基于恒定自旋螺旋的自旋邏輯的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明特別涉及自旋邏輯器件(100)及相關(guān)方法。器件(100)包括：電子限制層(8、87、89)，將電子氣或2DEG限制在x方向和垂直于x方向的y方向包著的二維區(qū)域中，自旋邏輯器件針對(duì)2DEG配置以支持形成于其中的恒定自旋螺旋或PSH，給定自旋分量沿x方向以周期λ振蕩但不沿y方向振蕩；及多數(shù)邏輯電路(14)，該電路包括：一個(gè)或多個(gè)輸入器(1、1a、1b、1c、1c1、1c2、1d)，能被通電以在限制層的各個(gè)第一區(qū)域(10)中建立2DEG的各個(gè)局部自旋極化(3)，以形成各個(gè)PSH；及輸出器(4)，被配置為在限制層的第二區(qū)域(40)中檢測分別由一個(gè)或多個(gè)輸入器建立且通過一個(gè)或多個(gè)所產(chǎn)生的PSH擴(kuò)散的一個(gè)或多個(gè)局部自旋極化(3)所導(dǎo)致的2DEG的平均自旋極化(6)，其中第二區(qū)域(40)與任一第一區(qū)域(10)間的距離(d)在x方向上的投影等于nλ/a，n為整數(shù)，a等于2或4。
【專利說明】基于恒定自旋螺旋的自旋邏輯

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及實(shí)現(xiàn)邏輯電路的自旋邏輯器件的領(lǐng)域。更具體地說，涉及多數(shù)邏輯電路(majority logic circuit)。

【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)提出多個(gè)基于電子自旋的概念，如元胞自動(dòng)機(jī)(元胞自動(dòng)機(jī))。具體地，已有人提出自旋器件，該器件包括位于基底上方的自旋傳輸層(或STL)。連接到STL的是輸入電極和輸出電極。輸入電極充當(dāng)自旋注入接觸，并且由磁材料構(gòu)成,此磁材料被磁化為兩個(gè)可能的方向之一(自旋向上/向下)。通過在輸入電極與STL之間傳遞電流，自旋極化的電子可在位于輸入電極與STL之間的界面處的STL中累積。STL中該位置上的電子的自旋極化與輸入電極的磁化直接相關(guān)。即，STL中的自旋也是向上或向下。輸出電極轉(zhuǎn)換位于STL與輸出電極之間的界面處的局部自旋極化。自旋極化例如被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。充當(dāng)自旋注入接觸和自旋檢測接觸的輸入電極和輸出電極的概念在文獻(xiàn)中被很好地描述。另外，自旋放大的概念也是已知的,其中檢測電極的磁化將STL中的自旋極化接收過來(take over)。在輸入電極與輸出電極之間中，由輸入電極印刻的自旋極化通過擴(kuò)散或漂移傳播。
[0003]此外，已證示了如何能夠使用多數(shù)邏輯概念構(gòu)建邏輯門，其中若干個(gè)輸入電極使STL中的電子自旋發(fā)生極化，輸出電極檢測從這些輸入電極到輸出電極擴(kuò)散的平均自旋極化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)第一方面，本發(fā)明體現(xiàn)為一種自旋邏輯器件，包括:
[0005]電子限制層，其將電子氣或2DEG限制在由X方向和y方向包著(subtend)的二維區(qū)域中，所述y方向垂直于所述X方向，所述自旋邏輯器件針對(duì)所述2DEG配置以支持形成于其中的恒定自旋螺旋(persistent spin helix)或PSH,其中給定的自旋分量沿x方向以λ為周期振蕩，但不沿y方向振蕩；以及
[0006]邏輯電路，所述電路包括:一個(gè)或多個(gè)輸入器，其能夠被通電(energizable)以在所述限制層的各個(gè)第一區(qū)域中建立(create)所述2DEG的各個(gè)局部自旋極化，以便形成各個(gè)PSH;以及輸出器，其被配置為在所述限制層的第二區(qū)域中檢測由一個(gè)或多個(gè)局部自旋極化所導(dǎo)致的所述2DEG的平均自旋極化，其中所述一個(gè)或多個(gè)局部自旋極化分別由所述一個(gè)或多個(gè)輸入器建立并且通過一個(gè)或多個(gè)所產(chǎn)生的PSH擴(kuò)散，
[0007]其中，所述第二區(qū)域與任一個(gè)所述第一區(qū)域之間的距離在所述X方向上的投影等于η λ /a，其中n為整數(shù)，a等于2或4。
[0008]在實(shí)施例中，所述邏輯電路是多數(shù)邏輯電路，其包括三個(gè)或更多個(gè)輸入器，所述三個(gè)或更多個(gè)輸入器優(yōu)選地包括沿y方向?qū)?zhǔn)的三個(gè)輸入器。
[0009]具體地，所述多數(shù)邏輯電路可包括至少兩個(gè)邏輯輸入和一個(gè)控制輸入。
[0010]優(yōu)選地，所述輸出器被配置為針對(duì)以下檢測平均自旋極化:所述給定的自旋分量，如果a = 2 ;和/或垂直的自旋分量，如果a = 4且η為奇數(shù)。
[0011]根據(jù)實(shí)施例，所述自旋邏輯器件進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)輸入器的另外的集合，這些輸入器能夠被通電以在所述限制層的各個(gè)第三區(qū)域中建立所述2DEG的各個(gè)局部自旋極化，以便形成各個(gè)PSH，其中，任一個(gè)所述第三區(qū)域與任一個(gè)所述第一區(qū)域之間的距離在所述X方向上的投影等于I λ /a,其中I為整數(shù)，a等于2或4,優(yōu)選地I = η。
