一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件的制作方法
【專利摘要】一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件，它是由磁性斯格明子信號(hào)生成器，用于磁性斯格明子信號(hào)傳輸?shù)拇偶{米軌道以及用于檢測(cè)磁性斯格明子的信號(hào)讀取裝置組成；磁性斯格明子信號(hào)生成器位于磁納米軌道發(fā)送端，磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置位于磁納米軌道接受端，磁納米軌道起到連接整個(gè)器件的作用；系統(tǒng)工作時(shí)由磁性斯格明子信號(hào)生成器將需要傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為磁性納米帶上的斯格明子，經(jīng)磁納米軌道傳輸后，位于末端的磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置讀取信號(hào)將信息還原為所需的電信號(hào)。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)電路中信號(hào)傳遞需要逐級(jí)放大的缺點(diǎn)，能夠極大的降低芯片內(nèi)用于信號(hào)傳遞所消耗的能量，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。
【專利說明】-種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件，旨在降低片內(nèi)信息傳輸 功率，屬于新型磁性器件【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展和芯片工作頻率的不斷提高，芯片功耗的急劇增大已 經(jīng)成為制約芯片性能的重要因素。另一方面，移動(dòng)平臺(tái)的興起也對(duì)芯片功耗提出了更高的 要求。而近年來研究發(fā)現(xiàn)的磁性斯格明子已經(jīng)被證明可以用于芯片內(nèi)二進(jìn)制信息的載體， 基于磁性斯格明子的芯片設(shè)計(jì)將有希望極大的降低芯片功耗。
[0003] 斯格明子（skyrmions)最初是由核物理學(xué)家Tony Skyrme在60年代發(fā)現(xiàn)的類粒 子（particle-like)拓?fù)浞€(wěn)定場(chǎng)結(jié)構(gòu)，被用于表述包括帶電粒子、液晶、玻爾茲曼-愛因斯 坦凝聚態(tài)到量子霍爾效應(yīng)在內(nèi)的各種不同環(huán)境中的類似數(shù)學(xué)對(duì)象。2009年第一次在實(shí)驗(yàn)中 發(fā)現(xiàn)了磁性斯格明子，這是一種具有潤旋結(jié)構(gòu)的手性自旋結(jié)構(gòu)（chiral spin structures with a whirling configuration)屬于斯格明子的一種?？梢援a(chǎn)生于生長在強(qiáng)自旋軌道奉禹 合金屬層之上的整塊鐵磁層或者納米薄膜上。
[0004]磁性斯格明子具有以下幾個(gè)特性使得將其作為二進(jìn)制信息存儲(chǔ)單元可能取得較 于傳統(tǒng)CMOS結(jié)構(gòu)極大的優(yōu)勢(shì)：
[0005] 1、磁性斯格明子的尺寸可以做到很小，通過控制產(chǎn)生磁性斯格明子的材料特性和 一些外加條件?？梢允沟卯a(chǎn)生的磁性斯格明子直徑小于10納米，極端可以小于1納米。因 此可以把產(chǎn)生磁性斯格明子的納米薄膜寬度減小到小于10納米，能夠有效的提升傳輸信 息的密度。
[0006] 2、磁性斯格明子具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，相較于磁性潤旋結(jié)構(gòu)（magnetic vortices)和磁性類氣泡結(jié)構(gòu)（magnetic bubbles)更加穩(wěn)定，能夠在器件存在工藝缺陷的 情況下保持穩(wěn)定。
