一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件及邏輯操作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件及邏輯操作方法，非易失性邏輯器件包括磁頭以及依次附著于襯底上的底電極、絕緣層，相變磁性薄膜和頂電極；其中相變磁性材料由一種相變材料基質(zhì)中摻雜鐵磁性元素構(gòu)成，材料的磁性能夠通過非晶態(tài)-晶態(tài)相變來可逆調(diào)控。本發(fā)明基于材料的相變控磁特性實現(xiàn)“實質(zhì)蘊涵”邏輯運算以及“與”、“或”、“與非”和“或非”四種布爾邏輯運算，其運算結(jié)果以材料的剩余磁化存儲在器件中，從而實現(xiàn)在單個邏輯器件中同時進行信息的存儲和處理的效果。本發(fā)明公開的邏輯器件能夠作為基本單元應(yīng)用于新型固態(tài)存儲器、邏輯運算器、可編程門陣列和片上系統(tǒng)等領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件及邏輯操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件及邏輯操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面對大數(shù)據(jù)時代的海量信息挑戰(zhàn)，存儲與處理融合新型信息器件被認為是突破傳統(tǒng)馮諾依曼計算機體系架構(gòu)瓶頸的關(guān)鍵。納米級兼具信息存儲和處理功能的電子器件是未來大規(guī)模并行運算的基石。信息存儲可以通過不同兩種物理狀態(tài)表征“O” “I”實現(xiàn)，如相變存儲器的非晶態(tài)和晶態(tài)，磁存儲器的電子自旋平行態(tài)和反平行態(tài)，阻變存儲器的導(dǎo)電通道形成和斷開兩種狀態(tài)等。數(shù)字式邏輯運算是已成熟應(yīng)用于計算機信息處理方式。
[0003]相變磁性材料集相變材料與稀磁半導(dǎo)體材料特性于一體，不僅具有相變材料快速可逆的結(jié)構(gòu)變化特點，而且將自旋有效引入到相變材料中。相變磁性材料的光、電、磁等特性會隨著材料在晶態(tài)與非晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變而發(fā)生變化，從而可實現(xiàn)通過光致相變或電致相變來調(diào)控材料的磁特性。這一新奇特性被展望可用于新型自旋電子器件中，應(yīng)用于未來信息存儲和邏輯運算領(lǐng)域中。然而，迄今而至，相變磁性材料的研究仍然停留在材料特性探索，而后續(xù)的器件制備以及功能設(shè)計仍然未見相關(guān)文獻報道，而這些方面對于未來相變磁性材料的實際應(yīng)用極為關(guān)鍵。因此，需要針對相變磁性材料的新奇特性，設(shè)計現(xiàn)有電子器件所不具備的新型器件功能和操作方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上不足和迫切需求，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于相變磁性材料的能同時實現(xiàn)邏輯運算和信息非易失性存儲的邏輯器件。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件，其中相變磁性材料由一種相變材料基質(zhì)中摻雜鐵磁性元素構(gòu)成，材料的磁性能夠通過非晶態(tài)-晶態(tài)相變來可逆調(diào)控。
[0006]本發(fā)明提供了一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件，包括磁頭以及依次附著于襯底上的底電極、絕緣層、相變磁性薄膜和頂電極；所述襯底包括硅襯底以及附著于所述硅襯底上的有源區(qū)；所述底電極包括N型硅層、P型硅層和加熱層；所述N型硅層和所述P型硅層形成PN 二極管結(jié)構(gòu)；加熱層的尺寸小于P型硅層的尺寸；所述相變磁性材料薄膜沉積在所述絕緣層上并與所述加熱層形成電接觸；所述頂電極和所述底電極均連接至外部的電脈沖信號；所述非易失性邏輯器件外部還存在一個磁場輸入；所述磁場為與所述相變磁性薄膜的二維平面平行的均勻可變磁場，所述磁場的強度為O?120000Θ ;所述磁頭用于檢測相變磁性材料的磁狀態(tài)，所述磁頭包括基底、依次附著于所述基底上的第一磁屏蔽層、磁阻傳感器以及第二磁屏蔽層；當磁頭檢測某個器件的磁狀態(tài)時，第一磁屏蔽層和第二磁屏蔽層用于屏蔽周圍其他器件單元磁狀態(tài)對磁頭傳感器的干擾，磁阻傳感器用于檢測器件中相變磁性材料的剩余磁化強度并將其轉(zhuǎn)換為讀電流輸出。