[0012]優(yōu)選地，所述輸出器是第一輸出器，并且所述自旋邏輯器件進(jìn)一步包括另外的輸出器，相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)輸入器，所述另外的輸出器與所述第一輸出器相反(opposite)，所述另外的輸出器被配置為檢測所述限制層的第四區(qū)域內(nèi)所述2DEG的自旋極化，所述第四區(qū)域與所述第一區(qū)域相距一距離，所述距離在X方向上的投影等于πιλ/a，其中m為整數(shù)，a等于2或4,并且其中優(yōu)選地m = η。
[0013]在優(yōu)選實(shí)施例中，所述自旋邏輯器件進(jìn)一步包括至少一個(gè)輸出器，所述至少一個(gè)輸出器相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)輸入器配置以檢測在所述限制層中沿y方向傳播的所述2DEG的平均自旋極化。
[0014]在實(shí)施例中，所述自旋邏輯器件包括半導(dǎo)體材料的三個(gè)或更多個(gè)層，所述電子限制層被形成在所述三個(gè)或更多個(gè)層中的一者內(nèi)，或者被形成在所述三個(gè)或更多個(gè)層中兩個(gè)鄰接的層之間的界面處。
[0015]典型地，所述半導(dǎo)體材料的層確定所述2DEG所暴露于的自旋-軌道相互作用或SOI的對(duì)稱性，以便所述2DEG適合于支持所述PSH。
[0016]例如，所述半導(dǎo)體材料的層限定給定體反演不對(duì)稱性(bulk invers1nasymmetry)和給定結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性,所述SOI的對(duì)稱性由所述給定體反演不對(duì)稱性和所述給定結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性確定。
[0017]所述輸入器可以是電極，其沿X方向的擴(kuò)展尺寸小于λ/2，并且優(yōu)選地小于λ/4。
[0018]優(yōu)選地，所述第二區(qū)域與最近的一個(gè)所述第一區(qū)域之間的距離等于η λ/a，其中η為整數(shù)，a等于2或4，并且其中優(yōu)選地a = 2且η = 4。
[0019]根據(jù)另一方面，本發(fā)明體現(xiàn)為一種操作根據(jù)上述任一個(gè)實(shí)施例所述的自旋邏輯器件的方法，所述方法包括:
[0020]對(duì)一個(gè)或多個(gè)所述輸入器通電；以及
[0021]經(jīng)由所述輸出器檢測所述2DEG的平均自旋極化。
[0022]在優(yōu)選實(shí)施例中，所述自旋邏輯器件的所述邏輯電路是包括至少兩個(gè)邏輯輸入和至少一個(gè)控制輸入的多數(shù)邏輯電路，并且所述通電包括對(duì)所述兩個(gè)邏輯輸入中的每一個(gè)和所述控制輸入通電以建立所述2DEG的各個(gè)局部自旋極化。
[0023]優(yōu)選地，已建立的自旋極化呈現(xiàn)出相反的自旋極化。
[0024]現(xiàn)在將通過非限制性實(shí)例并參考附圖描述體現(xiàn)本發(fā)明的器件和方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]-圖1是根據(jù)實(shí)施例的自旋邏輯器件的簡化表示的剖視圖；
[0026]-圖2A-C表示密度圖(直接映射，模擬的圖)，其中代表性輪廓已被強(qiáng)調(diào)，示例出在自旋注入之后，在三個(gè)不同時(shí)刻恒定自旋螺旋的形成；
[0027]-圖3-8示意性地示出根據(jù)實(shí)施例使用恒定自旋螺旋構(gòu)造邏輯門以將信息從自旋注入器傳播到輸出器。具體地:
[0028]-圖3A-B表示密度圖(直接映射，模擬的圖)，示例出在并行自旋注入時(shí)形成的恒定自旋螺旋。多數(shù)邏輯電路的部件的繪圖被疊加在密度圖上。自旋注入和檢測對(duì)應(yīng)于關(guān)于輸入A和B的“或”邏輯門運(yùn)算。
[0029]-圖3C-3D是圖3A-B的簡化表示；
[0030]-圖4A-B示意性地示例出“與”邏輯門運(yùn)算；
[0031]-圖5示例出反(非)運(yùn)算；
[0032]-圖6是計(jì)算(A或B)與D的組合邏輯門的實(shí)例；
[0033]-圖7示例出兩個(gè)邏輯門(A或B)以及(A與B)的構(gòu)造；
[0034]-圖8是實(shí)施例中額外包括的沿著自旋不振蕩的方向的“或”門實(shí)例；以及
[0035]-圖9示出實(shí)施例中包括的多數(shù)邏輯電路的細(xì)節(jié)。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面的描述構(gòu)成如下。首先，描述一般實(shí)施例和高級(jí)變形例(第I節(jié))。在第二節(jié)中討論技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
[0037]1.一般實(shí)施例和高級(jí)變形例
