[发明专利]一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法

权利要求书

1.一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，其特征在于，包括磁头(106)以及依次附着于衬底(101)上的底电极(102)、绝缘层(103)，相变磁性薄膜(104)和顶电极(105)；

所述衬底(101)包括硅衬底(101A)以及附着于所述硅衬底(101A)上的有源区(101B)；

所述底电极(102)包括N型硅层(102A)、P型硅层(102B)和加热层(102C)；所述N型硅层(102A)和所述P型硅层(102B)形成PN二极管结构；加热层(102C)的尺寸小于P型硅层(102B)的尺寸；

所述相变磁性材料薄膜(104)沉积在所述绝缘层(103)上并与所述加热层(102C)形成电接触；

所述顶电极(105)和所述底电极(102)均连接至外部的电脉冲信号；所述非易失性逻辑器件外部还存在一个磁场输入；所述磁场为与所述相变磁性薄膜(104)的二维平面平行的均匀可变磁场，所述磁场的强度为0～12000Oe；

所述磁头(106)用于检测相变磁性材料的磁状态，所述磁头(106)包括基底(106A)、依次附着于所述基底上的第一磁屏蔽层(106B)、磁阻传感器(106C)以及第二磁屏蔽层(106D)；

当磁头(106)检测某个器件的磁状态时，第一磁屏蔽层(106B)和第二磁屏蔽层(106D)用于屏蔽周围其他器件单元磁状态对磁头传感器的干扰，磁阻传感器(106C)用于检测器件中相变磁性材料的剩余磁化强度并将其转换为读电流输出。

2.如权利要求1所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变磁性材料薄膜(104)由一种相变材料基质掺杂铁磁性元素构成，组分表达式为A_xB_1-x，其中A为铁磁性元素，B为相变材料，0＜x≤30％。

3.如权利要求2所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变材料B为二元、三元或四元硫系化合物系列，包括Ge-Te、Sb-Te、Bi-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或Ag-In-Sb-Te及其混合合金。

4.如权利要求2所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述铁磁性元素A为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.如权利要求2或3所述的非易失性逻辑器件，其特征在于，所述相变磁性材料薄膜(104)为Fe_0.02Ge_0.98Te、Fe_0.08Ge_0.92Te、Fe_0.14Ge_0.86Te或Fe_0.25Ge_0.75Te。

6.一种非易失性逻辑操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过给非易失性逻辑器件中的顶电极(105)和有源区(101B)施加电脉冲信号，且给所述非易失性逻辑器件施加磁场；以电脉冲信号为一个逻辑输入Input A，以磁场为另一个逻辑输入Input B，以所述非易失性逻辑器件中的相变磁性材料的剩余磁感应强度B_r为逻辑输出Output，实现逻辑运算。

7.如权利要求6所述的非易失性逻辑操作方法，其特征在于，对于逻辑输入Input A，将电脉冲信号SET定义为逻辑1，电脉冲信号RESET定义为逻辑0；对于逻辑输入Input B，将磁场范围为0～500Oe的弱磁场定义为逻辑1，磁场范围为2500Oe～10000Oe的强磁场定义为逻辑0；对于逻辑输出Output，将范围为2.5emu／cc～20emu／cc的较强的磁感应强度B_r定义为逻辑输出0，将范围为0～1emu／cc的较微弱的磁感应强度B_r定义为逻辑输出1，从而实现实质蕴涵逻辑运算。