CN105514260B

CN105514260B - 自旋逻辑器件和包括其的电子设备

Info

Publication number: CN105514260B
Application number: CN201610064129.8A
Authority: CN
Inventors: 张轩; 万蔡华; 韩秀峰
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2018-02-27
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: CN105514260A

Abstract

本发明涉及自旋逻辑器件和包括其的电子设备。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。

Description

自旋逻辑器件和包括其的电子设备

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。

本发明的另一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，其由具有自旋霍尔效应并且能提供磁偏置的导电材料制成，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偏置层上的磁性隧道结，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偏置层；以及连接到所述磁性隧道结的与所述SHE偏置层相反的一侧的读取布线，用于施加流经所述磁性隧道结的读取电流，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿所述第一方向的偏置磁场。

在一些示例中，所述SHE偏置层由IrMn、PtMn或AuMn制成。

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和所述第二输入电流的大小和方向而配置成与门、或门和或非门之一，或者能配置成非门和与非门。

本发明的另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沿第二方向的第二输入电流，所述第一方向与所述第二方向交叉；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三方向延伸并且电连接到所述磁性隧道结的电流布线，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向的合成方向垂直，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，所述第一方向与所述第二方向垂直

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。

本发明的另一些实施例提供一种自旋逻辑器件，包括：自旋霍尔效应SHE偏置层，其由具有自旋霍尔效应并且能提供磁偏置的导电材料制成，并且用于接收沿第一方向的第一输入电流和沿第二方向的第二输入电流，所述第一方向与所述第二方向交叉；位于所述SHE偏置层上的磁性隧道结，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偏置层；以及连接到所述磁性隧道结的与所述SHE偏置层相反的一侧的读取布线，用于施加流经所述磁性隧道结的读取电流，其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第三方向的偏置磁场，所述第三方向在所述第一方向和所述第二方向的合成方向上。

在一些示例中，所述SHE偏置层由IrMn、PtMn或AuMn制成。

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和所述第二输入电流的方向而配置为逻辑与门和逻辑或门，或者配置为逻辑非门、逻辑与非门和逻辑或非门。

本发明的另一些实施例提供一种电子设备，其包括上述自旋逻辑器件中的任意一种。

在一些示例中，所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。

附图说明

图1示出一种现有技术的自旋逻辑器件的结构示意图。

图2示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。

图3A、3B、3C、3D和3E示出图2的自旋逻辑器件的各种逻辑操作的信号曲线图。

图4示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。

图5示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件的示意性俯视图。

图6A、6B、6C、6D和6E示出图5的自旋逻辑器件的各种逻辑操作的信号曲线图。

图7示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的示范性实施例。

图2示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件200的结构示意图。如图2所示，自旋逻辑器件200包括磁性隧道结210、以及位于磁性隧道结210下方的自旋霍尔效应(SHE)层220和位于磁性隧道结210上方的电流布线230。

SHE层220可以连接到布线以接收输入电流。例如，如图2所述，SHE层220的-Y侧可具有连接端子222和224以分别接收第一输入电流I₁和第二输入电流I₂，所述第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均为面内电流，即流过SHE层220的层平面，而非垂直于层平面流过。在图2所示的实施例中，第一输入电流I₁和第二输入电流I₂的电流方向相同，均为沿Y轴方向。虽然未示出，但是SHE层220的+Y侧也可具有两个端子以分别用作第一输入电流I₁和第二输入电流I₂的流动通道。SHE层220可由具有强的自旋轨道耦合属性的导体材料形成，从而当输入电流例如I₁和/或I₂流过SHE层220时，由于自旋霍尔效应，在这样的导体材料的表面上会形成自旋极化电流，其中电子的自旋方向是规则排列的，如图2中围绕SHE层220的带圆点的箭头所示，其中圆点表示电子，箭头表示电子的自旋方向，并且产生从SHE层220向导体材料中流入的纯自旋流，该自旋流可以向导体材料施加磁转矩，从而影响导体材料的磁矩方向。虽然图2示出了对于+Y方向的电流I₁和/或I₂，在SHE层220表面处产生的电子的自旋方向是顺时针排列的，但是取决于SHE层220的具体材料，该自旋方向也可以是逆时针排列的。可用于形成SHE层220的具有强自旋轨道耦合属性的导体材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn之类的金属或合金，诸如Bi₂Se₃和Bi₂Te₃之类的拓扑绝缘体、以及诸如Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er、Tm、Yi、Lu之类的稀土材料等，其中Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Te、Dy、Ho、Er和Tm是优选的，因为它们具有较强的自旋轨道耦合。应理解，可用于形成SHE层220的材料不限于上述示例，而是其它现在已知的或者将来开发的能表现出自旋霍尔效应的材料都可用于形成SHE层220。此外，SHE层220还可以由这些材料的任意合适组合来形成。在本发明的一些实施例中，SHE层220的厚度可以在0.5nm至30nm的范围，优选地在0.6nm至10nm的范围，以提供良好的电阻特性和磁转矩效应。