[0007] 3、磁性斯格明子具有和磁疇壁類似的電流誘導(dǎo)輸運(yùn)（current-induced motion) 性質(zhì)。在磁性納米薄膜軌道中通入電流，磁性斯格明子會(huì)受到自旋矩作用，發(fā)生移動(dòng)。由此 可以使用電流驅(qū)動(dòng)的磁性斯格明子輸運(yùn)進(jìn)行二進(jìn)制的信息傳遞。并且與磁疇壁相比，操作 磁性斯格明子所需的啟動(dòng)電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁疇壁的啟動(dòng)電流密度，僅為后者的百萬分之 一，其相對(duì)于磁疇壁具有更加優(yōu)良的低功耗性能。
[0008] 4、磁性斯格明子可以通過在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的金屬上生長的鐵磁層中注入 自旋極化電流來產(chǎn)生，可以在鐵磁層中切口尖端處被消除。從而可以實(shí)現(xiàn)信息傳遞過程中 信息載體的產(chǎn)生與消除。
[0009] 在傳統(tǒng)的芯片中，有很大一部分功耗都是用于信息傳遞。傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中為了實(shí) 現(xiàn)前級(jí)信號(hào)驅(qū)動(dòng)后級(jí)，需要不斷的對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，占了整個(gè)芯片功耗的很大一部分。如果 使用磁性斯格明子作為信號(hào)的載體，由于其在輸運(yùn)過程中不需要進(jìn)行逐級(jí)放大，將有可能 極大的降低芯片內(nèi)部用于信號(hào)傳遞而產(chǎn)生的功耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 1.發(fā)明目的：
[0011] 針對(duì)上述背景中提到的對(duì)芯片低功耗的需求和磁性斯格明子具有的優(yōu)良性質(zhì)，本 發(fā)明提供了一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件。它克服了傳統(tǒng)電路中信號(hào)傳遞需 要逐級(jí)放大的缺點(diǎn)，能夠極大的降低芯片內(nèi)用于信號(hào)傳遞所消耗的能量，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。
[0012] 2.技術(shù)方案：
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件，如圖1所不， 其特征是該信息傳輸器件由磁性斯格明子信號(hào)生成器，用于磁性斯格明子信號(hào)傳輸?shù)拇偶{ 米軌道以及用于檢測(cè)磁性斯格明子的信號(hào)讀取裝置組成。它們之間的位置連接關(guān)系是：磁 性斯格明子信號(hào)生成器位于磁納米軌道發(fā)送端，即圖示左端；磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置 位于磁納米軌道接受端，即圖示右端；磁納米軌道起到連接整個(gè)器件的作用。系統(tǒng)工作時(shí)由 磁性斯格明子信號(hào)生成器將需要傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為磁性納米帶上的斯格明子，經(jīng)磁納米軌 道傳輸后，位于末端的磁性斯格明子信號(hào)信號(hào)讀取裝置讀取信號(hào)將信息還原為所需的電信 號(hào)。
[0014] 所述器件中磁性斯格明子信號(hào)生成器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上到下分別為數(shù)據(jù) 線，強(qiáng)自旋極化層，鐵磁層，強(qiáng)自旋軌道耦合層，彼此之間相互接觸連接；該數(shù)據(jù)線是金屬導(dǎo) 電材料，為長條形金屬薄膜結(jié)構(gòu)，用于將需要發(fā)送的電信號(hào)傳輸至磁性斯格明子信號(hào)生成 器；該強(qiáng)自旋極化層是指具有強(qiáng)自旋極化能帶結(jié)構(gòu)的材料，如Pd，用于將普通電流轉(zhuǎn)化為 具有自旋極化的自旋極化電流，形狀可以呈圓柱形或方形；該鐵磁層和強(qiáng)自旋軌道耦合層 為磁納米軌道部分；鐵磁層用于形成磁性斯格明子，并能夠使生成的磁性斯格明子在自旋 極化電流作用下沿垂直方向運(yùn)動(dòng)；該強(qiáng)自旋軌道耦合層用于產(chǎn)生生成磁性斯格明子所需的 DMI效應(yīng)。
