[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

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及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。

背景技术

面对大数据时代的海量信息挑战，存储与处理融合新型信息器件被认为是突破传统冯诺依曼计算机体系架构瓶颈的关键。纳米级兼具信息存储和处理功能的电子器件是未来大规模并行运算的基石。信息存储可以通过不同两种物理状态表征“0”“1”实现，如相变存储器的非晶态和晶态，磁存储器的电子自旋平行态和反平行态，阻变存储器的导电通道形成和断开两种状态等。数字式逻辑运算是已成熟应用于计算机信息处理方式。

相变磁性材料集相变材料与稀磁半导体材料特性于一体，不仅具有相变材料快速可逆的结构变化特点，而且将自旋有效引入到相变材料中。相变磁性材料的光、电、磁等特性会随着材料在晶态与非晶态之间发生可逆相变而发生变化，从而可实现通过光致相变或电致相变来调控材料的磁特性。这一新奇特性被展望可用于新型自旋电子器件中，应用于未来信息存储和逻辑运算领域中。然而，迄今而至，相变磁性材料的研究仍然停留在材料特性探索，而后续的器件制备以及功能设计仍然未见相关文献报道，而这些方面对于未来相变磁性材料的实际应用极为关键。因此，需要针对相变磁性材料的新奇特性，设计现有电子器件所不具备的新型器件功能和操作方法。

发明内容

针对现有技术的以上不足和迫切需求，本发明的目的在于提供了一种基于相变磁性材料的能同时实现逻辑运算和信息非易失性存储的逻辑器件。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，其中相变磁性材料由一种相变材料基质中掺杂铁磁性元素构成，材料的磁性能够通过非晶态-晶态相变来可逆调控。

本发明提供了一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件，包括磁头以及依次附着于衬底上的底电极、绝缘层、相变磁性薄膜和顶电极；所述衬底包括硅衬底以及附着于所述硅衬底上的有源区；所述底电极包括N型硅层、P型硅层和加热层；所述N型硅层和所述P型硅层形成PN二极管结构；加热层的尺寸小于P型硅层的尺寸；所述相变磁性材料薄膜沉积在所述绝缘层上并与所述加热层形成电接触；所述顶电极和所述底电极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；所述磁头用于检测相变磁性材料的磁状态，所述磁头包括基底、依次附着于所述基底上的第一磁屏蔽层、磁阻传感器以及第二磁屏蔽层；当磁头检测某个器件的磁状态时，第一磁屏蔽层和第二磁屏蔽层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。

其中，所述相变磁性材料薄膜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％。

其中，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。

其中，所述相变磁性材料薄膜为Ge₂Sb₂Te₅、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₁Sb₄Te₇、GeTe、GeSb、Sb₂Te₃、Sb₇₀Te₃₀、Ag₅In₅Sb₆₀Te₃₀、Bi₂Te₃或Sb₂Se₃。所述的铁磁性元素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。