[发明专利]多阻态自旋电子器件、读写电路及存内布尔逻辑运算器

说明书

本发明公开了一种多阻态自旋电子器件，包括：顶电极、底电极，分别与读写电路连接；磁隧道结，位于两电极间，从上至下依次包括：铁磁参考层、势垒隧穿层、铁磁自由层以及自旋轨道耦合层。铁磁自由层两端设置成核中心，用于产生磁畴壁；自旋轨道耦合层与底电极相连，施加写入脉冲时，产生电子自旋流，并通过自旋轨道矩驱动磁畴壁移动；自旋轨道耦合层与铁磁自由层界面设置多个局域磁畴壁钉扎中心，用于增强界面间反对称交换作用系数强度。器件通过调控自旋耦合矩和反对称交换作用强度，分别驱动和钉扎铁磁自由层中的磁畴壁，在全电场条件下实现多阻态切换；本发明进一步公开了一种基于此多阻态自旋电子器件的存算一体布尔逻辑及全加运算器。

技术领域

本发明涉及信息存储技术领域，尤其是涉及一种多阻态自旋电子器件、读写电路及存内布尔逻辑运算器。

背景技术

以完成以数据为中心的实时任务，如自动驾驶的密集边缘计算、物联网和神经网络计算等，存算一体(In-memory Computing,IMC)高性能器件的开发正在成为学术界和产业界的研究热潮。IMC的关键概念是在内存中嵌入逻辑单元，以更好地利用外部和内部内存带宽，使数据通信能量和延迟的效率显著提高，并在内存中为数据处理提供了内在的并行性。最近报道了基于动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)的IMC架构。然而，它们也不可避免地面临着一些严重的问题，如高泄漏功率或初始数据被覆盖等，这些都阻碍了它们的进一步研究。

新型自旋电子信息器件，如基于Spin-Orbit Torque(SOT)驱动数据写入的SOT-MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory，磁性随机存储器)具有更具有竞争力的运行速度和能效性能，特别是具有独立读写路径,使其具有的优越耐久性。在存算一体功能的实现方面，自旋电子器件的逻辑运算主要依靠与晶体管的搭配，构成混合运算电路。其中包括利用晶体管组成“逻辑树”，实现基本的布尔逻辑运算；或是通过外部读写电路的辅助，在内存单元本身完成逻辑运算以及存储，避免了传统冯诺依曼结构中存在的“内存墙瓶颈”。

从目前的研究中，利用晶体管实现逻辑运算的工作普遍存在着器件数量多，面积开销大，以及存在静态功耗的问题，而利用非易失性存储单元完成逻辑运算以及结果存储的方式中，简单的布尔逻辑运算(如：AND、OR)可以简单地通过一步完成，但在设计稍微复杂的运算，要求多个逻辑组合时(例如全加运算)，就需要多个内存单元分步骤实现简单逻辑，并在过程当中不时地进行读取与回写操作，在延长操作时间的同时，也增加了电路所需能耗，不利于发挥存算一体技术的优势。这个问题在自旋电子器件，甚至其它非易失性存储器件当中普遍存在。因此，无论在SOT-MRAM单元阵列还是外围电路中，都迫切需要开发一种具有多功能的新型SOT-MTJ(自旋轨道矩-磁隧道结)器件来解决上述问题，实现高速、低功耗和降低设计复杂度。

发明内容

为了解决上述技术问题，提高逻辑运算的速度，降低逻辑运算的功耗以及降低逻辑运算的复杂程度，本发明公开了一种多阻态自旋电子器件、读写电路及存内布尔逻辑运算器，具体方案如下。

一种多阻态自旋电子器件，包括：

顶电极，用于与外接读取电路连接，读取信号；

底电极，用于与外接写入电路连接，以接收写入信号；以及

磁隧道结，包括：

铁磁参考层，设置在所述顶电极的下面；

铁磁自由层，设置在所述铁磁参考层的下面，所述铁磁自由层的磁化方向与所述铁磁参考层内磁场方向反平行，所述铁磁自由层两端设置有磁畴壁成核中心，用于产生磁畴壁；

势垒隧穿层，设置在所述铁磁参考层和所述铁磁自由层之间，用于隔离所述铁磁参考层和所述铁磁自由层；