[0038]參考圖1，首先描述本發(fā)明的一個(gè)方面，此方面涉及自旋邏輯器件100。圖1是根據(jù)實(shí)施例的這種自旋邏輯器件的簡化表示的側(cè)視圖。簡言之，該視圖表示器件的組件，其中包括各種半導(dǎo)體材料的層7、8、9，以及自旋注入(輸入)器I和自旋檢測(輸出)器4。器件100被配置為允許形成恒定自旋螺旋(或PSH)，該自旋螺旋沿X方向具有周期λ，如在器件100上方使用符號(hào)表不的那樣。
[0039]更詳細(xì)地說，器件100首先包括電子限制層，后者將電子氣限制在二維區(qū)域(為簡單起見，該電子氣在下面相應(yīng)地表示為2DEG)中。該二維區(qū)域被垂直的X方向和y方向包著(y方向垂直于附圖的平面)。典型地，器件100包括半導(dǎo)體材料的三個(gè)或更多個(gè)層7、8、9:電子限制層例如在層8內(nèi)形成，或者在兩個(gè)鄰接的層7、8或9之間的界面87或89處形成。還可包括另外的層。層7、8、9本身可根據(jù)需要被分解為子層以實(shí)現(xiàn)具有適當(dāng)特性的2DEG。
[0040]然而，2DEG可僅被限制在半導(dǎo)體材料的一個(gè)層內(nèi)。在變形例中，電子限制層可在半導(dǎo)體材料層與另外的半導(dǎo)電、金屬性或絕緣材料層之間的界面處形成。
[0041]如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)將在下面詳細(xì)地介紹。目前，我們假設(shè)器件100 (具體地，半導(dǎo)體材料層7、8、9)可被設(shè)計(jì)為使得2DEG可支持螺旋自旋模式。更精確地，在2DEG2中形成的PSH應(yīng)該具有給定的自旋分量，例如Sz或Sx，該分量沿給定的平面內(nèi)方向(例如，X方向)以λ為周期振蕩，但不沿垂直的(平面內(nèi))y方向振蕩。
[0042]第二，器件100包括邏輯電路，該邏輯電路優(yōu)選地被配置作為多數(shù)邏輯電路。所述電路包括一個(gè)或多個(gè)輸入器I(圖1僅呈現(xiàn)一個(gè)此類輸入器)，即，自旋注入器，在被適當(dāng)?shù)赝娭螅鲚斎肫髟谙拗茖拥母鱾€(gè)第一區(qū)域10中建立2DEG的局部自旋極化3。在下文中，所述“第一區(qū)域”10也被稱為“輸入?yún)^(qū)域”或“自旋注入?yún)^(qū)域”。如果輸入器只是電極，如圖1的實(shí)例中所示，則第一區(qū)域10僅對(duì)應(yīng)于電極的位置(在X方向上)。其它類型的輸入器和自旋注入機(jī)構(gòu)將在下面進(jìn)行介紹。
[0043]此處假設(shè)的電子限制層的具體設(shè)計(jì)為:使得局部自旋激勵(lì)演變?yōu)镻SH。因此，局部自旋極化3將導(dǎo)致形成各個(gè)PSH，自旋極化通過所述PSH而“螺旋地”傳播，從而導(dǎo)致自旋振蕩，也如圖1中示意性地所示。因此，基于PSH的自旋傳播包括振蕩,不僅是自旋擴(kuò)散。
[0044]此外還提供自旋檢測器4(或簡稱為“輸出器”)以在限制層的第二區(qū)域40中檢測由通過PSH傳播的自旋極化所導(dǎo)致的2DEG的平均自旋極化6?！暗诙^(qū)域” 40在下文中也被稱為“輸出區(qū)域”或“檢測區(qū)域”。
[0045]從圖1可進(jìn)一步理解，為了正確地利用沿PSH擴(kuò)散的自旋極化信息，自旋注入?yún)^(qū)域10與檢測區(qū)域40之間的距離d必須根據(jù)沿X方向的振蕩周期λ設(shè)定。例如，在圖1中，檢測區(qū)域40與自旋注入?yún)^(qū)域10的距離為d= λ。然而，可進(jìn)一步地理解，檢測區(qū)域40可以在與第一區(qū)域10相隔d = λ /2的距離處設(shè)定。在d = λ /2處，極化僅相對(duì)于d = λ反轉(zhuǎn)。此外，檢測甚至可在d= λ/4處設(shè)定，前提是輸出器能夠檢測垂直的自旋極化。注意，在圖1中，輸入/輸出區(qū)域之間的距離對(duì)應(yīng)于輸入/輸出器之間的距離，因?yàn)樵谠撉闆r下，輸入/輸出器被假設(shè)是電極，這些電極允許在其各自沿X的位置處實(shí)現(xiàn)自旋注入/檢測。然而，情況并非總是如此，具體取決于所選擇的自旋注入/檢測機(jī)制。因此，輸入/輸出區(qū)域之間的距離d必須根據(jù)λ而非輸入/輸出器之間的距離設(shè)定。
[0046]到目前為止，上述距離d對(duì)應(yīng)于圖1中的X方向，因?yàn)楹笳呤瞧室晥D。現(xiàn)在，針對(duì)另一方向y (垂直于圖1中的剖視圖)的位置限制要不嚴(yán)格得多，這是因?yàn)樽孕龢O化沿y方向擴(kuò)散，而不振蕩?，F(xiàn)在參考圖2A-C描述這一點(diǎn)，圖2A-C示出了密度圖，表示通過模擬獲得的PSH形成(直接映射)。模擬的獲得歸功于使用蒙特-卡羅方法的定制程序，此方法將自旋擴(kuò)散和圍繞自旋-軌道場的自旋進(jìn)動(dòng)(spin precess1n)考慮進(jìn)去；使用GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)的典型材料參數(shù)。代表性輪廓已在密度圖中被強(qiáng)調(diào)。與圖1不同的是，初始自旋極化在該實(shí)例中沿z軸。密度圖在自旋注入之后的三個(gè)不同時(shí)刻(即，25、300和900ps)捕捉PSH的形成，注意，PSH的壽命為納秒級(jí)。注意，在此方面，檢測可最優(yōu)地與注入同步。將在注入之后的特定時(shí)間達(dá)到與輸入?yún)^(qū)域相距距離d處的最大振幅，該時(shí)間取決于自旋擴(kuò)散常數(shù)D并且由d2/D (典型地，對(duì)于GaAs量子阱且d = 5 μ m，為Ins)。所以，可通過改變輸入/輸出區(qū)域之間的距離d和/或選擇具有適當(dāng)參數(shù)的材料來調(diào)整定時(shí)(timing)。
