一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法，非易失性逻辑器件包括磁头以及依次附着于衬底上的底电极、绝缘层，相变磁性薄膜和顶电极；其中相变磁性材料由一种相变材料基质中掺杂铁磁性元素构成，材料的磁性能够通过非晶态-晶态相变来可逆调控。本发明基于材料的相变控磁特性实现“实质蕴涵”逻辑运算以及“与”、“或”、“与非”和“或非”四种布尔逻辑运算，其运算结果以材料的剩余磁化存储在器件中，从而实现在单个逻辑器件中同时进行信息的存储和处理的效果。本发明公开的逻辑器件能够作为基本单元应用于新型固态存储器、逻辑运算器、可编程门阵列和片上系统等领域。
【专利说明】一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法。
【背景技术】
[0002]面对大数据时代的海量信息挑战，存储与处理融合新型信息器件被认为是突破传统冯诺依曼计算机体系架构瓶颈的关键。纳米级兼具信息存储和处理功能的电子器件是未来大规模并行运算的基石。信息存储可以通过不同两种物理状态表征“O” “I”实现，如相变存储器的非晶态和晶态，磁存储器的电子自旋平行态和反平行态，阻变存储器的导电通道形成和断开两种状态等。数字式逻辑运算是已成熟应用于计算机信息处理方式。
[0003]相变磁性材料集相变材料与稀磁半导体材料特性于一体，不仅具有相变材料快速可逆的结构变化特点，而且将自旋有效引入到相变材料中。相变磁性材料的光、电、磁等特性会随着材料在晶态与非晶态之间发生可逆相变而发生变化，从而可实现通过光致相变或电致相变来调控材料的磁特性。这一新奇特性被展望可用于新型自旋电子器件中，应用于未来信息存储和逻辑运算领域中。然而，迄今而至，相变磁性材料的研究仍然停留在材料特性探索，而后续的器件制备以及功能设计仍然未见相关文献报道，而这些方面对于未来相变磁性材料的实际应用极为关键。因此，需要针对相变磁性材料的新奇特性，设计现有电子器件所不具备的新型器件功能和操作方法。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上不足和迫切需求，本发明的目的在于提供了一种基于相变磁性材料的能同时实现逻辑运算和信息非易失性存储的逻辑器件。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，其中相变磁性材料由一种相变材料基质中掺杂铁磁性元素构成，材料的磁性能够通过非晶态-晶态相变来可逆调控。
[0006]本发明提供了一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，包括磁头以及依次附着于衬底上的底电极、绝缘层、相变磁性薄膜和顶电极；所述衬底包括硅衬底以及附着于所述硅衬底上的有源区；所述底电极包括N型硅层、P型硅层和加热层；所述N型硅层和所述P型硅层形成PN 二极管结构；加热层的尺寸小于P型硅层的尺寸；所述相变磁性材料薄膜沉积在所述绝缘层上并与所述加热层形成电接触；所述顶电极和所述底电极均连接至外部的电脉冲信号；所述非易失性逻辑器件外部还存在一个磁场输入；所述磁场为与所述相变磁性薄膜的二维平面平行的均匀可变磁场，所述磁场的强度为O?120000Θ ;所述磁头用于检测相变磁性材料的磁状态，所述磁头包括基底、依次附着于所述基底上的第一磁屏蔽层、磁阻传感器以及第二磁屏蔽层；当磁头检测某个器件的磁状态时，第一磁屏蔽层和第二磁屏蔽层用于屏蔽周围其他器件单元磁状态对磁头传感器的干扰，磁阻传感器用于检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并将其转换为读电流输出。
[0007]其中，所述相变磁性材料薄膜由一种相变材料基质掺杂铁磁性元素构成，组分表达式为AxBh,其中A为铁磁性元素，B为相变材料，O < X < 30%。
[0008]其中，所述相变材料B为二元、三元或四元硫系化合物系列，包括Ge-Te、Sb-Te,B1-Te、Ge-Sb, Sn-Te, Sb-Se, In_Se、Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, As-Sb-Te, Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn、Sb-Se-B1、Ga-Te-Se、Ge-Te-T1、Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag 或 Ag-1n-Sb-Te 及其混合合金。