[0007]其中，所述相變磁性材料薄膜由一種相變材料基質(zhì)摻雜鐵磁性元素構(gòu)成，組分表達式為AxBh,其中A為鐵磁性元素，B為相變材料，O < X < 30%。
[0008]其中，所述相變材料B為二元、三元或四元硫系化合物系列，包括Ge-Te、Sb-Te,B1-Te、Ge-Sb, Sn-Te, Sb-Se, In_Se、Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, As-Sb-Te, Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn、Sb-Se-B1、Ga-Te-Se、Ge-Te-T1、Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag 或 Ag-1n-Sb-Te 及其混合合金。
[0009]其中，所述相變磁性材料薄膜為Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4^ Ge1Sb4Te7^ GeTe、GeSb>Sb2Te3、Sb70Te30> Ag5In5Sb60Te30^ Bi2Te3或Sb2Se3。所述的鐵磁性元素A包括但不局限于Co、Fe、Ni 及其合金，如 FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa 等。A 也包括 Mn、Cr 以及稀土元素Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm等。
[0010]其中,所述相變磁性材料薄膜為Fe0.02Ge0.98Te、Fe0.08Ge0.92Te、Feai4Gea86Te 或
Fe0.25^^0.75^6。
[0011]本發(fā)明提供的邏輯器件，具有多種非易失性的物理狀態(tài)，非晶態(tài)和晶態(tài)的相變磁性材料在物相結(jié)構(gòu)、電學(xué)特性、光學(xué)特性和磁性特性等方面均存在差異，可以用于信息的存儲。針對材料的這一特點，本發(fā)明以外加電脈沖以及磁場作為邏輯輸入進行邏輯運算，以器件的剩余磁化強度這一磁特性物理量表征邏輯運算的結(jié)果。這一結(jié)果能夠非易失性地存儲在器件磁狀態(tài)中，通過磁頭檢測器磁狀態(tài)將信息讀出，并通過施加一個矯頑磁場或非晶化電脈沖實現(xiàn)信息的擦 除。此外，在不同的邏輯“O”和“I”的定義下，器件可以實現(xiàn)“實質(zhì)蘊涵”邏輯、“或”、“或非”、“與”和“與非”布爾邏輯等多種邏輯運算，進而極大地促進非易失性邏輯器件的設(shè)計。
[0012]本發(fā)明提供了一種非易失性邏輯操作方法，包括以下步驟:通過給非易失性邏輯器件中的頂電極和有源區(qū)施加電脈沖信號，且給所述非易失性邏輯器件施加磁場；以電脈沖信號為一個邏輯輸入Input A,以磁場為另一個邏輯輸入Input B,以所述非易失性邏輯器件中的相變磁性材料的剩余磁感應(yīng)強度Br為邏輯輸出Output，實現(xiàn)邏輯運算。
[0013]其中，對于邏輯輸入Input A，將電脈沖信號SET定義為邏輯1，電脈沖信號RESET定義為邏輯O ;對于邏輯輸入Input B,將磁場范圍為O~5000e的弱磁場定義為邏輯I,磁場范圍為25000e~1000OOe的強磁場定義為邏輯O ;對于邏輯輸出Output，將范圍為
2.5emu / cc~20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度1^定義為邏輯輸出O,將范圍為O~lemu /cc的較微弱的磁感應(yīng)強度4定義為邏輯輸出I，從而實現(xiàn)實質(zhì)蘊涵邏輯運算。