[0047]在圖2A-C中可見，由于沿y觀察到的相當(dāng)“大”的擴(kuò)散，因此不需要在y = 0(即，與注入?yún)^(qū)域面對(duì)面(vis-0-vis))處設(shè)定檢測。形式上，所需要的是，第二區(qū)域40與第一區(qū)域I (或者更一般地，任一個(gè)注入?yún)^(qū)域)之間的距離d在X軸上的投影要與PSH的特征極化(characteristic polarizat1n)“ 同相(in-phase) ”。從數(shù)學(xué)上說,該投影(稱為 dx)應(yīng)該基本等于η λ/a，其中n為整數(shù)，并且a等于2或4。因此，典型地可以使dx等于λ/4、λ/2或λ等。
[0048]這開啟了使用若干個(gè)輸入器I的可能性。在此方面，邏輯電路優(yōu)選地被配置為多數(shù)邏輯電路，該電路典型地包括三個(gè)或更多個(gè)輸入器。優(yōu)選地，使用奇數(shù)個(gè)輸入以實(shí)現(xiàn)“多數(shù)”。然而，情況并非總是如此，如圖7中所示例的。在最簡單的實(shí)現(xiàn)方式中，這些輸入器(或它們的子集)典型地與y方向平行地對(duì)準(zhǔn)，如下面將參考圖3-8更詳細(xì)地討論的。當(dāng)然，如果輸入器被故意移位(如圖7所示)，例如用于反轉(zhuǎn)輸入狀態(tài)，則情況便不是如此。
[0049]如圖3-4所示例的，檢測優(yōu)選地與輸入器面對(duì)面地設(shè)定。形式上，這意味著第二區(qū)域4與最近的一個(gè)第一區(qū)域I (例如對(duì)應(yīng)于位于中間的輸入器)之間的距離優(yōu)選地被設(shè)定為等于ηλ/a，其中n為整數(shù)，a等于2或4(在圖3-4的實(shí)例中，a = 2且η = 4)。換言之，檢測可在輸入之一的前方設(shè)定。類似地，如果檢測區(qū)域被選擇為在大距離內(nèi)擴(kuò)展(extend)(例如，與輸入器沿I擴(kuò)展的長度相比)，則輸出器優(yōu)選地被定位為與輸入器面對(duì)面。
[0050]理想地，注入/檢測區(qū)域應(yīng)該盡可能精確地被定位，以利用自旋極化的最大振幅。然而，從圖1或2可理解，輕微的不對(duì)準(zhǔn)并不重要。對(duì)不準(zhǔn)是可以忍受的，只要可清楚地在所關(guān)注的兩個(gè)自旋極化之間進(jìn)行區(qū)分即可，所述兩個(gè)自旋極化否則取決于所保留的距離。對(duì)不準(zhǔn)不應(yīng)超過λ/4，如從圖1可理解的。另外，如果對(duì)不準(zhǔn)小于λ/8，則在實(shí)踐中獲得大得多的信號(hào)幅度。這樣，可理解，距離d在軸X上的投影Clx應(yīng)該基本等于η λ /a,即，等于η λ /a± λ /b，其中b>4 (優(yōu)選地，b>8)。因此，如果所使用的輸入/輸出器是電極，則后者沿X的擴(kuò)展尺寸應(yīng)典型地小于λ /2 (假設(shè)完美對(duì)準(zhǔn))，優(yōu)選地小于λ /4 (如果對(duì)不準(zhǔn)仍小于λ/4)。
[0051]接下來，輸入/輸出器可以為任何適當(dāng)?shù)念愋?；此類輸?輸出器本身是已知的。然而，如果每個(gè)自旋注入器能夠可選擇地注入自旋向上和自旋向下，則應(yīng)該獲得更全能的自旋邏輯器件。適當(dāng)?shù)淖孕⑷肟山柚诠饧?lì)，或者借助于任何自旋相關(guān)傳輸過程(例如，作為自旋相關(guān)隧穿)，通過從鐵磁層向限制層的自旋轉(zhuǎn)移而顯著地發(fā)生。類似地，各種自旋極化檢測方法是已知的。例如，所建立和檢測的自旋極化沿著給定方向，此給定方向垂直于自旋-軌道磁場。自旋-軌道磁場的方向取決于這樣的結(jié)晶方向:電子限制沿著該結(jié)晶方向而實(shí)現(xiàn)，例如，在支持恒定自旋螺旋的閃鋅礦半導(dǎo)體中，此方向?qū)τ谘豙100]的限制為平面內(nèi)方向(沿著y)，對(duì)于沿[110]的限制為平面外方向。因此，所建立和檢測的自旋極化的兩個(gè)可能的方向?qū)τ赱100]限制為沿著X并且是平面外方向，對(duì)于[110]限制為沿著X并且沿著I。
[0052]因此，本發(fā)明可被體現(xiàn)為，其中輸出器4被配置為檢測沿X振蕩的任何自旋分量(例如，圖1中的分量Sz或Sx)的平均自旋極化。值得注意的是，如果dx = η λ /a，其中a =4且n為奇數(shù)，則輸出器應(yīng)被配置為檢測沿這樣的方向的自旋極化:該方向垂直于由輸入器注入的自旋極化的方向。例如，輸出器可被配置為檢測垂直的自旋極化而非平面內(nèi)自旋極化。更一般地說，可使用建立/檢測平面內(nèi)和/或平面外自旋極化的自旋極化輸入/輸出器。