[0015] 所述器件中磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，從上到下分別為數(shù)據(jù) 線，參考層，金屬氧化物層，鐵磁層，強(qiáng)自旋軌道耦合層，電流脈沖線，彼此之間相互接觸連 接；該數(shù)據(jù)線是金屬導(dǎo)電材料，用于傳輸讀取后的電信號(hào)，為長條形金屬薄膜結(jié)構(gòu)；該參考 層是自旋極化方向固定的CoFeB，呈圓柱形或方形的薄膜結(jié)構(gòu)，電流在通過鐵磁層與參考 層之后會(huì)因?yàn)殍F磁層磁化結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生不同的電壓高低，從而讀取鐵磁層磁化結(jié)構(gòu)中包 含的信息；該金屬氧化物層是MgO, A1203等金屬氧化物，用于產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，形狀與參考層 保持一致；該鐵磁層和強(qiáng)自旋軌道耦合層為納米軌道部分；鐵磁層用于接收從磁納米軌道 傳到的磁化結(jié)構(gòu)信息，強(qiáng)自旋軌道耦合層則用于產(chǎn)生生成與保持磁性斯格明子所需的DMI 效應(yīng)；該電流脈沖線是金屬導(dǎo)電材料，用于傳輸讀取信息的電脈沖，其形狀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)線相 同。
[0016] 所述器件中磁納米軌道結(jié)構(gòu)從上到下為鐵磁層和強(qiáng)自旋軌道耦合層，兩層之間相 互接觸連接；該鐵磁層指由具有垂直各向異性的鐵磁性材料，一般為Fe構(gòu)成的納米薄膜， 其功能是產(chǎn)生和傳遞磁性斯格明子；該強(qiáng)自旋軌道耦合層指具有較大自旋軌道耦合矩的材 料，如Ir，Pt等重金屬材料，其功能是產(chǎn)生生成與保持磁性斯格明子所需的DMI效應(yīng)。磁納 米軌道其末端結(jié)構(gòu)如圖4所示，在鐵磁納米帶末端刻蝕一個(gè)三角狀刻痕，用于消除已經(jīng)讀 取過數(shù)據(jù)后的磁性斯格明子；
[0017] 所述器件的特點(diǎn)是先將需要傳輸?shù)亩M(jìn)制電信號(hào)通過自旋極化注入轉(zhuǎn)化為磁納 米軌道上的磁性斯格明子序列，該電信號(hào)以高電平代表邏輯"1"，低電平代表邏輯"0"，當(dāng) 信號(hào)為高電平時(shí)電流通過強(qiáng)自旋極化層后轉(zhuǎn)化為自旋極化電流對(duì)磁納米軌道前端進(jìn)行局 部自旋極化注入，從而在磁納米軌道前端產(chǎn)生一個(gè)磁性斯格明子，表示邏輯" 1"，處于低電 平時(shí)沒有自旋極化電流的注入，磁納米軌道保持保持鐵磁磁化狀態(tài)。新生成的磁性斯格明 子受到磁納米軌道上脈沖驅(qū)動(dòng)電流的作用，在磁納米軌道中發(fā)生輸運(yùn)，從磁性斯格明子信 號(hào)生成器端輸運(yùn)至讀取端。讀取端通入與輸入端需發(fā)送電信號(hào)同步的讀取電流脈沖，在讀 取端存在磁性斯格明子時(shí)表現(xiàn)為低阻態(tài)，高電平，也即是邏輯"1";在讀取端沒有磁性斯格 明子時(shí)表現(xiàn)為高阻態(tài)，低電平，即邏輯"0"，由此在磁納米軌道末端，讀取裝置將存儲(chǔ)于磁性 斯格明子序列中的信息還原為所需的電信號(hào)，從而完成了從發(fā)送端到接收端的信息傳遞過 程。