磁性隧道结210设置在SHE层220上并且与SHE层220直接接触。具体而言，磁性隧道结210包括自由磁层212、参考磁层216、以及位于自由磁层212和参考磁层216之间的势垒层214，其中自由磁层212与SHE层220相邻并且直接接触。自由磁层212和参考磁层216均可由铁磁材料形成，例如Co、Fe、Ni以及包括Co、Fe、Ni的合金，诸如CoFe、NiFe、CoFeB等。自由磁层212可以由具有较低矫顽力的铁磁材料形成，使得自由磁层212的磁矩可以较容易地随着外磁场而旋转，而参考磁层216可以由具有较高矫顽力的铁磁材料形成，使得其磁矩不易随外磁场而旋转。在一些实施例中，参考磁层216的磁矩可以被固定，例如通过钉扎结构或自钉扎结构来固定。在钉扎结构中，可以在参考磁层216上形成钉扎层(未示出)来固定参考磁层216的磁矩。钉扎层一般由诸如IrMn之类的反铁磁材料形成，其厚度可以在1nm至30nm的范围。或者替代地，参考磁层216可以由具有较高矫顽力的硬磁材料形成，或通过调节参考磁层216的厚度来获得较大的矫顽力，此时可以省略钉扎层，因此这样的结构也称为自钉扎结构。

继续参照图2，自由磁层212和参考磁层216二者均可具有沿垂直方向(垂直于层平面，即沿Z轴方向)的磁矩。换言之，自由磁层212和参考磁层216二者的易磁化轴可以取向在垂直方向(Z轴方向)上。自由磁层212的厚度可以在0.5nm至16nm的范围，优选在0.8nm至8nm的范围。参考磁层216的厚度可以在0.5nm至20nm的范围，优选0.8nm至10nm的范围。

应理解的是，虽然说明书中以垂直磁化的自由磁层和参考磁层为上下文描述了本发明的各种实施例和示例，但是本发明的原理亦可以应用到自由磁层和参考磁层具有面内磁化的情形。与面内磁化相比，垂直磁化允许磁性隧道结形成为具有更小的尺寸，进而能够提高器件的集成度，因而是优选的。

虽然这里参照图2描述了磁性隧道结210的结构，但是本领域技术人员将理解，还可以对磁性隧道结210的结构进行许多变化。例如，虽然图2示出了磁性隧道结210具有矩形图案，但是磁性隧道结210也可以被图案化成其他形状，例如圆形、椭圆形、方形、环形、其它多边形形状、等等。此外，磁性隧道结210也可以用更多或更少的层来形成。本发明旨在涵盖所有这些磁性隧道结的修改或变化，只要其落在所附权利要求及其等价物的范围内。

电流布线230在磁性隧道结210上方延伸并且电连接到磁性隧道结210。在图2所示的实施例中，电流布线230可以直接接触磁性隧道结210。在另一些实施例中，电流布线230可以形成在磁性隧道结210上方，并且通过例如导电插塞连接到磁性隧道结210。电流布线230的延伸方向与施加到SHE层220上的输入电流I₁和I₂的方向交叉，优选垂直。例如，在图2所示的实施例中，输入电流I₁和I₂在Y轴方向上，电流布线230的延伸方向为X轴方向。在另一些实施例中，电流布线230的延伸方向可以与电流I₁和I₂的方向成45-135度范围内的角。从下面对操作原理的描述可以理解，垂直是优选的，但是交叉时，也有分量形成在垂直方向上，因此也是可行的。

