[发明专利]基于双势垒磁性隧道结的逻辑元件和磁逻辑元件阵列

说明书

技术领域

本发明属于磁逻辑领域，具体地说是涉及一种利用磁随机存取存储的数字存储技术，为逻辑装置和逻辑电路提供的基于双势垒磁性隧道结的逻辑元件，以及阵列化了的磁逻辑元件阵列。

背景技术

目前基于晶体管的集成电路、计算工作主要依赖于电子的电荷。但自从21世纪80年代巨磁电阻效应发现以来，自旋电子学引起人们的广泛关注，人们想操控电子的自旋来设计和制造新的器件。一些研究小组开始探索一类全新的处理器，他们提出，磁记忆单元也可设计用来进行计算。通过逻辑运算的选择和执行这两个步骤，这些装置既可成为可编程的逻辑装置，也可成为通常的瞬态电子输出的记忆装置。

Cowbum等人提出了一种由纳米磁粉构造的新装置结构，可用它执行磁逻辑功能(Cowbum和Welland，《科学》第287卷第1466-1468页)。2000年依阿华州立大学的William C.Black，Jr.与B.Das提出一种基于磁阻效应的磁逻辑，两年后，德国西门子研究公司通过实验演示一种可重配置的磁逻辑门元件。紧接着，柏林Paul Drude研究所提出了一种更简单的方法来实现各种计算元件在不同逻辑状态之间的切换[A.Ney，C.Pampuch，R.Koch和K.H.Pioog，《自然》第425卷第485-487页]。其设计方案如图1所示，磁逻辑门含有三条输入线，即输入线A、B、C，每条输入线中流过的电流其强度均相同。在这种磁阻元件中虽然只有两种输出数值(0和1)，但却有四种不同的初始状态，其中两种为平行状态，两种为反平行状态，这样就可以配置出不同的逻辑状态。这样的一个单个磁逻辑元件可表示以下的基本逻辑函数，如“与”函数(AND)、“或”函数(OR)、“与非”函数(NAND)和“或非”函数(NOR)。通过适当的组合可以构造出任何公知的逻辑结构。

然而，如果要组成一个诸如“与或非”或“同或”等逻辑功能至少需要两个这样的逻辑单元。现有的磁逻辑还没有解决缩小尺寸的问题，也没有解决多个元件如何构成的问题，所以对于今后的实际应用中需要磁逻辑电路的小型化、集成化有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的磁逻辑不利于小型化和集成化的缺陷，从而提供一种小型的、具有多个逻辑功能的、能进行逻辑处理的基于双势垒磁性隧道结的逻辑元件。

本发明的另一目的是提供一种将上述基于双势垒磁性隧道结的逻辑元件阵列化了的磁逻辑元件阵列。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供一种基于双势垒磁性隧道结的逻辑元件，如图2所示，该逻辑元件包括四条输入信号线(A、B、C和D)、一条输出信号线和隧道结单元；每条输入信号线中流过的电流强度均相同，分别将“0”和“1”分配给它们，利用输入信号线A、B、C、D的组合，决定隧道结中磁性层的磁化方向，将通过双势垒磁性隧道结的磁电阻效应的大小作为输出信号；其特征在于：

所述的隧道结单元是双势垒磁性隧道结单元，如图3所示，其包括：

一个下部磁性层FM1；

一个形成于所述下部磁性层之上的第一隧道势垒层I1；

一个形成于所述第一隧道势垒层之上的中间磁性层FM2；

一个形成于所述中间磁性层之上的第二隧道势垒层I2；

一个形成于第二隧道势垒层之上的上部磁性层FM3；

所述的三个磁性层(下部磁性层FM1、中间磁性层FM2和上部磁性层FM3)的组成材料为铁磁性材料、半金属磁性材料或磁性半导体材料，各磁性层的厚度均为2～10nm；其中，下部磁性层FM1和FM3的矫顽力可以相同也可以不同，中间磁性层FM2的磁化方向是自由的，其由矫顽力较小的软磁性材料构成；

上述铁磁性材料包括：Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Co-Fe-Ni、Gd-Y等铁磁性合金，Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er等稀土金属及其铁磁合金；

上述半金属磁性材料包括：Fe₃O₄、CrO₂、La_0.7Sr_0.3MnO₃或Co₂MnSi等Heussler合金；

上述磁性半导体材料包括：Fe、Co、Ni或V；或者为Mn掺杂的ZnO、TiO₂、HfO₂或SnO₂，或者为Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN或ZnTe；