[0009]其中，所述相变磁性材料薄膜为Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4^ Ge1Sb4Te7^ GeTe、GeSb>Sb2Te3、Sb70Te30> Ag5In5Sb60Te30^ Bi2Te3或Sb2Se3。所述的铁磁性元素A包括但不局限于Co、Fe、Ni 及其合金，如 FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa 等。A 也包括 Mn、Cr 以及稀土元素Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm等。
[0010]其中,所述相变磁性材料薄膜为Fe0.02Ge0.98Te、Fe0.08Ge0.92Te、Feai4Gea86Te 或
Fe0.25^^0.75^6。
[0011]本发明提供的逻辑器件，具有多种非易失性的物理状态，非晶态和晶态的相变磁性材料在物相结构、电学特性、光学特性和磁性特性等方面均存在差异，可以用于信息的存储。针对材料的这一特点，本发明以外加电脉冲以及磁场作为逻辑输入进行逻辑运算，以器件的剩余磁化强度这一磁特性物理量表征逻辑运算的结果。这一结果能够非易失性地存储在器件磁状态中，通过磁头检测器磁状态将信息读出，并通过施加一个矫顽磁场或非晶化电脉冲实现信息的擦 除。此外，在不同的逻辑“O”和“I”的定义下，器件可以实现“实质蕴涵”逻辑、“或”、“或非”、“与”和“与非”布尔逻辑等多种逻辑运算，进而极大地促进非易失性逻辑器件的设计。
[0012]本发明提供了一种非易失性逻辑操作方法，包括以下步骤:通过给非易失性逻辑器件中的顶电极和有源区施加电脉冲信号，且给所述非易失性逻辑器件施加磁场；以电脉冲信号为一个逻辑输入Input A,以磁场为另一个逻辑输入Input B,以所述非易失性逻辑器件中的相变磁性材料的剩余磁感应强度Br为逻辑输出Output，实现逻辑运算。
[0013]其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑O ;对于逻辑输入Input B,将磁场范围为O~5000e的弱磁场定义为逻辑I,磁场范围为25000e~1000OOe的强磁场定义为逻辑O ;对于逻辑输出Output，将范围为
2.5emu / cc~20emu / cc的较强的磁感应强度1^定义为逻辑输出O,将范围为O~lemu /cc的较微弱的磁感应强度4定义为逻辑输出I，从而实现实质蕴涵逻辑运算。
[0014]其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET冲定义为逻辑0，电脉冲信号RESET定义为逻辑I ;对于逻辑输入Input B，将磁场范围为O~5000e的弱磁场定义为逻辑1，磁场范围为25000e~1000OOe的强磁场定义为逻辑O ;对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu / cc~20emu / cc的较强的磁感应强度定义为逻辑输出0，将范围为O~lemu / cc的较微弱的磁感应强度4定义为逻辑输出1，从而实现“或”布尔逻辑运算。
[0015]其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑0，电脉冲信号RESET定义为逻辑I ;对于逻辑输入Input B,将磁场范围为O~5000e的弱磁场为逻辑1，磁场范围为25000e~1000OOe的强磁场为逻辑O ;对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu / cc~20emu / cc的较强的磁感应强度4定义为逻辑输出1，将范围为O~lemu / cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，从而实现“或非”布尔逻辑运算。[0016]其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑O ;对于逻辑输入Input B,将磁场范围为O?5000e的弱磁场为逻辑O,磁场范围为25000e?IOOOOOe的强磁场为逻辑I ;对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu / cc?20emu / cc的较强的磁感应强度4定义为逻辑输出1，将范围为O?lemu / cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出0，从而实现“与”布尔逻辑运算。