[0018] 其中，讀取電流脈沖與驅(qū)動(dòng)電流脈沖具有相同的脈沖寬度，但是相位相差九十度。 保證當(dāng)讀取電流脈沖為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流脈沖為低電平，這時(shí)由于沿磁納米軌道徑向的驅(qū) 動(dòng)電流為零，磁性斯格明子停止移動(dòng)。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小和磁納米軌道長度的關(guān)系可 以使得攜帶對(duì)應(yīng)信息的磁性斯格明子態(tài)或鐵磁態(tài)在讀取脈沖到達(dá)時(shí)恰好位于磁性斯格明 子信號(hào)讀取裝置中。此時(shí)電流將沿垂直方向流過磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置，從而根據(jù)磁 性斯格明子信號(hào)讀取裝置中磁化狀態(tài)為磁性斯格明子或是鐵磁態(tài)，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生高電平或低 電平，還原發(fā)送信號(hào)。
[0019] 其中，發(fā)送端的強(qiáng)自旋極化層為圓形，方形或橢圓形，寬度或直徑小于磁納米軌道 的寬度。
[0020] 3.優(yōu)點(diǎn)和功效：
[0021] 本發(fā)明提供一種基于磁性斯格明子的低功耗芯片內(nèi)部信號(hào)傳輸器件。該器件可以 實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部從納米尺度到微米尺度的信號(hào)傳輸功能。由于該器件基于磁性斯格明子傳輸 信號(hào)，傳輸電流密度小，過程中無需放大，與傳統(tǒng)的使用多級(jí)緩沖器進(jìn)行信號(hào)傳輸相比，具 有低功耗，信息不易失真的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為磁性斯格明子信號(hào)發(fā)送端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3為磁性斯格明子信號(hào)接收端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖4為磁納米軌道的末端俯視圖；
[0026] 圖5為該器件的工作原理示意圖；
[0027] 圖6為該器件寫入數(shù)據(jù)信號(hào)、讀取電流脈沖信號(hào)、讀取裝置輸出數(shù)據(jù)信號(hào)以及驅(qū) 動(dòng)電流脈沖信號(hào)時(shí)序圖；
[0028] 圖1、圖2、圖3、圖5中箭頭均表示電流方向；
[0029] 圖2、圖3中虛線包括區(qū)域表示該部分為磁納米軌道一部分；
[0030] 圖4,圖5中末端的三角表示使用光刻等方法在磁納米軌道末端的鐵磁層刻蝕的 尖銳刻痕；
[0031] 圖6中"1"代表高電平，"0"代表低電平，"z"代表高阻態(tài)。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 本發(fā)明提供一種基于磁性斯格明子的低功耗芯片內(nèi)信號(hào)傳輸器件。參照附圖，進(jìn) 一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。附圖均為示意圖，其中涉及的各功能層或區(qū)域的厚度，面積 與體積等參數(shù)并非實(shí)際尺寸。
[0033] 在此公開了詳細(xì)的示例性實(shí)施例，其特定的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)僅是描述特定實(shí) 施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實(shí)施本發(fā)明，且本發(fā)明不應(yīng)該被理解為僅僅 局限于在此提出的示例實(shí)施例，而是應(yīng)該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價(jià)物和可 替換物。另外，將不會(huì)詳細(xì)描述或?qū)⑹÷员景l(fā)明的眾所周知的元件，器件與子電路，以免混 淆本發(fā)明的實(shí)施例的相關(guān)細(xì)節(jié)。
[0034] 圖1為本發(fā)明提出的基于磁性斯格明子的芯片內(nèi)部信號(hào)傳輸器件示意圖；
