[发明专利]磁逻辑元件

说明书

本发明涉及通过实现磁量子点特性而得到的逻辑电路。

在过去四十年中，诸如微处理器的硅电子器件的集成密度一直遵循稳定的指数增长。尽管硅集成度仍然具有很大的未来增长潜力，最终将会到来集成密度不可能进一步增长的时刻。因而需要提供另一种可供选择的数字逻辑。想象中，人们可能会转向分子电子学，其中使用单个分子或原子作为逻辑门并相互连接。不过，在该领域中有大量的技术和学术困难需要克服，以致它不可能直接取代硅电子学。近来，人们已经将更多的注意力放在电子量子点和单电子晶体管上，作为在传统的硅器件以外用于继续增加集成密度的选择。一种称为量子细胞自动机(aquantum cellular automaton-QCA)的量子点的尤为吸引人的结构，已经表现出执行逻辑运算的能力。遗憾的是，目前这些器件仅工作在非常低的温度下。

根据本发明，提供一种由磁材料的至少一个点链形成的逻辑装置，每个点具有200nm或更小的宽度，并被分隔开一足够小的距离，以确保相邻点的磁相互作用。该点可以为100nm或更小，或者为80nm或更小。

该点可以具有圆形、椭圆形或它们的组合。

该点可以由软磁材料如铁镍合金(Ni 80 Fe 20)或CoFe形成。

该点可以形成在由诸如Si材料制成的基板上。

该逻辑装置还可以包括用于向点链提供一或多个受控磁场的装置。该用于提供磁源的装置可以包括用于控制该磁源的装置，使得该磁场可以作为控制时钟运作。在该装置中可以设置多个链，以提供“或”门，“与”门，“非”门或它们的组合，或者其它许多逻辑门中的任一个。通过进一步包括一或多个产生磁—电效应的元件，该装置可以提供一或多个电输出。

本发明提供采用磁量子点的QCA。该设计在高达铁磁金属的居里温度(～1000K)时能够良好的工作，并且可以用大到200nm或者小如10nm的点来实现。因而，本发明提供的磁量子细胞自动机(MQCA)，能够填补传统的硅器件与分子电子学之间的空白。200nm的点使面集成密度(每个芯片的有效晶体管的数量)比当今的CMOS增加了400倍；10nm的点使表面集成密度增加了160000倍。而且，与当前的CMOS工艺相比，用于MQCA器件的制造工艺相当简单。因而，根据本发明的MQCA能够完全改变IC制造的经济状况，允许不能够筹集到用于CMOS制造的资金(约20亿美圆)的较小的公司进入市场。此外，MQCA作为全磁器件，随时准备着面对刚出现的磁随机存取存储器(MRAM)技术，将来MRAM将代替所有的半导体计算机存储器。

现在，将参照附图描述本发明的一个实施例，其中：

图1为根据本发明结合多种原理的逻辑装置的示意图；

图2为示意图，表示根据本发明的逻辑元件中的孤立子缺陷；

图3表示根据本发明的逻辑互连接如何相互交叉而无不利的相互干扰；

图4A，4B和4C为示意图，表示如何将本发明的例子构造成提供阻抗匹配；以及

图5表示根据本发明，如何通过改变链分裂处附近点的厚度获得信号扇出(fan-out)。

在描述本发明之前，提供一些背景技术是有用的。

近来，纳米大小的磁粒子(纳米磁体)已经成为科学和技术研究的主题。这些人造的0尺寸结构特别另人感兴趣，因为除了提供在其中研究磁性基本问题的极好的实验以外，对于诸如用于计算机的超高密度硬盘媒体和非易失存储器的未来技术应用而言，它们是非常有前途的选择。

纳米磁体的众多用途产生于称为Brown基本理论的原理，该理论指出，因为静磁能与量子机械交换能之间的竞争，磁畴结构会被整个压缩成一个非常小(～10^-8m)的磁粒子，导致纳米磁体相当于单个巨型螺旋。近来，已经实验证实，该理论在平面圆形铁磁盘中是正确的。从而，有可能通过实验实现几千波尔磁子的孤立的平面偶极矩。通过选择纳米磁体的几何形状，可以另外选择优选的面内方向(各向异性)。即使在100nm远的距离处，从该巨型螺旋发出的磁场也能够达到几十奥斯特。将其与kT/m，可表示为室温下10e附近的磁场的热涨落能量(对于75nm直径，10nm厚的铁镍合金盘而言)进行比较。从而可以使纳米磁体在比热下限(thermal floor)更高的能级上静磁相互作用，即使在室温和更高温度下也是如此。

(i)逻辑状态