[0014]其中，對于邏輯輸入Input A，將電脈沖信號SET沖定義為邏輯0，電脈沖信號RESET定義為邏輯I ;對于邏輯輸入Input B，將磁場范圍為O~5000e的弱磁場定義為邏輯1，磁場范圍為25000e~1000OOe的強磁場定義為邏輯O ;對于邏輯輸出Output，將范圍為2.5emu / cc~20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出0，將范圍為O~lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度4定義為邏輯輸出1，從而實現(xiàn)“或”布爾邏輯運算。
[0015]其中，對于邏輯輸入Input A，將電脈沖信號SET定義為邏輯0，電脈沖信號RESET定義為邏輯I ;對于邏輯輸入Input B,將磁場范圍為O~5000e的弱磁場為邏輯1，磁場范圍為25000e~1000OOe的強磁場為邏輯O ;對于邏輯輸出Output，將范圍為2.5emu / cc~20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度4定義為邏輯輸出1，將范圍為O~lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度Br定義為邏輯輸出0，從而實現(xiàn)“或非”布爾邏輯運算。[0016]其中，對于邏輯輸入Input A，將電脈沖信號SET定義為邏輯1，電脈沖信號RESET定義為邏輯O ;對于邏輯輸入Input B,將磁場范圍為O?5000e的弱磁場為邏輯O,磁場范圍為25000e?IOOOOOe的強磁場為邏輯I ;對于邏輯輸出Output，將范圍為2.5emu / cc?20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度4定義為邏輯輸出1，將范圍為O?lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度Br定義為邏輯輸出0，從而實現(xiàn)“與”布爾邏輯運算。
[0017]其中，對于邏輯輸入Input A，將電脈沖信號SET定義為邏輯1，電脈沖信號RESET定義為邏輯O ;對于邏輯輸入Input B,將磁場范圍為O?5000e的弱磁場為邏輯O,磁場范圍為25000e?IOOOOOe的強磁場為邏輯I ;對于邏輯輸出Output，將范圍為2.5emu / cc?20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出0，將范圍為O?lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度Br定義為邏輯輸出1，從而實現(xiàn)“與非”布爾邏輯運算。
[0018]本發(fā)明還提供了一種邏輯運算結(jié)果的讀取和擦除方法，包括下述步驟:
[0019]將邏輯運算結(jié)果存儲在相變磁性材料的非易失性剩磁狀態(tài)中；
[0020]通過磁頭檢測器件中相變磁性材料的剩余磁化強度并轉(zhuǎn)換成一個讀電流輸出，實現(xiàn)信息的讀??；
[0021]通過施加一個反向矯頑磁場-He或者施加一個RESET脈沖將相變磁性材料非晶化，實現(xiàn)存儲信息的擦除。
[0022]本發(fā)明基于材料的相變控磁特性實現(xiàn)“實質(zhì)蘊涵”邏輯運算以及“或”、“或非”、“與”和“與非”四種布爾邏輯運算，其運算結(jié)果以材料的剩余磁化存儲在器件中，從而實現(xiàn)在單個邏輯器件中同時進行信息的存儲和處理的效果。本發(fā)明公開的邏輯器件有望用于構(gòu)建下一代信息存儲和處理融合的新型計算機體系架構(gòu)，突破傳統(tǒng)計算機架構(gòu)中由于信息存儲和處理分離造成的“馮諾依曼瓶頸”問題。本發(fā)明公開的邏輯器件能夠作為基本單元應(yīng)用于新型固態(tài)存儲器、邏輯運算器、可編程門陣列和片上系統(tǒng)等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實施例提供的基于相變磁性材料的邏輯器件的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明實施例制得的一系列晶態(tài)相變磁性材料FexGe1-Je的X射線衍射圖