[0035] 該器件基本結(jié)構(gòu)從左到右分別為磁性斯格明子信號(hào)發(fā)送端，磁納米軌道以及磁性 斯格明子信號(hào)接收端。磁納米軌道由兩層構(gòu)成，下方是具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層，一 般為Pt，Ir等金屬；在這層重金屬層之上生長一層小于10nm且具有垂直各向異性的的鐵磁 材料薄層，一般為鐵薄層或鐵單原子層。由于強(qiáng)自旋軌道耦合金屬與垂直各向異性的鐵磁 薄層之間的Dzyaloshinskii - Moriya interactions (DMI)，導(dǎo)致經(jīng)局部自旋極化電流注入 后在鐵磁層對(duì)應(yīng)位置能夠產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的磁性斯格明子。磁納米軌道的兩端分別連接的是 兩條金屬導(dǎo)線，負(fù)責(zé)傳導(dǎo)用于驅(qū)動(dòng)磁性斯格明子從左至右輸運(yùn)的驅(qū)動(dòng)電流。該驅(qū)動(dòng)電流應(yīng) 為周期恒定的脈沖電流，電流大小和持續(xù)時(shí)間應(yīng)根據(jù)磁納米軌道上生成磁性斯格明子信號(hào) 和讀取磁性斯格明子信號(hào)的兩端間距以及所希望達(dá)到的傳輸速率來決定，具體將在圖5的 原理描述中詳細(xì)介紹。
[0036] 位于磁性斯格明子信號(hào)發(fā)送端的是磁性斯格明子信號(hào)生成器，它的主要工作原理 是通過自旋極化電流注入，將需要傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)化為磁納米軌道上的磁性斯格明子，詳 見圖2的實(shí)施方式。位于另一端的是磁性斯格明子信號(hào)接收裝置，它的主要作用是將從發(fā) 送端發(fā)來的磁性斯格明子信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原，詳見圖3的實(shí)施方式。 而在這一段的末端鐵磁層上刻蝕有一個(gè)尖銳的刻痕，負(fù)責(zé)消除已經(jīng)讀取過后的磁性斯格明 子，詳見圖4的實(shí)施方式。
[0037] 圖2為本發(fā)明中磁性斯格明子信號(hào)生成器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 該器件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)磁納米軌道的鐵磁層發(fā)送端進(jìn)行局部自旋極化注入。數(shù)據(jù)線由 金屬導(dǎo)體制成，強(qiáng)自旋極化層一般為Pd等具有強(qiáng)自旋極化能帶結(jié)構(gòu)的金屬。需要發(fā)送的電 信號(hào)經(jīng)由數(shù)據(jù)線傳輸，穿過強(qiáng)自旋極化層后，非極化電流被轉(zhuǎn)化為自旋極化電流。當(dāng)電信號(hào) 為高電平時(shí)，電信號(hào)對(duì)磁納米軌道鐵磁層進(jìn)行局部自旋極化注入，在自旋極化注入的位置 產(chǎn)生一個(gè)磁性斯格明子；若電信號(hào)為低電平，則沒有自旋極化電流注入鐵磁層，鐵磁層保持 鐵磁態(tài)。保持驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)電流脈沖為低時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，驅(qū)動(dòng)電流為高時(shí)，無數(shù)據(jù)寫入。 這樣每產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)寫入，無論是磁性斯格明子還是鐵磁態(tài)，都會(huì)在下一時(shí)刻被磁納米軌 道上的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)輸運(yùn)出磁性斯格明子信號(hào)生成器，從而在磁納米軌道上產(chǎn)生一個(gè)由寫 入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的磁性斯格明子序列。該序列即是將原有電信號(hào)轉(zhuǎn)化為的磁性斯格明子信號(hào)。
[0039] 圖3為本發(fā)明中磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置示意圖；