[0017]其中，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑O ;对于逻辑输入Input B,将磁场范围为O?5000e的弱磁场为逻辑O,磁场范围为25000e?IOOOOOe的强磁场为逻辑I ;对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu / cc?20emu / cc的较强的磁感应强度定义为逻辑输出0，将范围为O?lemu / cc的较微弱的磁感应强度Br定义为逻辑输出1，从而实现“与非”布尔逻辑运算。
[0018]本发明还提供了一种逻辑运算结果的读取和擦除方法，包括下述步骤:
[0019]将逻辑运算结果存储在相变磁性材料的非易失性剩磁状态中；
[0020]通过磁头检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并转换成一个读电流输出，实现信息的读取；
[0021]通过施加一个反向矫顽磁场-He或者施加一个RESET脉冲将相变磁性材料非晶化，实现存储信息的擦除。
[0022]本发明基于材料的相变控磁特性实现“实质蕴涵”逻辑运算以及“或”、“或非”、“与”和“与非”四种布尔逻辑运算，其运算结果以材料的剩余磁化存储在器件中，从而实现在单个逻辑器件中同时进行信息的存储和处理的效果。本发明公开的逻辑器件有望用于构建下一代信息存储和处理融合的新型计算机体系架构，突破传统计算机架构中由于信息存储和处理分离造成的“冯诺依曼瓶颈”问题。本发明公开的逻辑器件能够作为基本单元应用于新型固态存储器、逻辑运算器、可编程门阵列和片上系统等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件的器件结构示意图。
[0024]图2是本发明实施例制得的一系列晶态相变磁性材料FexGe1-Je的X射线衍射图
-1'TfeP曰。
[0025]图3是本发明实施例制得的一系列晶态相变磁性材料FexGe1-Je薄膜在2K低温-1OKOe?IOKOe面内磁场作用下的磁化曲线。
[0026]图4(a)是本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件的典型电流-电压(1-V)特性相变曲线。
[0027]图4(b)是本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件的典型脉冲模式相变特性。
[0028]图5是本发明实施例提供的基于Featl2Gea98Te相变磁性材料的逻辑器件的相变控磁特性。
【具体实施方式】
[0029]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0030]针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及其逻辑操作方法，可实现“实质蕴涵”逻辑、“与”逻辑、“或”逻辑、“与非”逻辑和“或非”逻辑；旨在实现信息的存储和处理融合的功能。
[0031]本发明与现有技术相比，能够基于相变磁性材料所具有的磁性随晶态-非晶态相变而同步发生非易失性变化的特性，在单个器件中进行“实质蕴涵”逻辑以及“或”、“或非”、“与”和“与非”等布尔逻辑运算，运算结果以材料的剩余磁化存储在器件之中，实现在一个逻辑器件中同时进行信息的存储和处理的有益效果，有望用于构建下一代信息存储和处理融合的新型计算机体系架构，突破传统计算机架构中信息存储和处理分离的“冯诺依曼瓶颈”。
[0032]现在将参考示出本发明的示范性实施例的附图，更全面地描述本发明。然而，可以用许多不同的形式实施本发明，并且本发明不应该理解为限制于这里列出的实施例；更确切地说，提供这些实施例以便本发明公开更彻底和全面，并且向本领域的技术人员充分地传达本发明的观念。