-1'TfeP曰。
[0025]圖3是本發(fā)明實施例制得的一系列晶態(tài)相變磁性材料FexGe1-Je薄膜在2K低溫-1OKOe?IOKOe面內(nèi)磁場作用下的磁化曲線。
[0026]圖4(a)是本發(fā)明實施例提供的基于相變磁性材料的邏輯器件的典型電流-電壓(1-V)特性相變曲線。
[0027]圖4(b)是本發(fā)明實施例提供的基于相變磁性材料的邏輯器件的典型脈沖模式相變特性。
[0028]圖5是本發(fā)明實施例提供的基于Featl2Gea98Te相變磁性材料的邏輯器件的相變控磁特性。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0030]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件及其邏輯操作方法，可實現(xiàn)“實質(zhì)蘊涵”邏輯、“與”邏輯、“或”邏輯、“與非”邏輯和“或非”邏輯；旨在實現(xiàn)信息的存儲和處理融合的功能。
[0031]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠基于相變磁性材料所具有的磁性隨晶態(tài)-非晶態(tài)相變而同步發(fā)生非易失性變化的特性，在單個器件中進行“實質(zhì)蘊涵”邏輯以及“或”、“或非”、“與”和“與非”等布爾邏輯運算，運算結(jié)果以材料的剩余磁化存儲在器件之中，實現(xiàn)在一個邏輯器件中同時進行信息的存儲和處理的有益效果，有望用于構(gòu)建下一代信息存儲和處理融合的新型計算機體系架構(gòu)，突破傳統(tǒng)計算機架構(gòu)中信息存儲和處理分離的“馮諾依曼瓶頸”。
[0032]現(xiàn)在將參考示出本發(fā)明的示范性實施例的附圖，更全面地描述本發(fā)明。然而，可以用許多不同的形式實施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該理解為限制于這里列出的實施例；更確切地說，提供這些實施例以便本發(fā)明公開更徹底和全面，并且向本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分地傳達本發(fā)明的觀念。
[0033]在本發(fā)明中，作為邏輯器件核心的相變磁性材料能在電流產(chǎn)生的焦耳熱作用下產(chǎn)生可逆相變。一個中等強度的脈寬較寬的SET脈沖使相變磁性材料升溫超過其晶化溫度T。，從高電阻的非晶態(tài)轉(zhuǎn)變成低電阻的晶態(tài)；一個較大強度的脈寬較窄的RESET脈沖使相變磁性材料升溫超過其熔化溫度Tm，從低電阻的晶態(tài)轉(zhuǎn)變成高電阻的非晶態(tài)。
[0034]相變磁性材料在非晶態(tài)和晶態(tài)之間可逆相變的同時，伴隨著材料磁性的變化。非晶態(tài)相變磁性材料由于載流子濃度低不足以形成長程的鐵磁交換作用，以一種局域的短程鐵磁交換作用宏觀產(chǎn)生磁矩，而晶態(tài)相變磁性材料的鐵磁性來源于材料內(nèi)大量自由載流子調(diào)控的長程鐵磁交換作用。也就是說在材料相變過程中，結(jié)構(gòu)的長短程序變化和鐵磁交換作用的長短程序變化是一致的。因此，可以利用相變磁性材料的結(jié)構(gòu)相變來調(diào)控其磁特性。材料非易失性的電阻狀態(tài)和磁狀態(tài)都能夠用來表征“O”和“ I ”，用于信息的存儲和處理。
[0035]圖1是本發(fā)明實施例提供的基于相變磁性材料的邏輯器件的器件結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖1，邏輯器件包括:襯底101，底電極102，絕緣層103，相變磁性薄膜104，頂電極105和磁頭106。具體的，襯底101由硅襯底IOlA及其上方的有源區(qū)IOlB構(gòu)成，有源區(qū)可以通過對硅襯底摻雜形成，例如摻入磷(P)或砷(As)元素可形成N性有源區(qū)，摻入硼(B)元素可形成P型有源區(qū)，目的是降低有源區(qū)IOlB和底電極102之間的電勢壘，增強兩層之間的導(dǎo)電性以作為大規(guī)模陣列集成時的字線或位線。