專利名稱：磁邏輯元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過實(shí)現(xiàn)磁量子點(diǎn)特性而得到的邏輯電路。
在過去四十年中，諸如微處理器的硅電子器件的集成密度一直遵循穩(wěn)定的指數(shù)增長(zhǎng)。盡管硅集成度仍然具有很大的未來增長(zhǎng)潛力，最終將會(huì)到來集成密度不可能進(jìn)一步增長(zhǎng)的時(shí)刻。因而需要提供另一種可供選擇的數(shù)字邏輯。想象中，人們可能會(huì)轉(zhuǎn)向分子電子學(xué)，其中使用單個(gè)分子或原子作為邏輯門并相互連接。不過，在該領(lǐng)域中有大量的技術(shù)和學(xué)術(shù)困難需要克服，以致它不可能直接取代硅電子學(xué)。近來，人們已經(jīng)將更多的注意力放在電子量子點(diǎn)和單電子晶體管上，作為在傳統(tǒng)的硅器件以外用于繼續(xù)增加集成密度的選擇。一種稱為量子細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(aquantum cellular automaton-QCA)的量子點(diǎn)的尤為吸引人的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)表現(xiàn)出執(zhí)行邏輯運(yùn)算的能力。遺憾的是，目前這些器件僅工作在非常低的溫度下。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種由磁材料的至少一個(gè)點(diǎn)鏈形成的邏輯裝置，每個(gè)點(diǎn)具有200nm或更小的寬度，并被分隔開一足夠小的距離，以確保相鄰點(diǎn)的磁相互作用。該點(diǎn)可以為100nm或更小，或者為80nm或更小。
該點(diǎn)可以具有圓形、橢圓形或它們的組合。
該點(diǎn)可以由軟磁材料如鐵鎳合金(Ni 80 Fe 20)或CoFe形成。
該點(diǎn)可以形成在由諸如Si材料制成的基板上。
該邏輯裝置還可以包括用于向點(diǎn)鏈提供一或多個(gè)受控磁場(chǎng)的裝置。該用于提供磁源的裝置可以包括用于控制該磁源的裝置，使得該磁場(chǎng)可以作為控制時(shí)鐘運(yùn)作。在該裝置中可以設(shè)置多個(gè)鏈，以提供“或”門，“與”門，“非”門或它們的組合，或者其它許多邏輯門中的任一個(gè)。通過進(jìn)一步包括一或多個(gè)產(chǎn)生磁—電效應(yīng)的元件，該裝置可以提供一或多個(gè)電輸出。
本發(fā)明提供采用磁量子點(diǎn)的QCA。該設(shè)計(jì)在高達(dá)鐵磁金屬的居里溫度(～1000K)時(shí)能夠良好的工作，并且可以用大到200nm或者小如10nm的點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。因而，本發(fā)明提供的磁量子細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(MQCA)，能夠填補(bǔ)傳統(tǒng)的硅器件與分子電子學(xué)之間的空白。200nm的點(diǎn)使面集成密度(每個(gè)芯片的有效晶體管的數(shù)量)比當(dāng)今的CMOS增加了400倍；10nm的點(diǎn)使表面集成密度增加了160000倍。而且，與當(dāng)前的CMOS工藝相比，用于MQCA器件的制造工藝相當(dāng)簡(jiǎn)單。因而，根據(jù)本發(fā)明的MQCA能夠完全改變IC制造的經(jīng)濟(jì)狀況，允許不能夠籌集到用于CMOS制造的資金(約20億美圓)的較小的公司進(jìn)入市場(chǎng)。此外，MQCA作為全磁器件，隨時(shí)準(zhǔn)備著面對(duì)剛出現(xiàn)的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)技術(shù)，將來MRAM將代替所有的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。
現(xiàn)在，將參照附圖描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中

圖1為根據(jù)本發(fā)明結(jié)合多種原理的邏輯裝置的示意圖；圖2為示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明的邏輯元件中的孤立子缺陷；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的邏輯互連接如何相互交叉而無不利的相互干擾；圖4A，4B和4C為示意圖，表示如何將本發(fā)明的例子構(gòu)造成提供阻抗匹配；以及圖5表示根據(jù)本發(fā)明，如何通過改變鏈分裂處附近點(diǎn)的厚度獲得信號(hào)扇出(fan-out)。
在描述本發(fā)明之前，提供一些背景技術(shù)是有用的。
