入电流脉冲。在本实施例中使用两个电流脉冲ia和ib作为门器件的两个输入，分别视为输入a和输入b，如图1所示。构建相应的门逻辑器件时，需在x轴施加相应的辅助磁场hf，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。
[0074]
按照上述规则1-4，基于铁磁/反铁磁双层磁性薄膜实现与门、或门、与非门、或非门、非门逻辑，具体实现方法如下：
[0075]
(1)与门的实现：
[0076]
根据规则1，由于pt的自旋霍尔角为正，确定hf为-600奥斯特oe(即磁场方向沿着x轴负方向)；i
l
大小为12ma，方向为x轴正方向；is大小为8ma，方向为x轴正方向。
[0077]
在实现与门逻辑关系前需对单元进行复位操作：沿x轴正方向施加600奥斯特oe磁场，同时沿着x轴正方向施加24ma大小的脉冲电流，此时无论之前铁磁/反铁磁双层膜磁矩取向为何，自旋轨道矩作用均将使磁矩沿着z轴负方向取向，即完成了复位操作。如图2所示，单元复位reset后，按下表所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场
hf(-600奥斯特oe)，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则1，则输出端即可获得如下表所示的与门逻辑规则。
[0078]
表1与门逻辑规则真值表
[0079][0080]
(2)或门的实现：
[0081]
根据规则2，确定hf为-3000奥斯特oe(即磁场方向沿着x轴负方向)；i
l
大小为12ma，方向为x轴正方向；is大小为8ma，方向为x轴正方向。
[0082]
在实现或门逻辑关系前需对单元进行复位操作：沿x轴正方向施加3000奥斯特oe磁场，同时沿着x轴正方向施加24ma大小的脉冲电流，此时无论之前铁磁/反铁磁双层膜磁矩取向为何，自旋轨道矩作用均将使磁矩沿着z轴负方向取向，即完成了复位操作。如图3所示，单元复位reset后，按下表所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf(-3000奥斯特oe)，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则2，则输出端即可获得如下表所示的或门逻辑规则。
[0083]
表2或门逻辑规则真值表
[0084][0085]
(3)与非门的实现：
[0086]
根据规则3，确定hf为600奥斯特oe(即磁场方向沿着x轴正方向)；i
l
大小为12ma，方向为x轴正方向；is大小为8ma，方向为x轴正方向。
[0087]
在实现与非门逻辑关系前需对单元进行置位操作：沿x轴负方向施加600奥斯特oe磁场，同时沿着x轴正方向施加24ma大小的脉冲电流，此时无论之前铁磁/反铁磁双层膜磁矩取向为何，自旋轨道矩作用均将使磁矩沿着z轴正方向取向，即完成了置位操作。如图4所示，单元置位set后，按下表所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf(600奥斯特oe)，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则3，则输出端即可获得如下表所示的与非门逻辑规则。
[0088]
表3与非门逻辑规则真值表
[0089][0090]
(4)或非门的实现：
[0091]
根据规则4，确定hf为3000奥斯特oe(即磁场方向沿着x轴正方向)；i
l
大小为12ma，方向为x轴正方向；is大小为8ma，方向为x轴正方向。
[0092]
在实现或非门逻辑关系前需对单元进行置位操作：沿x轴负方向施加3000奥斯特oe磁场，同时沿着x轴正方向施加24ma大小的脉冲电流，此时无论之前铁磁/反铁磁双层膜磁矩取向为何，自旋轨道矩作用均将使磁矩沿着z轴正方向取向，即完成了置位操作。如图5所示，单元置位set后，按下表所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf(3000奥斯特oe)，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则4，则输出端即可获得如下表所示的或非门逻辑规则。
[0093]
表4或非门逻辑规则真值表
[0094][0095]
(5)非门的实现：
[0096]
根据规则3，确定hf为600奥斯特oe(即磁场方向沿着x轴正方向)；i
l
大小为12ma，方向为x轴正方向；is大小为8ma，方向为x轴正方向。
[0097]
在实现非门逻辑关系前需对单元进行置位操作：沿x轴负方向施加600奥斯特oe磁场，同时沿着x轴正方向施加24ma大小的脉冲电流，此时无论之前铁磁/反铁磁双层膜磁矩取向为何，自旋轨道矩作用均将使磁矩沿着z轴正方向取向，此时完成了置位操作。如图6所示，单元置位set后，按下表所示在输入端a、b注入相应电流，且沿x轴方向施加辅助磁场hf(600奥斯特oe)，由于非门只需一个输入，固定输入端a恒为“1”，此时根据自旋轨道矩驱动铁磁/反铁磁双层膜翻转规则3，则输出端即可获得如下表所示的非门逻辑规则。
[0098]
表5非门逻辑规则真值表
[0099][0100]
通过以上实施例可见，本发明采用铁磁/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。