底電極102沉積在襯底101上方，由一層N型硅102A、一層P型硅102B和一個加熱層102C構(gòu)成，N型硅102A和P型硅102B形成一個PN 二極管結(jié)構(gòu)，可以作為大規(guī)模陣列集成時，與字線或位線連接選通管，以在外加電壓下選通特定的器件進行操作。N型硅102A和P型硅102B的尺寸一致，加熱層102C的尺寸小于P型硅102B的尺寸。絕緣層103覆蓋了底電極102，以與其他器件絕緣隔離，絕緣層103可以是Si02、Si3N4, SiON等。相變磁性材料薄膜104沉積在絕緣層103之上，與加熱層102C形成電接觸。為使加熱層102C產(chǎn)生的電致焦耳熱更集中，在低能耗下達到良好的電致相變效果，可以減小加熱層102C的尺寸，其能達到的最小尺寸由光刻工藝的特征尺寸決定。頂電極105沉積在相變磁性薄膜104之上。加熱層102C和頂電極105可以是導(dǎo)電性良好的金屬或金屬化合物，如T1、Cu、Al、Ta、TiN、Tiff, TaN、TiAlN等。器件頂電極和底電極連接至一個外加電源提供電脈沖輸入。器件外部還存在一個磁場輸入，其中磁場是一個與相變磁性薄膜的二維平面平行的均勻可變磁場，可以被局限在特定器件單元的尺寸范圍內(nèi)，其強度范圍可為O~120000e。磁頭106用來檢測相變磁性材料的磁狀態(tài)，由一層基底106A、兩層磁屏蔽層106BU06D和磁阻傳感器106C構(gòu)成。磁屏蔽層106BU06D和磁阻傳感器106C都制作在基底106A上，當磁頭檢測某個器件的磁狀態(tài)時，磁屏蔽層106B和106D用來屏蔽周圍其他器件單元磁狀態(tài)對磁頭傳感器的干擾，磁阻傳感器106C能夠檢測器件中相變磁性材料的剩余磁化強度并轉(zhuǎn)換成一個讀電流輸出。
[0036]所述的相變磁性材料薄膜層104由一種相變材料基質(zhì)摻雜鐵磁性元素構(gòu)成，組分表達式為AxBh,其中A為鐵磁性元素，B為相變材料，O < X ≤ 30%。所述的相變材料B可以為二元、三元或四元硫系化合物系列，包括但不局限于:Ge_Te、Sb-Te, B1-Te, Ge-Sb,Sn-Te, Sb-Se, In-Se, Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, As-Sb-Te, Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn, Sb-Se-Bi,Ga-Te-Se, Ge-Te-Ti, Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag、Ag-1n-Sb-Te 等及其混合合金，常見的化學(xué)計量比材料包括但不局限于:Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4'Ge1Sb4Te7'GeTe、GeSb、Sb2Te3、Sb7QTe3(l、Ag5In5Sb60Te30' Bi2Te3' Sb2Se3 等。
[0037]所述的鐵磁性元素A包括但不局限于Co、Fe、Ni及其合金，如FePt、CoPt, CoFeB,TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa 等。A 也包括 Mn、Cr 以及稀土元素 Gd、Tb、Dy、Ho、Er 和 Tm 等。
[0038]優(yōu)選的，所述的相變磁性材料為Featl2Gea98Te' Fe0 08Ge0.92Te> Fe。.14GeQ.86Te、Fe0.25Ge0.75Teo非晶態(tài)和晶態(tài)的相變磁性材料都展示出良好的磁滯特性，且材料的飽和磁化強度、剩余磁化強度和矯頑場由于結(jié)晶度不同而存在較大差異。