近來，納米大小的磁粒子(納米磁體)已經(jīng)成為科學(xué)和技術(shù)研究的主題。這些人造的0尺寸結(jié)構(gòu)特別另人感興趣，因?yàn)槌颂峁┰谄渲醒芯看判曰締栴}的極好的實(shí)驗(yàn)以外，對(duì)于諸如用于計(jì)算機(jī)的超高密度硬盤媒體和非易失存儲(chǔ)器的未來技術(shù)應(yīng)用而言，它們是非常有前途的選擇。
納米磁體的眾多用途產(chǎn)生于稱為Brown基本理論的原理，該理論指出，因?yàn)殪o磁能與量子機(jī)械交換能之間的競(jìng)爭(zhēng)，磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)被整個(gè)壓縮成一個(gè)非常小(～10-8m)的磁粒子，導(dǎo)致納米磁體相當(dāng)于單個(gè)巨型螺旋。近來，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該理論在平面圓形鐵磁盤中是正確的。從而，有可能通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)幾千波爾磁子的孤立的平面偶極矩。通過選擇納米磁體的幾何形狀，可以另外選擇優(yōu)選的面內(nèi)方向(各向異性)。即使在100nm遠(yuǎn)的距離處，從該巨型螺旋發(fā)出的磁場(chǎng)也能夠達(dá)到幾十奧斯特。將其與kT/m，可表示為室溫下10e附近的磁場(chǎng)的熱漲落能量(對(duì)于75nm直徑，10nm厚的鐵鎳合金盤而言)進(jìn)行比較。從而可以使納米磁體在比熱下限(thermal floor)更高的能級(jí)上靜磁相互作用，即使在室溫和更高溫度下也是如此。
(i)邏輯狀態(tài)圖1表示根據(jù)本發(fā)明的MQCA示意圖。將各向同性鐵磁材料的圓形單疇盤設(shè)置成足夠小的間距，以使最鄰近的盤共享強(qiáng)靜磁相互作用。典型的尺寸為80nm直徑，15nm厚的盤設(shè)置成115nm間隔。在這種情形中，可以將每個(gè)盤表示為一巨型平面螺旋。盤的圓形形狀確保孤立的螺旋具有各向同性能量表面。不過，偶極子耦合是各向異性的，從而兩個(gè)相鄰螺旋最好沿著它們的中心連線指向。因而，圖1中所示的點(diǎn)鏈?zhǔn)请p穩(wěn)態(tài)的一個(gè)鏈中所有的螺旋能夠沿該鏈指向，不過不與該鏈橫切。該鏈?zhǔn)褂霉ぷ髟?1和-1而不是1和0的布爾代數(shù)的變量表示邏輯狀態(tài)。在水平鏈的情形中，我們定義指向左邊的螺旋處于狀態(tài)-1，指向右邊的螺旋為狀態(tài)+1。在豎鏈的情形中，我們定義向下指向頁面的螺旋處于狀態(tài)-1，向上指向頁面的螺旋處于狀態(tài)+1。
(ii)孤立子傳輸現(xiàn)在假定我們將鏈中一半螺旋設(shè)置為狀態(tài)+1，另一半為狀態(tài)-1，如圖2示意地所示。這兩個(gè)狀態(tài)在鏈的中心處相遇，形成缺陷(defect)。為了簡(jiǎn)化，我們已經(jīng)在圖2中以點(diǎn)狀畫出該缺陷，即從狀態(tài)-1到+1的轉(zhuǎn)變突然發(fā)生。實(shí)際上，該缺陷具有這樣一種結(jié)構(gòu)，即將在幾個(gè)點(diǎn)的空間上發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在假設(shè)施加一個(gè)小場(chǎng)，沿鏈長(zhǎng)度的方向取向。這將具有施加給處于+1狀態(tài)的螺旋的能量超過處于-1狀態(tài)的螺旋的效果。遠(yuǎn)離該缺陷的處于狀態(tài)-1的螺旋，由于它們最近鄰螺旋的相互作用場(chǎng)保持不變，從而不改變方向。不過，缺陷處的-1螺旋受到零的凈相互作用，這是因?yàn)閬碜云?1相鄰螺旋的相互作用場(chǎng)被來自其-1相鄰螺旋的相互作用場(chǎng)抵消。從而，它可以自由地反向?qū)?zhǔn)該場(chǎng)，導(dǎo)致缺陷向右移動(dòng)一個(gè)單元。這反過來增加了與該場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)的單元數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)的能量。然后，可以將同樣的討論應(yīng)用于新的-1缺陷螺旋，從而缺陷再次移動(dòng)，并且持續(xù)進(jìn)行移動(dòng)，直到缺陷到達(dá)了鏈的端部，在此處缺陷消失。此缺陷實(shí)際上是一個(gè)孤立子，即被限定在一定的區(qū)域并能夠通過施加的場(chǎng)而移動(dòng)。孤立子載有拓?fù)浜晌覀兎Q圖2中所示的孤立子為正的，因?yàn)樗刂┘訄?chǎng)的正方向運(yùn)動(dòng)。處于從邏輯狀態(tài)-1到+1轉(zhuǎn)變的中間的孤立子，當(dāng)向右移動(dòng)時(shí)將載有負(fù)電荷，并將向所施加場(chǎng)的正方向的反方向運(yùn)動(dòng)(即，在圖2中向左)。