[0033]在本发明中，作为逻辑器件核心的相变磁性材料能在电流产生的焦耳热作用下产生可逆相变。一个中等强度的脉宽较宽的SET脉冲使相变磁性材料升温超过其晶化温度T。，从高电阻的非晶态转变成低电阻的晶态；一个较大强度的脉宽较窄的RESET脉冲使相变磁性材料升温超过其熔化温度Tm，从低电阻的晶态转变成高电阻的非晶态。
[0034]相变磁性材料在非晶态和晶态之间可逆相变的同时，伴随着材料磁性的变化。非晶态相变磁性材料由于载流子浓度低不足以形成长程的铁磁交换作用，以一种局域的短程铁磁交换作用宏观产生磁矩，而晶态相变磁性材料的铁磁性来源于材料内大量自由载流子调控的长程铁磁交换作用。也就是说在材料相变过程中，结构的长短程序变化和铁磁交换作用的长短程序变化是一致的。因此，可以利用相变磁性材料的结构相变来调控其磁特性。材料非易失性的电阻状态和磁状态都能够用来表征“O”和“ I ”，用于信息的存储和处理。
[0035]图1是本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件的器件结构示意图。参考图1，逻辑器件包括:衬底101，底电极102，绝缘层103，相变磁性薄膜104，顶电极105和磁头106。具体的，衬底101由硅衬底IOlA及其上方的有源区IOlB构成，有源区可以通过对硅衬底掺杂形成，例如掺入磷(P)或砷(As)元素可形成N性有源区，掺入硼(B)元素可形成P型有源区，目的是降低有源区IOlB和底电极102之间的电势垒，增强两层之间的导电性以作为大规模阵列集成时的字线或位线。底电极102沉积在衬底101上方，由一层N型硅102A、一层P型硅102B和一个加热层102C构成，N型硅102A和P型硅102B形成一个PN 二极管结构，可以作为大规模阵列集成时，与字线或位线连接选通管，以在外加电压下选通特定的器件进行操作。N型硅102A和P型硅102B的尺寸一致，加热层102C的尺寸小于P型硅102B的尺寸。绝缘层103覆盖了底电极102，以与其他器件绝缘隔离，绝缘层103可以是Si02、Si3N4, SiON等。相变磁性材料薄膜104沉积在绝缘层103之上，与加热层102C形成电接触。为使加热层102C产生的电致焦耳热更集中，在低能耗下达到良好的电致相变效果，可以减小加热层102C的尺寸，其能达到的最小尺寸由光刻工艺的特征尺寸决定。顶电极105沉积在相变磁性薄膜104之上。加热层102C和顶电极105可以是导电性良好的金属或金属化合物，如T1、Cu、Al、Ta、TiN、Tiff, TaN、TiAlN等。器件顶电极和底电极连接至一个外加电源提供电脉冲输入。器件外部还存在一个磁场输入，其中磁场是一个与相变磁性薄膜的二维平面平行的均匀可变磁场，可以被局限在特定器件单元的尺寸范围内，其强度范围可为O~120000e。磁头106用来检测相变磁性材料的磁状态，由一层基底106A、两层磁屏蔽层106BU06D和磁阻传感器106C构成。磁屏蔽层106BU06D和磁阻传感器106C都制作在基底106A上，当磁头检测某个器件的磁状态时，磁屏蔽层106B和106D用来屏蔽周围其他器件单元磁状态对磁头传感器的干扰，磁阻传感器106C能够检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并转换成一个读电流输出。
[0036]所述的相变磁性材料薄膜层104由一种相变材料基质掺杂铁磁性元素构成，组分表达式为AxBh,其中A为铁磁性元素，B为相变材料，O < X ≤ 30%。所述的相变材料B可以为二元、三元或四元硫系化合物系列，包括但不局限于:Ge_Te、Sb-Te, B1-Te, Ge-Sb,Sn-Te, Sb-Se, In-Se, Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, As-Sb-Te, Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn, Sb-Se-Bi,Ga-Te-Se, Ge-Te-Ti, Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag、Ag-1n-Sb-Te 等及其混合合金，常见的化学计量比材料包括但不局限于:Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4'Ge1Sb4Te7'GeTe、GeSb、Sb2Te3、Sb7QTe3(l、Ag5In5Sb60Te30' Bi2Te3' Sb2Se3 等。