下面参照图2来说明自旋逻辑器件200的操作原理。如前所述，当电流例如I₁和/或I₂流过SHE层220时，由于自旋霍尔效应，会产生从SHE层220流入自由磁层212的自旋流，该自旋流向自由磁层212施加磁转矩，从而影响自由磁层212的磁矩方向。同时，向电流布线230施加电流I₃，其在自由磁层212处产生奥斯特场Hx，该奥斯特场Hx同样向自由磁层212施加磁转矩。在自旋霍尔效应引起的自旋流施加的磁转矩和奥斯特场Hx施加的磁转矩的共同作用下，可以使自由磁层212的磁矩发生翻转。通过调节输入电流I₁和I₂或电流I₃的方向，可以使自由磁层212的磁矩翻转到想要的方向上，例如+Z轴方向或-Z轴方向。在该实施例中，由于利用自旋霍尔效应产生的自旋流和电流布线产生的奥斯特场协同翻转自由磁层212的磁矩，所以能够降低翻转自由磁层212的磁矩所需的电流总量，而且大大简化了自旋逻辑器件的结构。另一方面，在利用自旋流和奥斯特场协同翻转自由磁层212的磁矩时，可以调节每种因素的贡献大小，从而带来了操作上的更多灵活性。

图3A、3B、3C、3D和3E示出图2的自旋逻辑器件200的各种逻辑操作的信号曲线图。下面将参照图3A-3E并且结合图2来详细说明自旋逻辑器件200的各种逻辑操作。

图3A示出自旋逻辑器件200被配置为逻辑与“AND”门来进行逻辑与“AND”操作时的信号曲线图，下面的表1示出了逻辑与“AND”门的真值表。为了实现逻辑与操作，磁性隧道结210可配置为初始处于平行状态。在逻辑与操作期间，电流布线230上可以施加有电流I₃以在自由磁层212处产生较小的磁场，例如图3A所示的500Oe。应理解，在逻辑与操作期间，电流I₃可以一直施加在电流布线230上，亦可以仅在施加第一输入电流I₁和第二输入电流I₂时才施加，以节省能耗。

表1：逻辑与“AND”的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			1	1	1
1	0	0
			0	1	0
0	0	0

在图3A所示的左起的第一个操作中，SHE层210上施加的第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均为正向大电流，其对应于逻辑状态“1”。在这两个大电流的作用下，同时在500Oe的磁场的配合下，自由磁层212的磁矩发生翻转，使得磁性隧道结210变成反平行状态。然后，可以在电流布线230和SHE层210之间施加垂直流过磁性隧道结210的读取电流I₄，得到磁性隧道结210的电阻为高阻态，其可对应于例如逻辑“1”。

在每次进行逻辑操作前和/或后，可以进行复位操作以将磁性隧道结210复位到初始状态。在图3A所示的示例中，复位操作是通过施加反向大电流I₁和I₂，并且配合500Oe的奥斯特场来实现的，其将磁性隧道结210恢复到初始平行状态。

在图3A所示的左起的第二个操作中，SHE层210上施加的第一输入电流I₁仍为正向大电流，其对应于逻辑状态“1”，而第二输入电流I₂为正向小电流，其对应于逻辑状态“0”。由于一个输入电流为小电流，即使在500Oe的磁场的配合下，也不能使自由磁层212的磁矩发生翻转，因此磁性隧道结210仍保持为初始的平行状态。因此，当在电流布线230和SHE层210之间施加垂直流过磁性隧道结210的读取电流I₄时，得到磁性隧道结210的电阻为低阻态，其可对应于例如逻辑“0”。

类似地，在第三个操作中，第一输入电流I₁为正向小电流而第二输入电流I₂为正向大电流，以及在第四个操作中，第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均为正向小电流，此时都不能使自由磁层212的磁矩发生翻转，因而磁性隧道结210处于低阻态，对应于逻辑“0”。