因此，在這種MQCA設(shè)計(jì)中，通過弱振蕩施加場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的磁孤立子，信號(hào)在其中傳輸。當(dāng)所施加的場(chǎng)為正時(shí)，正的孤立子向右運(yùn)動(dòng)，負(fù)的孤立子向左運(yùn)動(dòng)。從而，這些拓?fù)鋷щ姷墓铝⒆油耆愃朴诎雽?dǎo)體IC中所使用的電子和空穴。然而，不是在電場(chǎng)的作用下沿鋁或銅導(dǎo)線流動(dòng)，孤立子在一或多個(gè)磁場(chǎng)的作用下，沿耦合的磁量子點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳播?？梢酝耆叵蛘麄€(gè)芯片施加磁場(chǎng)，同時(shí)作為每個(gè)點(diǎn)的電源(任何移動(dòng)孤立子的能量都來自于所施加的場(chǎng))并作為低時(shí)滯時(shí)鐘。例如，將在該裝置的平面中，從向上，到向左，到向下，到向右旋轉(zhuǎn)的矢量磁時(shí)鐘場(chǎng)，可以用于控制邏輯網(wǎng)絡(luò)的同步操作，并用于在拐角附近和通過門路由信號(hào)。
(iii)數(shù)據(jù)輸入可以從橢圓的納米磁體將數(shù)據(jù)放入鏈中，如圖1的盒A中高亮顯示所示。此橢圓形引入了形狀各向異性，極大地增加了它的矯頑性。從而，僅能夠通過強(qiáng)外部施加場(chǎng)(或者完全來自施加場(chǎng)，或者部分來自于載流軌道，如圖1中點(diǎn)E所示)進(jìn)行切換，并且不受來自圓形納米磁體的相互作用場(chǎng)的影響。從而，孤立子不會(huì)在載有橢圓單元的鏈的端部消失；不過，它能夠在鏈的自由端消失。這種非對(duì)稱性保證在一個(gè)施加場(chǎng)周期以后，鏈中的每個(gè)單元將被設(shè)置成橢圓單元的邏輯狀態(tài)，并將保持穩(wěn)定不變。因此，橢圓單元起到輸入管腳的作用，并將它們的邏輯狀態(tài)向下傳送到任何相連的鏈。或者，可以通過鐵磁點(diǎn)接觸施加高強(qiáng)度螺旋極化的電流脈沖而翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的磁狀態(tài)。
(iv)邏輯門通過將3個(gè)點(diǎn)鏈一起傳送(pipe)可以構(gòu)成邏輯門，如圖1的盒B中所示。在這種情形中，來自左邊的2個(gè)鏈為輸入，離開右邊的一個(gè)鏈為輸出。節(jié)點(diǎn)受到來自鏈的相互作用場(chǎng)的矢量和，從而完成求和功能。用這種方法，通過施加偏置磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)邏輯“與”或“或”功能。通過圖1的盒D中所示的點(diǎn)設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)“非”功能。此處所描述的并且實(shí)際上貫穿整個(gè)方案中的邏輯門的一個(gè)重要特征在于邏輯信號(hào)可以反饋，以便進(jìn)行鎖定。從而，可以實(shí)現(xiàn)完全同步狀態(tài)的機(jī)器。
(v)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)此設(shè)計(jì)不限于目前所討論的線性鏈。如果在與x和y方向成45°處施加完全施加的磁場(chǎng)，那么能夠沿x和y方向構(gòu)成鏈，并在拐角處轉(zhuǎn)向，如圖1的盒C中所示。QCA和MQCA相對(duì)傳統(tǒng)CMOS的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于鏈能夠彼此交叉，如圖3所示。在這種情形中，孤立子將無防礙地相互穿過。這樣的結(jié)果是能夠?qū)⒋蟮?、?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，如中央處理單元全部建立在單一平面上，不需要多層處理和路由(vias)。因而與CMOS相比，減小了制造成本(資本投入和每個(gè)單元的成本)?；蛘?，可以使用相互作用點(diǎn)的多個(gè)平面獲得三維邏輯硬件。通過使平面相隔一大于點(diǎn)直徑的距離，可以使多個(gè)平面不相互作用(簡(jiǎn)單地用于增加單個(gè)芯片的復(fù)雜度)。相反，通過將平面相隔一小于點(diǎn)直徑的距離，信號(hào)能夠在平面之間通過。因而，可以很容易地實(shí)現(xiàn)信號(hào)在平面之間的“路由”。通過這種3維結(jié)構(gòu)，可以很容易地增加裝置的復(fù)雜度。
(vi)數(shù)據(jù)輸出利用磁電效應(yīng)，如隧道磁電阻(Tunnel Magneto Resistance-TMR)，在芯片的最后的輸出部位(例如圖1中點(diǎn)“F”)，可以將邏輯信號(hào)從磁形式轉(zhuǎn)變成電形式。