[0053]接下來，圖3Α-Β表示PSH的模擬密度圖，這些PSH在自旋注入(步驟S20)之后在輸入器la、lb和Ic處形成(步驟S30)。自旋注入理想地在輸入器處被同時(shí)執(zhí)行，即，以便建立逐漸合并的并行PSH。輸入器la、Ib和Ic以及輸入器4被示意性地表示為在密度圖上疊加。在圖3A中，初始自旋極化(在該實(shí)例中沿X)在每個(gè)輸入器處相同，并且被假設(shè)為對(duì)應(yīng)于自旋向上或邏輯值“ I”。初始的并行極化演變?yōu)楦鱾€(gè)PSH，這些PSH部分地重疊并且合并，從而導(dǎo)致與圖2B或C類似的條帶圖案。注意，在圖3B中，輸入器la、lc上的初始自旋極化相同，但是與輸入器Ib處的初始極化相反。后者被假設(shè)為對(duì)應(yīng)于自旋向下或邏輯值“0”，如圖例中所示。在此情況下，STL中的自旋極化發(fā)生混合，這反映出在此情況下如何調(diào)制自旋傳播。此混合顯著地影響導(dǎo)致與輸出器4對(duì)應(yīng)的區(qū)域的平均極化。
[0054]在圖3A或B中的每一者中，初始極化在對(duì)應(yīng)于輸入器la-c的第一區(qū)域的級(jí)別上被同步地輸入。輸出器4隨后檢測(步驟S40)在檢測區(qū)域的級(jí)別上產(chǎn)生的平均自旋極化。檢測可在注入之后及時(shí)設(shè)定，例如在注入之后的Ins設(shè)定。如圖3A所示，在此情況下完全同相的PSH導(dǎo)致在檢測4的級(jí)別處“較大的”平均自旋極化(沿X)。相反，如果所建立的自旋極化呈現(xiàn)出如圖3B中那樣的相反自旋極化，則PSH僅部分地同相，從而導(dǎo)致輸出4處“較低的”平均自旋極化。圖3A-B的更多示意性描繪在圖3C-D中給出。除了這兩個(gè)實(shí)例之外，可針對(duì)注入預(yù)期若干種自旋極化組合，這允許使用輸入之一(例如，輸入Ic)作為控制輸入來與PSH —起實(shí)現(xiàn)多數(shù)邏輯。
[0055]更精確地，諸如上述的輸入/輸出器允許多數(shù)邏輯概念與PSH相摻合。具體地，PSH的優(yōu)點(diǎn)在于使得可以容易地反轉(zhuǎn)所注入的/所檢測的值。例如，可通過將輸出器沿X位移πιλ/2(πι為奇數(shù))來反轉(zhuǎn)輸出。這樣做對(duì)于構(gòu)造邏輯器件而言具有極大的好處。在此方面，使用其中η為小值并且/或者其中a = 4的dx = η λ /a，可減小邏輯陣列的占用面積(footprint),從而允許高集成密度。另一方面,使用其中η為大值的dx = ηλ/a允許構(gòu)造更復(fù)雜的邏輯陣列，尤其是通過在PSH上的確定位置處添加更多輸入/輸出器。
[0056]現(xiàn)在參考圖3C-8更詳細(xì)地討論這些點(diǎn)，這些附圖示意性地示例出根據(jù)各種實(shí)施例使用PSH構(gòu)造邏輯門以將信息從自旋注入器l、la、lb等傳播到輸出器4、4a、4’等?；旧?，在圖3C至8的實(shí)施例的每一個(gè)中:自旋邏輯器件100可如下操作:
[0057]-首先，在步驟S20對(duì)輸入器中的一個(gè)或多個(gè)供能以建立與輸入器對(duì)應(yīng)的局部自旋極化。由于此處構(gòu)想的特定器件概念，在步驟S30相應(yīng)地發(fā)展一個(gè)或多個(gè)PSH ;以及
[0058]-第二，在步驟S40經(jīng)由輸出器檢測平均自旋極化。
[0059]有些應(yīng)用(例如，圖3、4、6和7)有利地利用多數(shù)邏輯，其中分別由相應(yīng)的輸入電極la、lb和Ic提供的兩個(gè)或更多個(gè)邏輯輸入(例如，圖3-4中的A和B)以及一個(gè)控制輸入C被線接(wire)在一起，并且邏輯門的結(jié)果在輸出電極4的級(jí)別處通過由三個(gè)輸入所導(dǎo)致的自旋極化平均來確定。
[0060]在圖3至7中，視圖位于2DEG “上面”(平面(x，y))，其中PSH振蕩的方向沿水平X方向。自旋極化保持恒定的方向沿y方向。自旋極化以灰度等級(jí)(grey scale)進(jìn)行編碼。黑色表示自旋向上，白色表示自旋向下。如上面所述，自旋向上和自旋向下被定義為沿著或背對(duì)著特定方向的自旋極化，該特定方向可以是垂直于2DEG的方向或PSH形成所沿著的方向(圖中的X軸)。自旋信號(hào)沿X傳播(它們也沿y擴(kuò)散，但不振蕩)。
[0061]簡言之，可通過沿X或y方向傳播自旋來執(zhí)行“與”和“或”邏輯門運(yùn)算，而通過沿X方向的自旋傳播實(shí)現(xiàn)反(非)運(yùn)算。圖3-5中示出了使用沿X方向的自旋傳播實(shí)現(xiàn)的“與”、“或”和“非”門的實(shí)例。圖6中示出了使用沿X和y這兩個(gè)方向的自旋傳播的兩個(gè)邏輯門的串聯(lián)。由于自旋沿所有方向傳播，因此一個(gè)輸入電極可以為若干個(gè)門提供輸入自旋極化，其中自旋極化的傳播沿不同的方向。圖7示出了使用沿+X和-X方向的自旋傳播實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同邏輯門(A與B)和(A或B)的實(shí)例。此構(gòu)造使用提供輸入A和B的兩個(gè)輸入電極I。這兩個(gè)邏輯門使用沿_x(A或B)或+x(A與B)方向傳播的自旋。最后，圖8中示出了利用沿y方向的自旋傳播的“或”門的實(shí)例。然而在該后一種情況下，不使用PSH模式，因此，在此情況下任何簡單的反轉(zhuǎn)(reversal)都是不可能的。
[0062]在圖3C-D、4A_B以及6_8中，邏輯電路被設(shè)計(jì)為多數(shù)邏輯電路?，F(xiàn)在更具體地參考圖3-4，電路例如可包括三個(gè)(或更多個(gè))沿y方向?qū)?zhǔn)的輸入器la、lb、lc。這包括兩個(gè)邏輯輸入la、Ib和一個(gè)控制輸入Ic (至少)。當(dāng)然，諸如“非”的較簡單的邏輯門應(yīng)只需要一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，如圖5所示例的，因此，不需要多數(shù)邏輯。在后一種情況下，可清楚地理解，允許簡單反轉(zhuǎn)的PSH的關(guān)注在距離λ/2內(nèi)。然而，最小特征尺寸一般不限于λ/2，如上面已經(jīng)提到的。