[0039]圖2是本發(fā)明實施例制得的一系列晶態(tài)相變磁性材料FexGe1-Je的X射線衍射圖譜。材料是在300°C襯底溫度下采用脈沖激光沉積制備得到。從圖2中可以看出,FexGe1-Je薄膜在鐵濃度X < 0.38時，均是一種高度擇優(yōu)(001)取向的斜方六面體結(jié)構(gòu)，圖2中只出現(xiàn)基體材料GeTe衍射峰，說明在此濃度條件下，薄膜材料均是一種單相。隨著鐵摻入量X增加，當x=0.25時，(202) (042)等斜方六面體GeTe晶面出現(xiàn)，當鐵摻入量達到x=0.38時，F(xiàn)eTe 二相出現(xiàn)，并且基體GeTe的衍射峰變得非常弱，第二相的存在壓抑了 GeTe晶粒的生長。由于材料的c軸擇優(yōu)取向，能確定隨著鐵摻入量的增加，F(xiàn)exGe1^xTe薄膜的晶胞沿c軸出現(xiàn)少量的膨脹，這說明摻入的鐵進行了基體材料GeTe晶格里面。
[0040]圖3是本發(fā)明實施例制得的一系列晶態(tài)相變磁性材料FexGe1-Je薄膜在2K低溫-1OKOe~IOKOe面內(nèi)磁場作用下的磁化曲線(M-H)。從圖3中可以看出，F(xiàn)e的濃度含量從x=0.02, x=0.08增加到χ=0.14時,磁滯回線中出現(xiàn)的矯頑場均高于12000e,說明FexGe1-Je薄膜中存在著鐵磁交換作用。當Fe濃度為x=0.02時，薄膜整體的磁化強度和剩余磁化強度都達到最大。不同濃度Fe含量時，薄膜磁化強度和剩余磁化強度存在差異，但是其磁特性隨材料相變特性的變化規(guī)律一致。
[0041]圖4 (a)是本發(fā)明實施例制得的基于Featl2Gea98Te相變磁性材料的邏輯器件的典型電流-電壓(I;)特性相變曲線。器件中各層薄膜在室溫下沉積得到。參考圖4(a)，器件初始態(tài)為高阻非晶態(tài)，當施加電壓超過其閾值，其狀態(tài)轉(zhuǎn)變成低阻晶態(tài)。高阻非晶態(tài)和低阻晶態(tài)都是非易失性的電阻態(tài)。
[0042]圖4 (b)是本發(fā)明實施例制得的基于Featl2Gea98Te相變磁性材料的邏輯器件的典型脈沖模式相變特性。參考圖4(b)，當對器件施加脈沖幅值為0.8V，脈沖寬度為200ns的SET脈沖，器件從高阻態(tài)切換到低阻態(tài)；當對器件施加脈沖幅值為2V，脈沖寬度為30ns的RESET脈沖，器件從低阻態(tài)切換到高阻態(tài)。
[0043]圖5是本發(fā)明實施例提供的基于Featl2Gea98Te相變磁性材料的邏輯器件的相變控磁特性。圖中C代表是300°C襯底溫度下沉積的晶態(tài)相變磁性材料樣品，A代表室溫下沉積的非晶態(tài)樣品，Ca代表非晶態(tài)樣品晶化后的樣品。左上插圖是三種薄膜狀態(tài)下樣品所對應(yīng)的電導(dǎo)，右下插圖是三種不同薄膜狀態(tài)的X射線衍射圖譜。從圖5中可以看出，C-A-Ca三種狀態(tài)的薄膜都具有磁滯回線，說明這三種結(jié)構(gòu)相中都存在著Fe離子之間的鐵磁交換作用。非晶態(tài)A的飽和磁化強度只為2.5emu / cc，晶態(tài)Ca態(tài)樣品的飽和磁化強度為13.9emu /cc。制備的晶態(tài)C態(tài)的飽和磁化強度與晶態(tài)Ca非常接近，約為14.9emu / cc。觀察到的飽和磁化強度隨著C-A-C的變化說明相變磁性材料Featl2Gea98Te薄膜的磁性隨著結(jié)構(gòu)相的改變而發(fā)生變化。圖中兩種晶態(tài)(:和Ca樣品之間飽和磁化強度和矯頑場的變化主要是由晶態(tài)樣品結(jié)晶度的差異引起的，這與圖中XRD結(jié)果一致。因此，在基于Featl2Gea98Te相變磁性材料的邏輯器件中，材料的磁性將隨著電脈沖導(dǎo)致的相變而發(fā)生可逆變化，就如同電導(dǎo)一樣，電致相變可以有效調(diào)控材料磁性。
[0044]表1為本發(fā)明實施例提供的基于相變磁性材料的邏輯器件實現(xiàn)實質(zhì)蘊涵邏輯(IMP)的原理真值表。利用非晶態(tài)下和晶態(tài)下磁特性的差異:非晶態(tài)磁滯回線較小，晶態(tài)則具有明顯的磁滯特性，存在較大的剩余磁感應(yīng)強度Br。外加電脈沖為輸入Input A，SET脈沖為邏輯1，RESET為邏輯O ;外加磁場為輸入Input B，磁場范圍為O~5000e (如圖5中的1000e，Oe為磁場單位奧斯特)的弱磁場為邏輯I，磁場范圍為2500~1000OOe (如圖5中的50000e)的強磁場為邏輯O。邏輯輸出Output為相變磁性材料的剩余磁感應(yīng)強度Br，可以用磁頭106檢測剩磁狀態(tài)并讀出。范圍為2.5~20emu / cc的較強的Br為邏輯輸出0，范圍為O~lemu / cc的較微弱的為邏輯輸出I。