[0040] 該裝置中電流脈沖線與數(shù)據(jù)線采用金屬導(dǎo)體制成，用于傳導(dǎo)電信號(hào)。參考層由具 有固定自旋極化結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成，并且保證其自旋極化狀態(tài)保持不變。參考層的自旋極化 狀態(tài)可以是沿某一固定方向，垂直上或者下，也可以是與產(chǎn)生磁性斯格明子極化方向相同 的類螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流自讀取電流脈沖線穿過磁納米軌道后，由于此時(shí)磁納米軌道接收端 僅有讀取裝置的數(shù)據(jù)線導(dǎo)通，其余通路為高阻態(tài)，絕大部分電流將沿圖3所示電流方向移 動(dòng)。
[0041] 當(dāng)電流穿過磁納米軌道時(shí)，其自旋極化分布的改變也主要取決于此時(shí)位于金屬氧 化層下方的磁納米軌道局部的自旋分布。若此時(shí)恰有一磁性斯格明子位于該位置，則讀取 脈沖電流自旋狀態(tài)將變化為與磁性斯格明子相關(guān)的自旋極化分布狀態(tài)。該極化電流通過量 子隧穿效應(yīng)穿過金屬氧化物層，與參考層的自旋極化狀態(tài)相互作用。若該極化電流與參考 層自旋狀態(tài)相近，由于自旋相關(guān)的電子散射理論，此時(shí)電子將遇到較小的阻礙，即整個(gè)讀取 裝置等效電阻較小，數(shù)據(jù)線輸出高電平。反之，如果當(dāng)讀取電流脈沖到達(dá)磁納米軌道時(shí)，處 于金屬氧化層下方?jīng)]有磁性斯格明子，則隧穿后極化電流自旋狀態(tài)將與參考層差別較大， 從而將產(chǎn)生較大的阻礙，整個(gè)讀取裝置此時(shí)呈現(xiàn)高阻態(tài)，數(shù)據(jù)線輸出高電平。另外當(dāng)沒有讀 取電流脈沖到達(dá)時(shí)，通過控制電流脈沖線和數(shù)據(jù)線的CMOS電流使兩條線均處于高阻態(tài)，可 以避免此時(shí)在磁納米軌道中的驅(qū)動(dòng)電流穿過金屬氧化物層和參考層，具體電流時(shí)序?qū)⒃趫D 6實(shí)現(xiàn)方式中詳細(xì)闡述。
[0042] 圖4為磁納米軌道位于讀取裝置之后的末端示意圖。該部分的主要作用是消除已 經(jīng)讀取過的磁性斯格明子，避免對(duì)還未讀取的磁性斯格明子序列產(chǎn)生干擾。圖示中位于末 端的三角結(jié)構(gòu)為使用光刻等方法在磁納米軌道鐵磁層末端刻蝕的一尖銳刻痕。由于磁性斯 格明子具有拓?fù)鋱?chǎng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，當(dāng)其在電流作用下輸運(yùn)至該尖銳刻痕處時(shí)，其拓?fù)鋱?chǎng)將受到 破環(huán)，從而達(dá)到消除磁性斯格明子的目的。
[0043] 圖5為本發(fā)明的工作原理示意圖；
[0044] 需要發(fā)送的數(shù)據(jù)以邏輯表示，以電信號(hào)形式輸入發(fā)送端。圖中需要發(fā)送的 電信號(hào)以高電平代表邏輯" 1"，低電平代表邏輯"0"。每一個(gè)有效數(shù)據(jù)間間隔一個(gè)高阻態(tài)， 以確保每一個(gè)數(shù)據(jù)寫入之前，前一個(gè)數(shù)據(jù)寫入的信息已經(jīng)在磁納米軌道上被輸運(yùn)出磁性斯 格明子信號(hào)生成器。器件在工作時(shí)，每當(dāng)一個(gè)有效的數(shù)據(jù)被寫入到磁納米軌道上，下一時(shí) 亥IJ，寫入通路即變?yōu)楦咦钁B(tài)，磁納米軌道上的驅(qū)動(dòng)電流脈沖置為高電平，已經(jīng)寫入的磁性斯 格明子或鐵磁態(tài)在驅(qū)動(dòng)電流的作用下在磁納米軌道上從發(fā)送端往接收端運(yùn)動(dòng)。由于磁性斯 格明子在磁納米軌道的輸運(yùn)速度與驅(qū)動(dòng)電流密度成正比，假設(shè)需要傳輸?shù)木嚯x為L，則通過 控制驅(qū)動(dòng)電流密度可以使得磁性斯格明子在磁納米軌道中每個(gè)時(shí)鐘周期的輸運(yùn)距離為L/ n，其中η為大于1的整數(shù)。這樣在發(fā)送端發(fā)出的磁性斯格明子可以在η個(gè)時(shí)鐘周期后恰好 到達(dá)讀取裝置。驅(qū)動(dòng)電流密度最小應(yīng)為1〇 6ΑπΓ2,根據(jù)系統(tǒng)對(duì)讀取延遲以及磁納米軌道上相 鄰磁性斯格明子間距離要求得出相應(yīng)的電流密度。相鄰磁性斯格明子間距離應(yīng)保證相鄰磁 性斯格明子之間相互作用力可忽略，該距離根據(jù)不同的磁納米軌道結(jié)構(gòu)可以通過理論推導(dǎo) 得出，一般為50納米左右。