[0037]所述的铁磁性元素A包括但不局限于Co、Fe、Ni及其合金，如FePt、CoPt, CoFeB,TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa 等。A 也包括 Mn、Cr 以及稀土元素 Gd、Tb、Dy、Ho、Er 和 Tm 等。
[0038]优选的，所述的相变磁性材料为Featl2Gea98Te' Fe0 08Ge0.92Te> Fe。.14GeQ.86Te、Fe0.25Ge0.75Teo非晶态和晶态的相变磁性材料都展示出良好的磁滞特性，且材料的饱和磁化强度、剩余磁化强度和矫顽场由于结晶度不同而存在较大差异。
[0039]图2是本发明实施例制得的一系列晶态相变磁性材料FexGe1-Je的X射线衍射图谱。材料是在300°C衬底温度下采用脉冲激光沉积制备得到。从图2中可以看出,FexGe1-Je薄膜在铁浓度X < 0.38时，均是一种高度择优(001)取向的斜方六面体结构，图2中只出现基体材料GeTe衍射峰，说明在此浓度条件下，薄膜材料均是一种单相。随着铁掺入量X增加，当x=0.25时，(202) (042)等斜方六面体GeTe晶面出现，当铁掺入量达到x=0.38时，FeTe 二相出现，并且基体GeTe的衍射峰变得非常弱，第二相的存在压抑了 GeTe晶粒的生长。由于材料的c轴择优取向，能确定随着铁掺入量的增加，FexGe1^xTe薄膜的晶胞沿c轴出现少量的膨胀，这说明掺入的铁进行了基体材料GeTe晶格里面。
[0040]图3是本发明实施例制得的一系列晶态相变磁性材料FexGe1-Je薄膜在2K低温-1OKOe~IOKOe面内磁场作用下的磁化曲线(M-H)。从图3中可以看出，Fe的浓度含量从x=0.02, x=0.08增加到χ=0.14时,磁滞回线中出现的矫顽场均高于12000e,说明FexGe1-Je薄膜中存在着铁磁交换作用。当Fe浓度为x=0.02时，薄膜整体的磁化强度和剩余磁化强度都达到最大。不同浓度Fe含量时，薄膜磁化强度和剩余磁化强度存在差异，但是其磁特性随材料相变特性的变化规律一致。
[0041]图4 (a)是本发明实施例制得的基于Featl2Gea98Te相变磁性材料的逻辑器件的典型电流-电压(I;)特性相变曲线。器件中各层薄膜在室温下沉积得到。参考图4(a)，器件初始态为高阻非晶态，当施加电压超过其阈值，其状态转变成低阻晶态。高阻非晶态和低阻晶态都是非易失性的电阻态。
[0042]图4 (b)是本发明实施例制得的基于Featl2Gea98Te相变磁性材料的逻辑器件的典型脉冲模式相变特性。参考图4(b)，当对器件施加脉冲幅值为0.8V，脉冲宽度为200ns的SET脉冲，器件从高阻态切换到低阻态；当对器件施加脉冲幅值为2V，脉冲宽度为30ns的RESET脉冲，器件从低阻态切换到高阻态。
[0043]图5是本发明实施例提供的基于Featl2Gea98Te相变磁性材料的逻辑器件的相变控磁特性。图中C代表是300°C衬底温度下沉积的晶态相变磁性材料样品，A代表室温下沉积的非晶态样品，Ca代表非晶态样品晶化后的样品。左上插图是三种薄膜状态下样品所对应的电导，右下插图是三种不同薄膜状态的X射线衍射图谱。从图5中可以看出，C-A-Ca三种状态的薄膜都具有磁滞回线，说明这三种结构相中都存在着Fe离子之间的铁磁交换作用。非晶态A的饱和磁化强度只为2.5emu / cc，晶态Ca态样品的饱和磁化强度为13.9emu /cc。制备的晶态C态的饱和磁化强度与晶态Ca非常接近，约为14.9emu / cc。观察到的饱和磁化强度随着C-A-C的变化说明相变磁性材料Featl2Gea98Te薄膜的磁性随着结构相的改变而发生变化。图中两种晶态(:和Ca样品之间饱和磁化强度和矫顽场的变化主要是由晶态样品结晶度的差异引起的，这与图中XRD结果一致。因此，在基于Featl2Gea98Te相变磁性材料的逻辑器件中，材料的磁性将随着电脉冲导致的相变而发生可逆变化，就如同电导一样，电致相变可以有效调控材料磁性。