如上所述，自旋逻辑器件200完成了表1所示的逻辑与“AND”操作。在逻辑与“AND”操作期间，由于电流I₃提供的奥斯特场较小，所以当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂中的任何一个为小电流(对应于逻辑“0”)时，均不能将磁性隧道结210从初始平行状态翻转到反平行状态。换言之，当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均为大电流(对应于逻辑“1”)时，才能将磁性隧道结210从初始平行状态翻转到反平行状态。

图3B示出逻辑或“OR”操作的信号曲线图，表2示出逻辑或“OR”的真值表。为了实现逻辑或操作，磁性隧道结210可配置为初始处于平行状态。在逻辑或操作期间，电流布线230上可以施加有电流I₃以在自由磁层212处产生较大的磁场，例如图3B所示的3500Oe。应理解，在逻辑或操作期间，电流I₃可以一直施加在电流布线230上，亦可以仅在施加第一输入电流I₁和第二输入电流I₂时才施加，以节省能耗。

表2：逻辑或“OR”的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			1	1	1
1	0	1
			0	1	1
0	0	0

在图3B所示的左起的第一个操作中，SHE层210上施加的第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均为正向大电流，其对应于逻辑状态“1”。在这两个大电流的作用下，同时在3500Oe的磁场的配合下，自由磁层212的磁矩发生翻转，使得磁性隧道结210变成反平行状态。然后，可以在电流布线230和SHE层210之间施加垂直流过磁性隧道结210的读取电流I₄，得到磁性隧道结210的电阻为高阻态，其可对应于例如逻辑“1”。

同样，在每次进行逻辑操作前和/或后，可以进行复位操作以将磁性隧道结210复位到初始状态。在图3B所示的示例中，复位操作是通过施加反向大电流I₁和I₂，并且配合3500Oe的奥斯特场来实现的，其将磁性隧道结210恢复到初始平行状态。

在图3B所示的左起的第二个操作中，SHE层210上施加的第一输入电流I₁仍为正向大电流，其对应于逻辑状态“1”，而第二输入电流I₂为正向小电流，其对应于逻辑状态“0”。虽然一个输入电流为小电流，但是由于电流I3产生的奥斯特磁场足够大，在本示例中为3500Oe，所以仍足以使自由磁层212的磁矩发生翻转，从而磁性隧道结210变为反平行状态。因此，当在电流布线230和SHE层210之间施加垂直流过磁性隧道结210的读取电流I₄时，得到磁性隧道结210的电阻为高阻态，对应于逻辑“1”。

类似地，在第三个操作中，第一输入电流I₁为正向小电流而第二输入电流I₂为正向大电流，在3500Oe的大磁场的配合下，足以使自由磁层212的磁矩发生翻转，从而磁性隧道结210变为反平行状态。因此，当在电流布线230和SHE层210之间施加垂直流过磁性隧道结210的读取电流I₄时，得到磁性隧道结210的电阻为高阻态，对应于逻辑“1”。

在第四个操作中，第一输入电流I₁和第二输入电流I₂均为正向小电流。在该情况下，即使电流I₃产生的奥斯特磁场较大，在本示例中为3500Oe，也不能使自由磁层212的磁矩发生翻转，因而磁性隧道结210保持为初始的平行状态。当在电流布线230和SHE层210之间施加垂直流过磁性隧道结210的读取电流I₄时，得到磁性隧道结210的电阻为低阻态，其可对应于例如逻辑“0”。

如上所述，自旋逻辑器件200完成了表2所示的逻辑或“OR”操作。在逻辑或“OR”操作期间，由于电流I₃提供的奥斯特场较大，所以当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂中的任何一个为大电流(对应于逻辑“1”)时，就足以将磁性隧道结210从初始平行状态翻转到反平行状态。只有当第一输入电流I₁和第二输入电流I₂两者均为小电流(对应于逻辑“0”)时，才不能将磁性隧道结210从初始平行状态翻转到反平行状态。