[0045] 磁性斯格明子到達(dá)讀取裝置以后，讀取裝置給予一個(gè)讀取電流脈沖，根據(jù)此時(shí)讀 取裝置內(nèi)是否有磁性斯格明子可以輸出高電平或低電平。讀取裝置輸出即為所讀取的數(shù) 據(jù)，正常工作時(shí)，該數(shù)據(jù)應(yīng)與發(fā)送端數(shù)據(jù)一致。為了實(shí)現(xiàn)讀取時(shí)局部電流均垂直通過讀取裝 置，讀取電流脈沖為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電脈沖端及其對(duì)應(yīng)漏極應(yīng)為高阻態(tài)，只有讀取數(shù)據(jù)輸出 端有電流存在。被讀取過的磁性斯格明子在磁納米軌道末端拓?fù)浞€(wěn)定場(chǎng)受到尖銳刻痕的破 壞，被從磁納米軌道上消除。
[0046] 圖6為本發(fā)明中所涉及的幾種電流時(shí)序圖；
[0047] 應(yīng)保證寫入通路和讀取通路的同時(shí)開斷，即同時(shí)取得高阻態(tài)。當(dāng)兩者同時(shí)取得高 阻態(tài)時(shí)磁納米軌道上的驅(qū)動(dòng)電流置為高電平，磁納米軌道上磁性斯格明子序列開始向讀取 端方向輸運(yùn)。當(dāng)寫入通路開始寫數(shù)據(jù)，讀取通路開始讀數(shù)據(jù)時(shí)，磁納米軌道上驅(qū)動(dòng)端保持高 阻態(tài)，保證此時(shí)磁性斯格明子序列停留在原處。由于發(fā)送端和接收端相隔幾百納米到幾微 米，此時(shí)寫入電路與讀取電路相互影響可忽略。圖中所示情況即為發(fā)送一列"101110111" 數(shù)據(jù)，發(fā)送端寫入數(shù)據(jù)將每一個(gè)有效數(shù)據(jù)之間加入一個(gè)高阻態(tài)，保證每一次寫入時(shí)，上一次 寫入的數(shù)據(jù)已經(jīng)被發(fā)送到磁納米軌道上。讀取裝置在延遲3個(gè)時(shí)鐘周期后收到了所需的發(fā) 送端數(shù)據(jù)。其中延遲的時(shí)鐘周期數(shù)可以通過器件設(shè)計(jì)時(shí)的磁納米軌道長度和驅(qū)動(dòng)電流密度 事先給定。除去延遲的時(shí)鐘周期后即可得到所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件，其特征在于：它是由磁性斯格明子信 號(hào)生成器，用于磁性斯格明子信號(hào)傳輸?shù)拇偶{米軌道以及用于檢測(cè)磁性斯格明子的信號(hào)讀 取裝置組成；磁性斯格明子信號(hào)生成器位于磁納米軌道發(fā)送端，磁性斯格明子信號(hào)讀取裝 置位于磁納米軌道接受端，磁納米軌道起到連接整個(gè)器件的作用；系統(tǒng)工作時(shí)由磁性斯格 明子信號(hào)生成器將需要傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為磁性納米帶上的斯格明子，經(jīng)磁納米軌道傳輸 后，位于末端的磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置讀取信號(hào)將信息還原為所需的電信號(hào)； 所述磁性斯格明子信號(hào)生成器，其結(jié)構(gòu)從上到下分別為數(shù)據(jù)線、強(qiáng)自旋極化層、鐵磁層 和強(qiáng)自旋軌道耦合層，彼此之間相互接觸連接；該數(shù)據(jù)線是金屬導(dǎo)電材料，為長條形金屬薄 膜結(jié)構(gòu)，用于將需要發(fā)送的電信號(hào)傳輸至磁性斯格明子信號(hào)生成器；該強(qiáng)自旋極化層是指 