[发明专利]自旋逻辑器件和包括其的电子设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种自旋逻辑器件以及包括该自旋逻辑器件的电子设备。

背景技术

利用磁性材料的电子自旋特性来设计的数字逻辑器件称为自旋逻辑器件或磁逻辑器件。与普通的半导体逻辑器件相比，这种基于自旋相关输运特性的可重配置的逻辑器件具有高操作频率、无限重配次数、逻辑信息的非易失性、防辐射、与磁随机存取存储器(MRAM)兼容等优点，因此被认为是替代传统半导体逻辑器件的下一代逻辑器件的有力候选者。

图1示出一种现有技术的自旋逻辑器件100，其核心单元为磁性隧道结MTJ，其包括两个铁磁层FM1和FM2以及位于二者之间的绝缘势垒层I。磁性隧道结MTJ上方有三条输入线A、B和C，并且在磁性隧道结MTJ的上下两侧有两条输出线Out。磁性隧道结MTJ的两个铁磁层FM1和FM2具有不同的矫顽力。三条输入线A、B和C上的输入电流的大小相等。当仅一条输入线例如输入线A上通电流时，铁磁层FM1和FM2的磁化方向都不发生改变；当两条输入线例如输入线A和B上同时通过相同方向的电流时，仅具有较小矫顽力的铁磁层例如铁磁层FM2的磁化方向可发生翻转；当三条输入线A、B和C上均通过相同方向的电流时，两个铁磁层FM1和FM2的磁化方向均发生翻转。从而，MTJ可配置为4种不同的初始状态，其中两种平行态，两种反平行态。当处于平行态时，磁性隧道结MTJ的电阻较低；当处于反平行态时，磁性隧道结MTJ的电阻较高。这样，可以得到多种不同的逻辑状态。磁逻辑器件的操作一般包括两个步骤。第一步为设置步骤，即通过在输入线上施加电流来使磁性隧道结MTJ处于预定的初始状态；第二步为逻辑操作步骤，即在两条或三条输入线上施加输入电流，在两条输出线上施加输出电流以读取MTJ的电阻(或电压、电流)，来进行逻辑操作。

上述现有技术的自旋逻辑器件存在若干缺点。第一，其包含过多的布线，结构非常复杂，不便于制造。第二，由于其完全依赖电流产生的奥斯特磁场来翻转铁磁层的磁化方向，为了产生足够强的奥斯特磁场来实现翻转，需要施加很大的电流，因此导致逻辑器件的能耗很高。上述缺陷限制了现有技术的自旋逻辑器件的实际应用。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种自旋逻辑器件，其能够克服现有技术自旋逻辑器件中的上述以及其他缺陷中的一个或多个。

本发明的一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE层，其由具有自旋霍尔效应的导电材料制成，并且用于接收沿第一方向的第一输入电流和第二输入电流；位于所述SHE层上的磁性隧道结，所述磁性隧道结具有自由磁层、参考磁层以及位于二者之间的势垒层，其中所述自由磁层直接接触所述SHE层；以及在所述磁性隧道结上方沿第二方向延伸并且电连接到所述磁性隧道结的电流布线，所述第二方向与所述第一方向交叉，所述电流布线用于接收第三输入电流以在所述磁性隧道结处生成磁场。

在一些示例中，所述第二方向垂直于所述第一方向。

在一些示例中，所述自由磁层和所述参考磁层都具有垂直磁化。

在一些示例中，所述第一输入电流和所述第二输入电流是在所述SHE层的面内流动的面内电流，并且所述第一输入电流和所述第二输入电流与所述第三输入电流产生的磁场共同作用以设置所述磁性隧道结的磁化状态。所述SHE层和所述电流布线还用于施加流过所述磁性隧道结的读取电流以读取所述磁性隧道结的磁化状态，从而实现逻辑操作。

在一些示例中，所述SHE层由选自包括以下材料的组的材料形成：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er和Tm，以及它们的任意组合。

在一些示例中，所述自旋逻辑器件能通过设置所述第一输入电流、所述第二输入电流以及所述第三输入电流的大小和方向而配置为逻辑与门、逻辑或门、逻辑非门、逻辑与非门和逻辑或非门。