图3C示出逻辑非“NOT”操作的信号曲线图，表3示出逻辑非“NOT”的真值表。为了实现逻辑非操作，磁性隧道结210可配置为初始处于反平行状态。在逻辑非操作期间，电流布线230上可以施加有反向电流I₃以在自由磁层212处产生大约-500Oe的磁场，第二输入电流I₂可以设置为对应于逻辑“1”的较大电流。因此，如图3B所示，在左起的第一个操作时，第一输入电流I₁为对应于逻辑“1”的较大电流，导致自由磁层212的磁矩发生翻转，磁性隧道结210变成平行状态，从而在随后的读取步骤中可以得到低电阻态，对应于逻辑“0”。在左起的第二个操作中，第一输入电流I₁为对应于逻辑“0”的较小电流，从而不能使磁性隧道结210翻转到平行状态，在随后的读取步骤中得到高电阻态，对应于逻辑“1”。由此，自旋逻辑器件200完成了表3所示的逻辑非“NOT”操作。

表3：逻辑非“NOT”的真值表

输入电流I₁	输出
		1	0
0	1

图3D示出逻辑与非“NAND”操作的信号曲线图，表4示出逻辑与非“NAND”的真值表。从图3D以及表4可以看出，自旋逻辑器件200的逻辑与非“NAND”操作基本类似于图3A和表1所示的逻辑与“AND”操作，不同之处仅在于磁性隧道结210的初始状态设置为反平行状态。因此，这里不再重复描述详细的操作步骤。

表4：逻辑与非“NAND”的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			1	1	0
1	0	1
			0	1	1
0	0	1

图3E示出逻辑或非“NOR”操作的信号曲线图，表5示出逻辑或非“NOR”的真值表。从图3E以及表5可以看出，自旋逻辑器件200的逻辑或非“NOR”操作基本类似于图3B和表2所示的逻辑或“OR”操作，不同之处仅在于磁性隧道结210的初始状态设置为反平行状态。因此，这里不再重复描述详细的操作步骤。

表5：逻辑或非“NOR”的真值表

输入电流I₁	输入电流I₂	输出
			1	1	0
1	0	0
			0	1	0
0	0	1

上面描述了通过调节第一输入电流I₁和第二输入电流I₂的大小以及第三输入电流I₃的大小和方向，可以将自旋逻辑器件200操作为与门、非门、或门、与非门和或非门这五种门。因此，本发明的该实施例提供了可编程的逻辑门器件及其操作方法。与不可编程的常规半导体逻辑器件相比，本发明的逻辑器件具有更大的操作灵活性。

图4示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件300的结构示意图。在图4所示的自旋逻辑器件300中，与图2所示的自旋逻辑器件200相同的部件用相同的附图标记指示，这里将省略对其的详细描述。

如图4所示，SHE层220被SHE偏置层320代替。顾名思义，SHE偏置层320不仅能表现出自旋霍尔效应，还能提供一定的偏置场来偏置自由磁层212的磁矩。因此，SHE偏置层320应有具有自旋霍尔效应，并且能够提供偏置磁场的材料制成，这样的材料的示例包括但不限于诸如PtMn、IrMn、AuMn等之类的具有自旋霍尔效应的反铁磁材料。可以通过磁控沉积工艺或者磁场退火工艺，使得SHE偏置层320能提供偏置磁场Hb，并且偏置磁场Hb的方向可以平行于第一和第二输入电流I₁、I₂或者它们的合成方向，在图4中为Y轴方向。利用偏置磁场Hb和电流I₁、I₂产生的自旋流，即可翻转自由磁层212的磁矩，从而实现逻辑操作。其翻转原理类似于前面参照图2描述的实施例，此处不再重复描述。

由于通过SHE偏置层320来提供偏置磁场Hb，因此不再需要电流布线230来提供奥斯特磁场。在图4所示的实施例中，自旋逻辑器件300包括连接到磁性隧道结210的读取布线330。应理解，因为不需要读取布线330来形成奥斯特磁场，所以读取布线330可以沿任意方向设置，而不限于图4所示的方向。利用形成在磁性隧道结210上下两侧的读取布线330和SHE偏置层320，可以施加流经磁性隧道结210的读取电流I₄，从而获得磁性隧道结210的逻辑状态。