[0063]可設(shè)計(jì)更復(fù)雜的門，如圖6-7中所示例的。圖6是計(jì)算(A或B)與D的組合邏輯門的實(shí)例。在此方面，自旋邏輯器件100可進(jìn)一步包括輸入器lc2、ld的另外的集合，該集合在功能上類似于上面所述的輸入器。該另外的集合允許在與對(duì)應(yīng)于輸入器la、lb、Icl的第一集合的輸入?yún)^(qū)域和對(duì)應(yīng)于輸入器4的輸出區(qū)域二者相距一距離處進(jìn)行注入。而且，參考標(biāo)號(hào)la、lb表示邏輯輸入，而Icl和lc2表示控制輸入。在下文中，為簡單起見，注入(或檢測)區(qū)域被假設(shè)為對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的輸入(或輸出)器的X位置(對(duì)于電極而言，情況也是如此)。形式上，任一個(gè)另外的注入?yún)^(qū)域lc2、Id與任一個(gè)第一注入?yún)^(qū)域la、lb、Icl之間的距離的X投影等于I λ/a，其中I為整數(shù)，a等于2或4。例如可以使I = n/2 = 2，如圖6的實(shí)例中所示。
[0064]圖7示例出兩個(gè)邏輯門(A或B)和(A與B)的構(gòu)造。在此方面，自旋邏輯器件100可進(jìn)一步包括另外的輸出器4a，該另外的輸出器與對(duì)應(yīng)于輸入器la、Ib的第一輸出器4相反，該另外的輸出器被配置為檢測限制層的相應(yīng)區(qū)域(稱為“第四”區(qū)域)內(nèi)的平均自旋極化。第四區(qū)域4a與第一區(qū)域I相距一距離，所述距離在X方向上的投影等于m λ /a，其中m為整數(shù)，a等于2或4，并且其中優(yōu)選地m = η (注意，第二檢測區(qū)域4位于與第一區(qū)域I相距η λ /a處)。注意，在圖7的實(shí)例中，控制輸入相對(duì)于邏輯輸入位移。
[0065]為了完整性，盡管實(shí)施例首先利用PSH，然而不阻止器件100包括另外的部件，以便在沒有自旋振蕩發(fā)生的方向(例如，附圖中的y方向)上實(shí)現(xiàn)邏輯門。例如，自旋邏輯器件100可進(jìn)一步包括輸出器4’，該輸出器4’相對(duì)于輸入器la’、lb’、lc’(沿X對(duì)準(zhǔn))配置以檢測沿I方向傳播的平均自旋極化，如圖8所示例的。圖8是沿其中自旋不振蕩的y方向的“或”門的實(shí)例。
[0066]最后，在圖3-6和8的實(shí)施例的每一個(gè)中，僅不出一個(gè)檢測器4,該檢測器測量對(duì)應(yīng)的有限檢測區(qū)域中的平均自旋極化。該檢測器典型地位于控制電極的前面，而控制電極本身位于對(duì)準(zhǔn)的輸入電極集合的中間；這給出相對(duì)于兩個(gè)輸入狀態(tài)的某種對(duì)稱性，但這不是必需的。而是，控制輸入電極可位于沿y的任何位置處(或者至少距離邏輯輸入足夠近以允許相應(yīng)地形成的PSH合并)，并且輸出電極優(yōu)選地被以對(duì)稱的方式設(shè)定到三個(gè)輸入電極的位置，即，位于中間輸入電極的I位置處。在變形例中，可使用若干個(gè)檢測器4的集合，這些檢測器被對(duì)準(zhǔn)，以使得每個(gè)檢測器面向輸入電極。經(jīng)由每一個(gè)輸出電極測量的自旋極化的平均可被相應(yīng)地執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)多數(shù)邏輯。這種變形例需要更復(fù)雜的電路。另一方面，它們可允許更清楚地在自旋極化進(jìn)行區(qū)分。
[0067]2.技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
[0068]本節(jié)更詳細(xì)地描述:
[0069]-如何使用2DEG作為STL；
[0070]-如何必須將所述2DEG設(shè)計(jì)為允許長距離地傳播自旋的程度；以及
[0071 ]-如何必須將所述STL設(shè)計(jì)為使得2DEG中的自旋極化在自旋向上與自旋向下之間在空間上交替，以形成PSH。
[0072]參考圖1，STL可通過承載(host) 2DEG的半導(dǎo)體層7、8和9獲得。2DEG例如可被限制到量子阱中，即，圖1中的半導(dǎo)體層8，在這里電子處于比周圍的層7和層9能量低的狀態(tài)。在變形例中，2DEG可位于界面處，S卩，位于層8與層7或9之間的界面處。該2DEG中的電子典型地由層7、8和/或9中的摻雜劑提供。這種半導(dǎo)體層的材料可以是合金和II1-V材料 H^i^n,GaAs、AlAs、InAs、InP、InSb)或 I1-VI 材料(例如，CdSe、CdTe、ZnSe)的三元
I=1-Wl O
[0073]在變形例中，2DEG可在單個(gè)半導(dǎo)體層內(nèi)形成，在與鄰接的絕緣或金屬層的界面處形成，并且電子是使用電場通過場效應(yīng)提供的。此外，垂直施加于層的電場可被用于在必要時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以使其能夠支持PSH。
