[发明专利]基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件

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基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件。

背景技术

自20世纪80年代末期Baibich等人在磁性多层膜系统中观察到巨磁电阻效应以来，由磁性层/非磁性层/磁性层构成的层叠结构体系的研究一直是科研人员普遍关注的重要课题。这种具有高磁电阻效应的磁性单元不仅可以广泛应用于磁传感器、磁记录读出磁头等领域，而且可开发出具有抗辐射、非易失性的磁性随机存取存储器(MRAM)。近年来，一些研究小组提出，磁记忆单元也可设计用来进行计算，即提出了磁逻辑概念。逻辑功能的实现通常通过逻辑运算的选择和执行两个步骤，这种磁逻辑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。如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)。其逻辑核心单元由磁性隧道结构成，其工作模式图和剖面结构图分别如图1(a)和(b)所示，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，“与”函数(AND)、“或”函数(OR)、“与非”函数(NAND)和“或非”函数(NOR)。

然而，现有技术中输入信号线均设置在磁性多层膜之上，其作用在磁性多层膜单元上的有效磁场比较小，因而需要较大的操作电流，同时，由于磁场空间分布不均匀会带来的不利影响。另外，现有技术使用的磁性多层膜单元的几何结构均采用非闭合结构，如方形、矩形、圆形和椭圆形等，这种结构在高密度小尺寸下将会带来较大的退磁场和形状各向异性，从而增大磁性自由层的反转场，进而增大逻辑元件工作的电流和功耗；同时，在这种图型之中也可能存在涡流磁畴，这些给逻辑单元的磁电性能的均匀性和一致性也带来许多不利的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术使用非闭合结构的磁性多层膜使得磁逻辑单元的磁电性能的均匀性和一致性不利以及所需较大操作电流的缺陷，从而采用新的几何结构的磁性多层膜单元来消除磁性多层膜自身的退磁场和减小形状各向异性，提供一种无退磁场和弱形状各向异性的、闭合型的磁性多层膜的逻辑元件。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件，其工作模式图如图2所示，包括：三条输入信号线(A、B和C)、两条输出信号线和磁性多层膜，三条输入信号线中每条输入线中流过的电流强度均相同，且均穿过磁性多层膜，分别将“0”和“1”分配给它们，利用输入信号A、B、C的组合，决定磁性多层膜中各磁性层的磁化方向，将通过磁性多层膜单元的磁电阻效应的大小作为输出信号，其特征在于：所述的磁性多层膜为环状闭合型。

所述的环状闭合型磁性多层膜如在申请号200510135365.6的专利申请中所公开的，其包括常规的磁性多层膜的各层，且该磁性多层膜的横截面呈闭合的矩形环或者椭圆环，其中矩形内环的宽度为10～100000nm，矩形外环的宽度为20～200000nm，矩形内环的宽度与长度的比值为1∶1～5；椭圆内环的短轴为10～100000nm，短轴与长轴的比值为1∶1.1～5，椭圆外环的短轴为20～200000nm。

在本发明提供的上述基于环状闭合型磁性多层膜的磁逻辑元件的结构中，磁性多层膜单元有两种数值输出(0，和1)，但有4种不同的初始状态，其中两种平行态，两种完全的反平行状态，这样可以配置出4种不同的逻辑状态。具体过程分两步，第一步，让电流流过两条、或三条输入线，从而把逻辑元件的极性设定为上述4种状态中的某一种。第二步，则是通过只激活上面两条输入线(即A和B)或三条输入线(A、B和C)来执行这项逻辑操作。值得注意的是，只有当两条或三条输入线通过电流时产生了极性相同的磁场，一种选定的初始状态才会被翻转，使输出值从“1”变“0”，从而得到多种逻辑状态。