[0045]存儲的信息擦除，可施加一個反向矯頑磁場-He (如圖5中的15000e)或者施加一個RESET脈沖將相變磁性材料非晶化。根據(jù)以上原理可知:當施加SET脈沖將相變磁性材料操作至晶態(tài)，且具有較大外磁場使材料達到飽和磁化強度后，器件才會具有剩磁狀態(tài)B-也就是說，只有InputA為I, Input B為O時,Output才為O,符合實質(zhì)蘊涵邏輯真值表。當改變邏輯輸入和輸出“O”和“I”的編碼定義時，器件還能實現(xiàn)更多的布爾邏輯操作。
[0046]表1
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種基于相變磁性材料的非易失性邏輯器件，其特征在于，包括磁頭(106)以及依次附著于襯底(101)上的底電極(102)、絕緣層(103)，相變磁性薄膜(104)和頂電極(105)； 所述襯底(101)包括硅襯底(101A)以及附著于所述硅襯底(101A)上的有源區(qū)(101B)； 所述底電極(102)包括N型硅層(102A)、P型硅層(102B)和加熱層(102C);所述N型硅層(102A)和所述P型硅層(102B)形成PN 二極管結(jié)構(gòu)；加熱層(102C)的尺寸小于P型娃層(102B)的尺寸； 所述相變磁性材料薄膜(104)沉積在所述絕緣層(103)上并與所述加熱層(102C)形成電接觸； 所述頂電極(105)和所述底電極(102)均連接至外部的電脈沖信號；所述非易失性邏輯器件外部還存在一個磁場輸入；所述磁場為與所述相變磁性薄膜(104)的二維平面平行的均勻可變磁場，所述磁場的強度為O~120000e ； 所述磁頭(106)用于檢測相變磁性材料的磁狀態(tài)，所述磁頭(106)包括基底(106A)、依次附著于所述基底上的第一磁屏蔽層(106B)、磁阻傳感器(106C)以及第二磁屏蔽層(106D)； 當磁頭(106)檢測某個器件的磁狀態(tài)時，第一磁屏蔽層(106B)和第二磁屏蔽層(106D)用于屏蔽周圍其他器件單元磁狀態(tài)對磁頭傳感器的干擾，磁阻傳感器(106C)用于檢測器件中相變磁性材料的剩余磁化強度并將其轉(zhuǎn)換為讀電流輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失性邏輯器件，其特征在于，所述相變磁性材料薄膜(104)由一種相變材料基質(zhì)摻雜鐵磁性元素構(gòu)成，組分表達式為AxBh,其中A為鐵磁性元素，B為相變材料，O < X < 30%。
3.如權(quán)利要求2所述的非易失性邏輯器件，其特征在于，所述相變材料B為二元、三元或四元硫系化合物系列，包括 Ge-Te、Sb-Te、B1-Te、Ge-Sb、Sn-Te、Sb-Se、In-Se、Ge-Sb-Te、In-Sb-Te, As-Sb-Te, Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn, Sb-Se-B1、Ga-Te-Se, Ge-Te-T1、Ge-Te-Sn-O,Ge-Te-Sn-Ag 或 Ag-1n-Sb-Te 及其混合合金。
4.如權(quán)利要求2所述的非易失性邏輯器件，其特征在于，所述鐵磁性元素A為Co、Fe、Ni 及其合金或 Mn、Cr 以及稀土元素 Gd、Tb、Dy、Ho、Er 和 Tm ;包括 FePt、CoPt、CoFeB、TbFeCo、CoCrPtB、CoCrPtTa。
5.如權(quán)利要求2或3所述的非易失性邏輯器件，其特征在于，所述相變磁性材料薄膜(104)為 Fe0.02Ge0.98Te、Fe0.08Ge0.92Te、Fe0.14Ge0.86Te 或 Fe0.25Ge0.75Te。
6.一種非易失性邏輯操作方法，其特征在于，包括以下步驟: 通過給非易失性邏輯器件中的頂電極(105)和有源區(qū)(101B)施加電脈沖信號，且給所述非易失性邏輯器件施加磁場；以電脈沖信號為一個邏輯輸入Input A,以磁場為另一個邏輯輸入Input B,以所述非易失性邏輯器件中的相變磁性材料的剩余磁感應(yīng)強度為邏輯輸出Output,實現(xiàn)邏輯運算。