与图2所示的自旋逻辑器件200相比，图4的自旋逻辑器件300只能在固定的偏置磁场Hb下进行操作，因此在配置灵活性上有所降低。例如，如前所述，通过调节磁场Hx的大小和方向，图2的自旋逻辑器件200可以配置为与、非、或、与非和或非这五种门。而由于SHE偏置层320提供的偏置磁场Hb是固定的，不能调节其大小和方向，所以只能将自旋逻辑器件300单独配置成与门、或门和或非门之一，或者可配置成非门和与非门。

图5示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件400的示意性俯视图。在图5所示的自旋逻辑器件400中，与图2所示的自旋逻辑器件200相似的部件用相应的附图标记指示，此处不再对其进行重复描述。

如图5所示，自旋逻辑器件400包括磁性隧道结410、以及位于磁性隧道结410下方的自旋霍尔效应(SHE)层420和位于磁性隧道结410上方的电流布线430。这些元件的材料和结构与自旋逻辑器件200中的元件类似，此处不再重复描述。

不同的是，如图5所示，SHE层420接收不同方向的第一输入电流I1和第二输入电流I2。具体而言，SHE层420可具有第一和第二端子422、424以接收沿第一方向(图5中为X轴方向)的第一输入电流I₁，并且具有第三和第四端子426、428以接收沿第二方向(图5中为垂直于X轴的Y轴方向)的第二输入电流I₂。第一方向和第二方向可以交叉，例如成60度至120度之间的角，优选地成75度至105度之间的角，更优选地如图5所示的那样彼此垂直。因此，当电流I₁和I₂大小相等时，SHE层420中的合成电流I₁₊₂可以大致位于在第一方向和第二方向正中间的第三方向上，图5中为在X轴和Y轴正中间的Y'轴上。

电流布线430可以在于第三方向垂直的第四方向上延伸，图5中为X'轴方向。这样，当在电流布线430上通过第三输入电流I3时，根据右手螺旋定则，可以在其下的磁性隧道结410处产生沿第三方向(Y'轴方向)的奥斯特磁场Hx。因此，基于与图2类似的原理，第一和第二输入电流I₁、I₂和第三输入电流产生的奥斯特磁场Hx配合，即可翻转磁性隧道结410中的自由磁层的磁矩。但是应理解，图5所示的翻转原理并不是与图2完全相同。具体而言，图2的磁矩翻转利用的是阻尼状转矩(Damping-like torque)，而图5的磁矩翻转除了利用阻尼状转矩以外，还利用了场状转矩(Field-like torque)，其分别是LLG方程中包括的两个表达项，这里不再对此展开深入论述。此外，通过在电流布线430与SHE层420之间施加流经磁性隧道结410的读取电流，例如图2所示的电流I₄，即可读取磁性隧道结410的逻辑状态。

下面将参照图6A、6B、6C、6D和6E来描述自旋逻辑器件400的操作。应注意，在图3A-3E描述的操作中，是根据输入电流I₁和I₂的大小来定义逻辑“1”和“0”，而在图6A-6E所示的操作中，则是根据电流的方向来定义逻辑“1”和“0”，具体而言，将图5所示的正方向的电流定义为逻辑“1”，而将其相反方向的电流定义为逻辑“0”。

图6A示出逻辑与“AND”操作。在该操作中，磁性隧道结410初始处于逻辑状态“0”，其例如对应于反平行态，并且电流布线430上的第三输入电流I₃在磁性隧道结410处产生大约1200Oe的奥斯特磁场Hx。如图6A所示，当第一和第二输入电流I₁、I₂均为逻辑“1”时，可以将磁性隧道结410翻转到与逻辑“1”对应的平行态；当第一和第二输入电流I₁、I₂中的任意一个为逻辑“1”而另一个为逻辑“0”(反向电流)时，二者的合成电流在与奥斯特磁场Hx垂直的方向上，因此磁性隧道结410保持在初始的逻辑“0”状态；当第一和第二输入电流I₁、I₂均为逻辑“0”时，则可以将磁性隧道结410复位到初始的逻辑“0”状态。因此，完成了逻辑与操作。