[0044]表1为本发明实施例提供的基于相变磁性材料的逻辑器件实现实质蕴涵逻辑(IMP)的原理真值表。利用非晶态下和晶态下磁特性的差异:非晶态磁滞回线较小，晶态则具有明显的磁滞特性，存在较大的剩余磁感应强度Br。外加电脉冲为输入Input A，SET脉冲为逻辑1，RESET为逻辑O ;外加磁场为输入Input B，磁场范围为O~5000e (如图5中的1000e，Oe为磁场单位奥斯特)的弱磁场为逻辑I，磁场范围为2500~1000OOe (如图5中的50000e)的强磁场为逻辑O。逻辑输出Output为相变磁性材料的剩余磁感应强度Br，可以用磁头106检测剩磁状态并读出。范围为2.5~20emu / cc的较强的Br为逻辑输出0，范围为O~lemu / cc的较微弱的为逻辑输出I。
[0045]存储的信息擦除，可施加一个反向矫顽磁场-He (如图5中的15000e)或者施加一个RESET脉冲将相变磁性材料非晶化。根据以上原理可知:当施加SET脉冲将相变磁性材料操作至晶态，且具有较大外磁场使材料达到饱和磁化强度后，器件才会具有剩磁状态B-也就是说，只有InputA为I, Input B为O时,Output才为O,符合实质蕴涵逻辑真值表。当改变逻辑输入和输出“O”和“I”的编码定义时，器件还能实现更多的布尔逻辑操作。
[0046]表1
[0047]
【权利要求】
1.一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，其特征在于，包括磁头(106)以及依次附着于衬底(101)上的底电极(102)、绝缘层(103)，相变磁性薄膜(104)和顶电极(105)； 所述衬底(101)包括硅衬底(101A)以及附着于所述硅衬底(101A)上的有源区(101B)； 所述底电极(102)包括N型硅层(102A)、P型硅层(102B)和加热层(102C);所述N型硅层(102A)和所述P型硅层(102B)形成PN 二极管结构；加热层(102C)的尺寸小于P型娃层(102B)的尺寸； 所述相变磁性材料薄膜(104)沉积在所述绝缘层(103)上并与所述加热层(102C)形成电接触； 所述顶电极(105)和所述底电极(102)均连接至外部的电脉冲信号；所述非易失性逻辑器件外部还存在一个磁场输入；所述磁场为与所述相变磁性薄膜(104)的二维平面平行的均匀可变磁场，所述磁场的强度为O~120000e ； 所述磁头(106)用于检测相变磁性材料的磁状态，所述磁头(106)包括基底(106A)、依次附着于所述基底上的第一磁屏蔽层(106B)、磁阻传感器(106C)以及第二磁屏蔽层(106D)； 当磁头(106)检测某个器件的磁状态时，第一磁屏蔽层(106B)和第二磁屏蔽层(106D)用于屏蔽周围其他器件单元磁状态对磁头传感器的干扰，磁阻传感器(106C)用于检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并将其转换为读电流输出。
2.如权利要求1所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变磁性材料薄膜(104)由一种相变材料基质掺杂铁磁性元素构成，组分表达式为AxBh,其中A为铁磁性元素，B为相变材料，O < X < 30%。
3.如权利要求2所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变材料B为二元、三元或四元硫系化合物系列，包括 Ge-Te、Sb-Te、B1-Te、Ge-Sb、Sn-Te、Sb-Se、In-Se、Ge-Sb-Te、In-Sb-Te, As-Sb-Te, Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn, Sb-Se-B1、Ga-Te-Se, Ge-Te-T1、Ge-Te-Sn-O,Ge-Te-Sn-Ag 或 Ag-1n-Sb-Te 及其混合合金。
4.如权利要求2所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述铁磁性元素A为Co、Fe、Ni 及其合金或 Mn、Cr 以及稀土元素 Gd、Tb、Dy、Ho、Er 和 Tm ;包括 FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa。
5.如权利要求2或3所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变磁性材料薄膜(104)为 Fe0.02Ge0.98Te、Fe0.08Ge0.92Te、Fe0.14Ge0.86Te 或 Fe0.25Ge0.75Te。