7.如權(quán)利要求6所述的非易失性邏輯操作方法，其特征在于，對于邏輯輸入InputA,將電脈沖信號SET定義為邏輯1，電脈沖信號RESET定義為邏輯O ;對于邏輯輸入Input B，將磁場范圍為O~5000e的弱磁場定義為邏輯I，磁場范圍為25000e~1000OOe的強磁場定義為邏輯O ;對于邏輯輸出Output,將范圍為2.5emu / cc~20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出0，將范圍為O~lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出I，從而實現(xiàn)實質(zhì)蘊涵邏輯運算。
8.如權(quán)利要求6所述的非易失性邏輯操作方法，其特征在于，對于邏輯輸入InputA,將電脈沖信號SET沖定義為邏輯0，電脈沖信號RESET定義為邏輯I ;對于邏輯輸入InputB，將磁場范圍為O~5000e的弱磁場定義為邏輯1，磁場范圍為25000e~1000OOe的強磁場定義為邏輯O ;對于邏輯輸出Output,將范圍為2.5emu / cc~20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出0，將范圍為O~lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出1，從而實現(xiàn)“或”布爾邏輯運算。
9.如權(quán)利要求6所述的非易失性邏輯操作方法，其特征在于，對于邏輯輸入InputA,將電脈沖信號SET定義為邏輯0，電脈沖信號RESET定義為邏輯I ;對于邏輯輸入Input B，將磁場范圍為O~5000e的弱磁場為邏輯1，磁場范圍為25000e~1000OOe的強磁場為邏輯O ;對于邏輯輸出Output,將范圍為2.5emu / cc~20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度B1^定義為邏輯輸出1，將范圍為O~lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出0，從而實現(xiàn)“或非”布爾邏輯運算。
10.如權(quán)利要求6所述的非易失性邏輯操作方法，其特征在于，對于邏輯輸入InputA,將電脈沖信號SET定義為邏輯1，電脈沖信號RESET定義為邏輯O ;對于邏輯輸入Input B，將磁場范圍為O~5000e的弱磁場為邏輯O,磁場范圍為25000e~1000OOe的強磁場為邏輯I ;對于邏輯輸出Output,將范圍為2.5emu / cc~20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度B1^定義為邏輯輸出1，將范圍為O~lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出0，從而實現(xiàn)“與”布爾邏輯運算。
11.如權(quán)利要求6所述的非易失性邏輯操作方法，其特征在于，對于邏輯輸入InputA,將電脈沖信號SET定義為邏輯1，電脈沖信號RESET定義為邏輯O ;對于邏輯輸入Input B，將磁場范圍為O~5000e的弱磁場為邏輯O,磁場范圍為25000e~1000OOe的強磁場為邏輯I ;對于邏輯輸出Output,將范圍為2.5emu / cc~20emu / cc的較強的磁感應(yīng)強度B1^定義為邏輯輸出0，將范圍為O~lemu / cc的較微弱的磁感應(yīng)強度定義為邏輯輸出1，從而實現(xiàn)“與非”布爾邏輯運算。
12.一種邏輯運算結(jié)果的讀取和擦除方法，其特征在于，包括下述步驟: 將邏輯運算結(jié)果存儲在相變磁性材料的非易失性剩磁狀態(tài)中； 通過磁頭檢測器件中相變磁性材料的剩余磁化強度并轉(zhuǎn)換成一個讀電流輸出，實現(xiàn)信息的讀?。? 通過施加一個反向矯頑磁場-He或者施加一個RESET脈沖將相變磁性材料非晶化，實現(xiàn)存儲信息的擦除。
【文檔編號】H01L43/10GK103794224SQ201410039670
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】繆向水, 李祎, 鐘應(yīng)鵬 申請人:華中科技大學(xué)