图6B示出逻辑或“OR”操作。在该操作中，磁性隧道结410初始处于逻辑状态“1”，其例如对应于平行态，并且电流布线430上的第三输入电流I₃在磁性隧道结410处产生大约1200Oe的奥斯特磁场Hx。如图6B所示，当第一和第二输入电流I₁、I₂均为逻辑“0”时，可以将磁性隧道结410翻转到与逻辑“0”对应的反平行态；当第一和第二输入电流I₁、I₂中的任意一个为逻辑“1”而另一个为逻辑“0”时，二者的合成电流在与奥斯特磁场Hx垂直的方向上，因此磁性隧道结410保持在初始的逻辑“1”状态；当第一和第二输入电流I₁、I₂均为逻辑“1”时，则可以将磁性隧道结410复位到初始的逻辑“1”状态。因此，完成了逻辑或操作。

图6C示出逻辑非“NOT”操作。在该操作中，磁性隧道结410初始处于逻辑状态“0”，其例如对应于反平行态，并且电流布线430上的第三输入电流I₃在磁性隧道结410处产生大约-1200Oe的奥斯特磁场Hx。如图6C所示，操作时，第二输入电流I₂可处于逻辑“0”状态(反向电流)，当第一输入电流I₁为逻辑“1”时，二者的合成电流在与奥斯特磁场Hx垂直的方向上，因此磁性隧道结410保持在初始的逻辑“0”状态；当第一输入电流I₁为逻辑“0”时，则可以将磁性隧道结410翻转到与逻辑“1”对应的平行态。当进行复位操作时，可将第一和第二输入电流I₁、I₂均设置为逻辑“1”，从而将磁性隧道结410复位到初始的逻辑“0”状态。因此，完成了逻辑非操作。

图6D示出了逻辑与非“NAND”操作，其与图6A示出逻辑与“AND”操作基本类似，只是将磁性隧道结410初始逻辑状态设置为逻辑“1”，并且将第三输入电流I₃设置在反方向上以产生相反方向的奥斯特磁场，即可在复位操作中将磁性隧道结410复位到初始逻辑状态“1”。图6E示出了逻辑或非“NOR”操作，其与图6B示出逻辑或“OR”操作基本类似，只是将磁性隧道结410初始逻辑状态设置为逻辑“0”，并且将第三输入电流I₃设置在反方向上以产生相反方向的奥斯特磁场，即可在复位操作中将磁性隧道结410复位到初始逻辑状态“0”。因此，这里将省略对图6D和6E所示操作的详细描述。

通过上述描述可以看出，与图2所示的自旋逻辑器件200类似，图5所示的自旋逻辑器件400也可配置成五种逻辑门，因此可以将相同的硬件配置成不同的逻辑电路，实现了电路可变性。但是应注意，图6A-6E所示的操作可以只调节第一输入电流、第二输入电流和第三输入电流的方向，而不调节它们的大小。

图7示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件500。在图7所示的自旋逻辑器件500中，与图5所示的自旋逻辑器件400相同的部件用相同的附图标记指示，这里将省略对其的详细描述。

如图7所示，SHE层420被SHE偏置层520代替。顾名思义，SHE偏置层520不仅能表现出自旋霍尔效应，还能提供一定的偏置场来偏置磁性隧道结410的自由磁层212的磁矩。因此，SHE偏置层520应有具有自旋霍尔效应，并且能够提供偏置磁场的材料制成，这样的材料的示例包括但不限于诸如PtMn、IrMn、AuMn等之类的具有自旋霍尔效应的反铁磁材料。可以通过磁控沉积工艺或者磁场退火工艺，使得SHE偏置层520能提供在所需方向上的偏置磁场Hb，例如图7所示的Y'轴方向。利用偏置磁场Hb和电流I₁、I₂产生的自旋流，即可翻转自由磁层212的磁矩，从而实现逻辑操作。其翻转原理类似于前面参照图5描述的实施例，此处不再重复描述。