(vii)阻抗匹配高頻電路在每個(gè)接點(diǎn)處必須阻抗匹配，以避免反射。在MQCA中也存在類似的概念，不過不僅在高頻下要求阻抗匹配。圖4(a)說明了這種情形。假設(shè)鏈中兩個(gè)點(diǎn)之間的間距比通常大，則導(dǎo)致在該點(diǎn)處發(fā)生較弱的耦合。這可能發(fā)生于拐角處或門設(shè)計(jì)中?，F(xiàn)在假設(shè)孤立子從左向右傳播。當(dāng)孤立子到達(dá)弱耦合點(diǎn)時(shí)，由于點(diǎn)B受到點(diǎn)A的場(chǎng)并不足夠強(qiáng)以補(bǔ)償點(diǎn)B受到點(diǎn)C的場(chǎng)，所以孤立子的運(yùn)動(dòng)將受到阻礙。孤立子不能通過這個(gè)點(diǎn)傳播，除非施加更大的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，而施加更大的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)可能是不合乎需要的。通過使點(diǎn)B成輕微的橢圓形，孤立子向點(diǎn)B施加弱的各向異性。還可以向點(diǎn)A施加另一個(gè)相反符號(hào)的各向異性。圖4(b)表示最終的結(jié)構(gòu)。在這種情形中，從A到B的弱耦合被點(diǎn)B的各向異性場(chǎng)補(bǔ)償。該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)吸引人的特征在于它是單方向的。從右向左傳播的孤立子將受到增強(qiáng)的阻礙作用。從而，這種弱鏈接的接合點(diǎn)是孤立子二極管，可以用于控制MQCA系統(tǒng)中信號(hào)的路由。也可以通過點(diǎn)厚度改變耦合強(qiáng)度。圖4c表示使用點(diǎn)厚度的突變來獲得單方向性的孤立子二極管的另一種形式。每個(gè)點(diǎn)中的數(shù)字給出了用納米表示的點(diǎn)厚度。
邏輯門扇出到多種其他門的輸入是任何有用的邏輯系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。相反，MQCA使用圖1中盒B的結(jié)構(gòu)能夠獲得扇出。在接近接合點(diǎn)的單元中可以引起小的各向異性，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。這種各向異性的二極管效應(yīng)可防止信號(hào)向回流入門的輸出端。或者，可以通過逐漸改變鏈分裂附近的點(diǎn)厚度而獲得扇出，如圖5所示。每個(gè)點(diǎn)中的數(shù)字給出了以納米為單位的點(diǎn)厚度。
權(quán)利要求
1.一種由磁性材料的至少一個(gè)點(diǎn)鏈形成的邏輯裝置，每個(gè)點(diǎn)具有200nm或更小的寬度，并被分隔開在一足夠小的距離，以確保相鄰點(diǎn)的磁相互作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的邏輯裝置，其中該點(diǎn)為100nm或更小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的邏輯裝置，其中該點(diǎn)為80nm或更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的邏輯裝置，其中該點(diǎn)具有橢圓形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4所述的邏輯裝置，其中該點(diǎn)由軟磁材料形成。
6.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的邏輯裝置，其中該點(diǎn)形成在由硅制成的基板上。
7.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的邏輯裝置，進(jìn)一步包括用于向點(diǎn)鏈提供受控磁場(chǎng)的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的邏輯裝置，其中該用于提供磁場(chǎng)的裝置包括用于控制該裝置的裝置，使得該磁場(chǎng)可作為控制時(shí)鐘運(yùn)作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的邏輯裝置，其中提供并設(shè)置多個(gè)鏈，以提供“或”門，“與”門，“非”門或其組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的邏輯裝置，其被設(shè)置來通過進(jìn)一步包括一或多個(gè)產(chǎn)生磁電效應(yīng)的元件，以提供電輸出。
全文摘要
一種由磁性材料的至少一個(gè)點(diǎn)鏈形成的邏輯裝置。每個(gè)點(diǎn)具有200nm或更小的寬度,并且被分隔開一足夠小的距離,以確保相鄰點(diǎn)的磁相互作用。
文檔編號(hào)H03K19/195GK1390388SQ00815680
公開日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2000年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月25日
發(fā)明者拉塞爾·考苯 申請(qǐng)人:劍橋大學(xué)技術(shù)服務(wù)有限公司