[发明专利]一种自旋多数门器件及逻辑电路

权利要求书

1.一种基于扩展磁性隧道结组成的扩展自旋多数门器件，其特征在于，包括4个扩展磁性隧道结，依次记为第一输入MTJ(1)、第二输入MTJ(2)、控制MTJ(3)以及输出MTJ(4)；

所述扩展磁性隧道结包括：依次重叠排列的重金属层、固定层、隧穿层以及自由层，所述固定层、所述隧穿层以及所述自由层构成的利用自旋轨道力矩的垂直磁各向异性磁性隧道结；所述自由层的磁化方向由于STT效应发生翻转；向所述重金属层通入平行于膜面的电流，通过自旋霍尔效应使得积累的自旋极化电流作用固定层中，改变固定层的磁化方向，从而改变所述扩展磁性隧道结器件阻态，实现非逻辑功能；

通过向扩展磁性隧道结中注入垂直于膜面的电流并改变电流大小使所述扩展磁性隧道结的自由层磁化方向发生翻转，实现扩展磁性隧道结在高阻态和低阻态之间切换；

所述第一输入MTJ(1)的自由层磁化方向、所述第二输入MTJ(2)的自由层磁化方向、所述控制MTJ(3)的自由层磁化方向均由注入垂直于膜面的电流的方向和大小确定，所述输出MTJ(4)的自由层磁化方向由所述第一输入MTJ(1)的自由层磁化方向、所述第二输入MTJ(2)的自由层磁化方向、所述控制MTJ(3)的自由磁化方向共同确定；所述输出MTJ(4)呈现阻态根据其自由层(401)磁化方向和固定层(403)的磁化方向确定；

当所述控制MTJ(3)呈现高阻态时，所述输出MTJ(4)与所述第一输入MTJ(1)、所述第二输入MTJ(2)共同实现“或”逻辑功能，当所述控制MTJ(3)呈现低阻态时，所述输出MTJ(4)与所述第一输入MTJ(1)、所述第二输入MTJ(2)共同实现“与”逻辑功能；

通过向所述输出MTJ的重金属层(404)通入平行于膜面的电流改变所述输出MTJ的固定层(403)磁化方向，改变所述输出MTJ(4)的阻态，实现“与非”逻辑功能和“或非”逻辑功能。

2.如权利要求1所述的扩展自旋多数门器件，其特征在于，四个扩展磁性隧道结按照“T”字形排列的，第一输入MTJ(1)、第二输入MTJ(2)、控制MTJ(3)分别位于“T”字形结构三个端点处，输出MTJ(4)位于“T”字形结构交叉点处。

3.一种基于权利要求1所述的扩展自旋多数门器件的逻辑电路，其特征在于，包括：

N个自旋多数门器件，其中，M个自旋多数门器件的第一输入MTJ悬空，M个自旋多数门器件的第二输入MTJ与其他自旋多数门器件的输出MTJ连接，L个自旋多数门器件的第一输入MTJ和第二输入MTJ均悬空，N-M-L个自旋多数门器件的第一输入MTJ与其他自旋多数门器件输出MTJ连接，N-M-L个自旋多数门器件的第二输入MTJ与其他自旋多数门器件输出MTJ连接；

前一个自旋多数门器件中输出MTJ的自由层通过连接桥与后一个自旋多数门器件一个输入MTJ的自由层连接，并在前一个自旋多数门器件的输出MTJ中注入垂直于膜面的传递电流实现将前一个自旋多数门器件的输出MTJ的阻态缓冲或取反至后一个自旋多数门器件中的一个输入MTJ，且传递电流满足公式J·P₁≤J_c≤J·P₂；

其中，P₁为前一个自旋多数门器件固定层极化率，P₂为前一个自旋多数门器件自由层极化率，J为传递电流密度，J_c为使自由层发生磁化翻转所需要的临界翻转自旋流，N≥M+L，N＞0，M≥0，L≥0；所述自旋多数门器件为权利要求1所述的扩展自旋多数门器件。