6.一种非易失性逻辑操作方法，其特征在于，包括以下步骤: 通过给非易失性逻辑器件中的顶电极(105)和有源区(101B)施加电脉冲信号，且给所述非易失性逻辑器件施加磁场；以电脉冲信号为一个逻辑输入Input A,以磁场为另一个逻辑输入Input B,以所述非易失性逻辑器件中的相变磁性材料的剩余磁感应强度为逻辑输出Output,实现逻辑运算。
7.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入InputA,将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑O ;对于逻辑输入Input B，将磁场范围为O~5000e的弱磁场定义为逻辑I，磁场范围为25000e~1000OOe的强磁场定义为逻辑O ;对于逻辑输出Output,将范围为2.5emu / cc~20emu / cc的较强的磁感应强度定义为逻辑输出0，将范围为O~lemu / cc的较微弱的磁感应强度定义为逻辑输出I，从而实现实质蕴涵逻辑运算。
8.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入InputA,将电脉冲信号SET冲定义为逻辑0，电脉冲信号RESET定义为逻辑I ;对于逻辑输入InputB，将磁场范围为O~5000e的弱磁场定义为逻辑1，磁场范围为25000e~1000OOe的强磁场定义为逻辑O ;对于逻辑输出Output,将范围为2.5emu / cc~20emu / cc的较强的磁感应强度定义为逻辑输出0，将范围为O~lemu / cc的较微弱的磁感应强度定义为逻辑输出1，从而实现“或”布尔逻辑运算。
9.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入InputA,将电脉冲信号SET定义为逻辑0，电脉冲信号RESET定义为逻辑I ;对于逻辑输入Input B，将磁场范围为O~5000e的弱磁场为逻辑1，磁场范围为25000e~1000OOe的强磁场为逻辑O ;对于逻辑输出Output,将范围为2.5emu / cc~20emu / cc的较强的磁感应强度B1^定义为逻辑输出1，将范围为O~lemu / cc的较微弱的磁感应强度定义为逻辑输出0，从而实现“或非”布尔逻辑运算。
10.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入InputA,将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑O ;对于逻辑输入Input B，将磁场范围为O~5000e的弱磁场为逻辑O,磁场范围为25000e~1000OOe的强磁场为逻辑I ;对于逻辑输出Output,将范围为2.5emu / cc~20emu / cc的较强的磁感应强度B1^定义为逻辑输出1，将范围为O~lemu / cc的较微弱的磁感应强度定义为逻辑输出0，从而实现“与”布尔逻辑运算。
11.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入InputA,将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑O ;对于逻辑输入Input B，将磁场范围为O~5000e的弱磁场为逻辑O,磁场范围为25000e~1000OOe的强磁场为逻辑I ;对于逻辑输出Output,将范围为2.5emu / cc~20emu / cc的较强的磁感应强度B1^定义为逻辑输出0，将范围为O~lemu / cc的较微弱的磁感应强度定义为逻辑输出1，从而实现“与非”布尔逻辑运算。
12.一种逻辑运算结果的读取和擦除方法，其特征在于，包括下述步骤: 将逻辑运算结果存储在相变磁性材料的非易失性剩磁状态中； 通过磁头检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并转换成一个读电流输出，实现信息的读取； 通过施加一个反向矫顽磁场-He或者施加一个RESET脉冲将相变磁性材料非晶化，实现存储信息的擦除。
【文档编号】H01L43/10GK103794224SQ201410039670
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】缪向水, 李祎, 钟应鹏 申请人:华中科技大学