具有強(qiáng)自旋極化能帶結(jié)構(gòu)的材料，用于將普通電流轉(zhuǎn)化為具有自旋極化的自旋極化電流， 形狀呈圓柱形或方形；該鐵磁層和強(qiáng)自旋軌道耦合層為磁納米軌道部分；鐵磁層用于形成 磁性斯格明子，并能夠使生成的磁性斯格明子在自旋極化電流作用下沿垂直方向運(yùn)動(dòng)；該 強(qiáng)自旋軌道耦合層用于產(chǎn)生生成磁性斯格明子所需的DMI效應(yīng)； 所述磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置結(jié)構(gòu)從上到下分別為數(shù)據(jù)線、參考層、金屬氧化物層、 鐵磁層、強(qiáng)自旋軌道耦合層和電流脈沖線，彼此之間相互接觸連接；該數(shù)據(jù)線是金屬導(dǎo)電 材料，用于傳輸讀取后的電信號(hào)，為長條形金屬薄膜結(jié)構(gòu)；該參考層是自旋極化方向固定的 CoFeB，呈圓柱形或方形的薄膜結(jié)構(gòu)，電流在通過鐵磁層與參考層之后會(huì)因?yàn)殍F磁層磁化結(jié) 構(gòu)的不同產(chǎn)生不同的電壓高低，從而讀取鐵磁層磁化結(jié)構(gòu)中包含的信息；該金屬氧化物層 是MgO, A1203金屬氧化物，用于產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，形狀與參考層保持一致；該鐵磁層和強(qiáng)自旋 軌道耦合層為納米軌道部分；鐵磁層用于接收從磁納米軌道傳到的磁化結(jié)構(gòu)信息，強(qiáng)自旋 軌道耦合層則用于產(chǎn)生生成與保持磁性斯格明子所需的DMI效應(yīng)；該電流脈沖線是金屬導(dǎo) 電材料，用于傳輸讀取信息的電脈沖，其形狀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)線相同； 所述磁納米軌道結(jié)構(gòu)從上到下為鐵磁層和強(qiáng)自旋軌道耦合層，兩層之間相互接觸連 接；該鐵磁層指由具有垂直各向異性的鐵磁性材料，為Fe構(gòu)成的納米薄膜，其功能是產(chǎn)生 和傳遞磁性斯格明子；該強(qiáng)自旋軌道耦合層指具有較大自旋軌道耦合矩的材料，為Ir，Pt 重金屬材料，其功能是產(chǎn)生生成與保持磁性斯格明子所需的DMI效應(yīng)；磁納米軌道其末端 刻蝕一個(gè)三角狀刻痕，用于消除已經(jīng)讀取過數(shù)據(jù)后的磁性斯格明子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件，其特征在于： 該讀取電流脈沖與驅(qū)動(dòng)電流脈沖具有相同的脈沖寬度，但是相位相差九十度；保證當(dāng)讀取 電流脈沖為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電流脈沖為低電平，這時(shí)由于沿磁納米軌道徑向的驅(qū)動(dòng)電流為 零，磁性斯格明子停止移動(dòng)，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小和磁納米軌道長度的關(guān)系使得攜帶對(duì) 應(yīng)信息的磁性斯格明子態(tài)或鐵磁態(tài)在讀取脈沖到達(dá)時(shí)恰好位于磁性斯格明子信號(hào)讀取裝 置中，此時(shí)電流將沿垂直方向流過磁性斯格明子信號(hào)讀取裝置，從而根據(jù)磁性斯格明子信 號(hào)讀取裝置中磁化狀態(tài)為磁性斯格明子或是鐵磁態(tài)，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生高電平或低電平，還原發(fā) 送信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁性斯格明子的片上信息傳輸器件，其特征在于： 該發(fā)送端的強(qiáng)自旋極化層為圓形，方形或橢圓形，寬度或直徑小于磁納米軌道的寬度。
【文檔編號(hào)】G11B5/21GK104157297SQ201410340521
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】黃陽棋, 趙巍勝 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)