[发明专利]一种自旋多数门器件及逻辑电路

说明书

本发明公开了一种自旋多数门器件及逻辑电路，自旋多数门器件包括三个输入MTJ和一个输出MTJ，三个输入MTJ的自由层和输出MTJ自由层相互连接，三个输入MTJ自由层磁化方向由注入电流的方向和大小决定，输出MTJ自由层磁化方向受其他三个MTJ自由层磁化方向的共同影响，输出MTJ自由层磁化方向和固定层磁化共同决定其阻态。通过向重金属层注入平行于膜面的电流改变固定层磁化方向，从而改变输出MTJ的阻态。通过将前一个自旋多数门器件自由层与后一个自旋多数门器件自由层通过连接桥连接，并向前一个自旋多数门器件的输出MTJ注入传递电流，实现两个自旋多数门器件的信息互联。

技术领域

本发明属于自旋电子学以及器件的技术领域，更具体地，涉及一种基于STT效应的自旋多数门器件及逻辑电路。

背景技术

2007年，磁记录产业巨头IBM公司和TDK公司合作开发新一代MRAM，使用了一种称为自旋转移矩(spin-transfer-torque,STT)的新型技术，利用放大了的隧道效应 (tunneleffect)，使得磁电阻的变化达到了1倍左右。利用STT效应翻转自由层磁化状态的磁性器件，它可以被集成在很多主流的应用中，特别是移动设备和存储器件。在此自旋自旋多数门器件中，运算和存储的功能可以集成到同一个器件上，而磁性系统中数据所具有的非易失性，正是实现“存储处理一体化”架构的关键所在。这种架构可以克服现代计算机所使用的运算存储分离的模式在进一步提高处理效率的进程上遇到的瓶颈。而运用自旋自旋多数门器件的计算机将具有空前的运算速度和集成度。

基于STT效应的自旋自旋多数门器件可以在自身结构简单，外接电路容易实现的基础上，只占用很小的芯片面积即实现强大的储存以及逻辑运算功能。自旋电子器件又由于其非易失性和逻辑易实现性，成为了替代COMS器件的强有力候选人。自旋与 COMS的混合电路有望突破传统COMS电路的集成度。该自旋自旋多数门器件不仅具有存储功能，还具有强大的计算功能。在现今的SOC，CPU和GPU中，内存占据了整个芯片面积的50％到80％。大多数的SRAM中的嵌入式内存往往要使用四个或六个晶体管。基于自旋器件构成的电路中，依靠非常少的器件个数即可实现复杂的的逻辑功能。然而现有的基于STT效应的自旋多数门器件存在仅能实现与门和或门，无法实现逻辑非的功能，从而无法实现全部的逻辑功能的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种扩展磁性隧道结、自旋多数门器件及逻辑电路，其目的在于由此解决现有的基于STT效应的自旋多数门器件仅能实现与门和或门而导致无法实现全部的逻辑功能的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种扩展磁性隧道结，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；

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。

作为本发明的一方面，本发明提供了一种基于自旋转移矩的自旋多数门器件，包括四个常规磁性隧道结，四个常规磁性隧道结依次记为第一输入常规MTJ、第二输入常规MTJ、控制常规MTJ以及输出常规MTJ，常规磁性隧道结包括依次重叠排列的隧穿层、固定层以及自由层，通过向常规磁性隧道结中注入垂直于膜面的电流并改变电流大小使常规磁性隧道结的自由层磁化方向发生翻转，实现常规磁性隧道结在高阻态和低阻态之间切换；