由于通过SHE偏置层520来提供偏置磁场Hb，因此不再需要电流布线430来提供奥斯特磁场。在图7所示的实施例中，自旋逻辑器件500包括连接到磁性隧道结410的读取布线530。应理解，因为不需要读取布线530来形成奥斯特磁场，所以读取布线530可以沿任意方向设置，而不限于图7所示的示例方向。利用形成在磁性隧道结410上下两侧的读取布线530和SHE偏置层520，可以施加流经磁性隧道结410的读取电流I₄，从而获得磁性隧道结410的逻辑状态。

与图5所示的自旋逻辑器件400相比，图7的自旋逻辑器件500只能在固定的偏置磁场Hb下进行操作，因此在配置灵活性上有所降低。例如，如前所述，通过调节磁场Hx的大小和方向，图5的自旋逻辑器件400可以配置为与、非、或、与非和或非这五种门。而由于SHE偏置层520提供的偏置磁场Hb是固定的，不能调节其大小和方向，所以只能将自旋逻辑器件500单独配置成与门和或门，或者配置成非门、与非门和或非门。

本发明的另一些实施例还提供一种电子设备，其可以是例如但不限于手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备等。这样的电子设备一般都包括例如控制器、处理器、存储器等，这些电子部件都包含有逻辑电路，并且这些逻辑电路都可利用前面描述的任一实施例的自旋逻辑器件来实现。

尽管已经图示并描述了本申请的具体实施例和应用，但是要理解，所述实施例不限于在这里公开的确切结构和组件，并且可以在本申请的方法和设备的安排、操作和细节上做出对于本领域技术人员而言明显的各种修改、改变和变化，而没有脱离如在所附权利要求中限定的本公开的精神和范围。

Claims

1.一种自旋逻辑器件，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。

2.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向。

3.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，所述自由磁层和所述参考磁层都具有垂直磁化。

4.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，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，且

其中，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。

5.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，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。

6.如权利要求1所述的自旋逻辑器件，其中，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。

7.一种自旋逻辑器件，包括：

自旋霍尔效应SHE偏置层，其由具有自旋霍尔效应并且能提供磁偏置的导电材料制成，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偏置层上的磁性隧道结，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偏置层；以及

连接到所述磁性隧道结的与所述SHE偏置层相反的一侧的读取布线，用于施加流经所述磁性隧道结的读取电流，

其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿所述第一方向的偏置磁场。

8.如权利要求7所述的自旋逻辑器件，其中，所述SHE偏置层由IrMn、PtMn或AuMn制成。

9.如权利要求7所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件能通过设置所述第一输入电流和所述第二输入电流的大小和方向而配置成与门、或门和或非门之一，或者能配置成非门和与非门。

10.一种自旋逻辑器件，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沿第二方向的第二输入电流，所述第一方向与所述第二方向交叉；

在所述磁性隧道结上方沿第三方向延伸并且电连接到所述磁性隧道结的电流布线，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向的合成方向垂直，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。

11.如权利要求10所述的自旋逻辑器件，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

12.如权利要求10所述的自旋逻辑器件，其中，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，且

13.如权利要求10所述的自旋逻辑器件，其中，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。

14.一种自旋逻辑器件，包括：

自旋霍尔效应SHE偏置层，其由具有自旋霍尔效应并且能提供磁偏置的导电材料制成，并且用于接收沿第一方向的第一输入电流和沿第二方向的第二输入电流，所述第一方向与所述第二方向交叉；

其中，所述SHE偏置层向所述自由磁层施加沿第三方向的偏置磁场，所述第三方向在所述第一方向和所述第二方向的合成方向上。

15.如权利要求14所述的自旋逻辑器件，其中，所述SHE偏置层由IrMn、PtMn或AuMn制成。

16.如权利要求14所述的自旋逻辑器件，其中，所述自旋逻辑器件能通过设置所述第一输入电流和所述第二输入电流的方向而配置为逻辑与门和逻辑或门，或者配置为逻辑非门、逻辑与非门和逻辑或非门。

17.一种电子设备，包括权利要求1至16中的任一项所述的自旋逻辑器件。

18.如权利要求17所述的电子设备，其中，所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。