[0074]如上所述，連接到2DEG的是輸入電極I和輸出電極4。輸入電極充當(dāng)自旋注入接觸，并且由磁材料構(gòu)成，此磁材料被磁化為兩個(gè)方向之一，即，自旋向上或自旋向下，如圖1中的參考標(biāo)號(hào)2所示。在圖1的實(shí)例中，注入方向沿X方向。通過使電流在輸入電極與2DEG之間通過，自旋極化的電子可在給定的注入?yún)^(qū)域10(例如，輸入電極與2DEG之間的界面處)內(nèi)的2DEG中累積。2DEG中該位置處的電子的自旋極化與輸入電極的磁化直接相關(guān)，SP，2DEG中的自旋也是向上或向下。輸出電極將輸出區(qū)域(典型地位于2DEG與輸出電極之間的界面處)中的局部自旋極化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或另一輸入電極的磁化狀態(tài):后者可以是所述輸出電極或附近的另一電極(其將界面處2DEG的自旋極化接收過來)。這使得可以將2DEG的自旋極化放大為鐵磁材料的磁化，并返回到STL中。
[0075]在輸入電極與輸出電極之間，由輸入電極印刻的自旋極化通過擴(kuò)散或漂移在2DEG中傳播。多數(shù)邏輯電路14的實(shí)例在圖9中示出。此處所示的電路允許構(gòu)造諸如圖3、4和8中所示的邏輯門。其簡單的變形例應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)如圖5-7所示的邏輯門。在圖9中，電脈沖被施加到鐵磁電極11，從而形成輸入器1，其中每個(gè)鐵磁電極具有位于2DEG下方并且被連接到地電位的反電極12。被施加到電極11中的一個(gè)的電脈沖導(dǎo)致自旋極化電流，該電流使區(qū)域10中2DEG的自旋沿正的或負(fù)的X方向發(fā)生極化，這取決于電極11的磁化是沿著+X還是-X，并且取決于電脈沖的極性。在該實(shí)例中，一個(gè)脈沖具有與其它脈沖相反的極性，以便形成相反的自旋極化，如圖3D所示。自旋極化的電子在對(duì)應(yīng)于電極位置的區(qū)域10中在2DEG中累積，并且通過后續(xù)的PSH傳播。鐵磁電極41處的非局部電壓在此使用電壓測量電路(被連接到共同形成輸出器4的電極41和反電極42)進(jìn)行檢測以將區(qū)域40中的局部自旋極化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
[0076]半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中承載的2DEG中的電子自旋被暴露于自旋-軌道相互作用(SOI)。具有對(duì)SOI的兩個(gè)單獨(dú)貢獻(xiàn)。一個(gè)貢獻(xiàn)來源于例如II1-V和I1-VI半導(dǎo)體材料的體反演不對(duì)稱性(BIA)。第二個(gè)貢獻(xiàn)來自于結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性(SIA)，該結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性可通過為圖1中的層7、8、9選擇不同的材料，或者選擇2DEG的兩側(cè)7和9上的不同摻雜濃度來設(shè)計(jì)。當(dāng)SIA和BIA的貢獻(xiàn)相等時(shí)，發(fā)生SOI的特殊對(duì)稱。然后，形成恒定自旋螺旋(PSH)，其中擴(kuò)散電子的自旋極化以以下方式進(jìn)動(dòng):使得波狀圖案沿著處于2DEG平面內(nèi)的半導(dǎo)體的特定晶體方向形成。PSH中自旋極化的衰減沿平面內(nèi)兩個(gè)方向都受到強(qiáng)烈的抑制，從而使得擴(kuò)散的自旋可長距離傳播。自旋極化沿一個(gè)與2DEG位于同一平面的空間維度(例如，X方向)振蕩，此維度由半導(dǎo)電基質(zhì)(host)的晶體方向給出。沿垂直的平面內(nèi)空間方向(即，圖1中的y方向)，極化保持基本恒定。自旋振蕩的周期由自旋-軌道長度Is確定(所產(chǎn)生的PSH的周期λ精確地等于Is)，該長度由SOI的強(qiáng)度和電子質(zhì)量確定。對(duì)于典型的II1-V和I1-VI材料，自旋-軌道長度可在1nm到1ym的范圍內(nèi)?？赏ㄟ^位于2DEG上方和/或下方的門電極將其調(diào)整到某個(gè)程度。恒定自旋螺旋已被預(yù)測和觀察到。如果2DEG被橫向限制到寬度小于自旋-軌道長度Is的通道中，也會(huì)形成PSH (前提是SIA和BIA不等)。
[0077]例如，半導(dǎo)體材料層7、8、9可各自呈現(xiàn)出閃鋅礦結(jié)構(gòu)，并且可沿[110]方向生長(其中這些層垂直于此方向)，以便定義零結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性。在這種情況下，恒定自旋螺旋通過單獨(dú)源自體反演不對(duì)稱性的自旋-軌道場形成，所述體反演不對(duì)稱性沿[110]方向取向。
[0078]例如通過分析束外延生長的半導(dǎo)體層的加工順序如下(圖1中自底到頂):
[0079]-襯底:GaAs(001)晶片；
[0080]-層9可連續(xù)包括:
[0081]。SOOnn^AAla3Gaa7As
[0082]° Delta層中摻雜的Si,?610ncnT2 ;以及
[0083]。SOnn^AAlci3Gatl7As
[0084]-中間層8可包括12nm的GaAs；以及
[0085]-層7可最后被分解為:
[0086]。90nm 的 Al。.3Ga0.7As ；以及
[0087]。5nm 的 GaAs。
[0088]如上所述，電極沿X在一距離內(nèi)擴(kuò)展，該距離優(yōu)選地小于λ/2，更優(yōu)選地小于λ/4。沿y的擴(kuò)展是任意的；對(duì)于不同的輸入，以及對(duì)于輸入電極和輸出電極，沿y的擴(kuò)展不必須相同。
[0089]用于對(duì)電極“通電”的典型電流強(qiáng)度/電壓應(yīng)該取決于自旋注入接觸的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)電極“通電”可典型地包括:
[0090](I)使電流在鐵磁電極與2DEG之間通過(可能涉及位于2DEG下方的第二接觸一級(jí)鐵磁接觸，如圖9所示)。電流方向確定自旋的極化方向(沿著或背對(duì)著電極的磁化)?；蛘?，電極的磁化可通過局部磁場或自旋轉(zhuǎn)移扭矩而被反轉(zhuǎn)；
[0091](2)使用圓偏振的光子將自旋極化的電子激勵(lì)到導(dǎo)帶中。圓偏振的螺旋性(右圓偏振或左圓偏振)確定被激勵(lì)的自旋極化的方向；或者
[0092](3)任何其它允許建立局部自旋極化的技術(shù)，即，電流感應(yīng)自旋極化、自旋相關(guān)隧穿等。
[0093]在輸出處讀出自旋的操作例如通過測量2DEG與鐵磁層之間的電流來完成。在給定電壓下，電流或高或低，具體取決于相對(duì)于鐵磁層的磁化，輸出電極下方的2DEG中的自旋極化的方向。
[0094]與鐵磁材料中的自旋波相比，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例不需要輸入的AC驅(qū)動(dòng)以在本發(fā)明的實(shí)施例中傳播自旋波。PSH形成是因?yàn)榕c自旋-軌道相互作用相結(jié)合的自旋極化的無損耗擴(kuò)散性傳輸。PSH形成有位于恒定的空間位置處的節(jié)點(diǎn)(node)和波腹(antinode),因此，作為在給定空間位置處的自旋極化而提供邏輯運(yùn)算的結(jié)果，并且不必實(shí)現(xiàn)行波的相位敏感檢測。
[0095]與磁元胞自動(dòng)機(jī)不同，計(jì)算的定時(shí)通過后續(xù)觸發(fā)輸入寫入和輸出讀取操作來實(shí)現(xiàn)，從而極大增強(qiáng)了計(jì)算的可靠性。
[0096]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中介紹的多數(shù)邏輯概念需要自旋擴(kuò)散以將來自輸入的信號(hào)驅(qū)動(dòng)到輸出。在PSH模式中使用二維電子氣——如本文中所提出的——顯著增強(qiáng)了自旋擴(kuò)散的空間擴(kuò)展，并且通過使用振蕩的自旋極化，逆變器(“非”運(yùn)算)的容易實(shí)現(xiàn)以及在“與”門和“或”門之間的選擇變?yōu)榭赡堋Ｍㄟ^使控制輸入C的輸入電極的磁化反轉(zhuǎn)，或者通過將控制輸入C的輸入電極沿X軸位移一距離λ /2 = ls/2，來實(shí)現(xiàn)此選擇。
[0097]因?yàn)镻SH中的自旋在沒有電流的情況下傳播，因此對(duì)于邏輯運(yùn)算，不發(fā)生任何歐姆損耗(電荷耗散)。信號(hào)傳播的速度受到自旋擴(kuò)散的限制，使自旋極化傳播一距離Dx所需的時(shí)間與Dx的2次方成比例，這在按比例縮小到較小的尺寸時(shí)是有利的。Dx較大時(shí)，如果應(yīng)用平面內(nèi)電場以誘發(fā)向2DEG的電子的漂移，則可實(shí)現(xiàn)在Dx中線性的傳播時(shí)間。
[0098]下面的參考文獻(xiàn)對(duì)于理解本說明書中使用的概念是有用的:
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[0104]盡管已經(jīng)參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可做出各種改變，并且等效物可被替換。此外，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可做出許多修改以使特定的情形或材料適合于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明旨在不限于所公開的具體實(shí)施例，而是，本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。在此方面，并不需要包括附圖中繪制出的所有部件/步驟，具體取決于所選擇的實(shí)施例。此外，可預(yù)期除上面明確描述的變形例之外的許多其它變形例。例如，可包括另外的半導(dǎo)體層，和/或可將其它化學(xué)成分用于這些層。
[0105]參考標(biāo)號(hào)列表
[0106]UlaUbUc 自旋注入(輸入)器
[0107]10第一區(qū)域
[0108]100自旋邏輯器件
[0109]14多數(shù)邏輯電路
[0110]IaUb邏輯輸入
[0111]la’、lb’、lc’在X方向上對(duì)準(zhǔn)的另外的自旋注入輸入器
[0112]lc、lcl、lc2 控制輸入
[0113]lcl、lc2、ld另外的自旋注入(輸入)器
[0114]3局部(輸入)自旋極化
[0115]4自旋檢測(輸出)器
[0116]4’在y方向上的另外的自旋檢測(輸出)器
[0117]40第二區(qū)域
[0118]4a另外的自旋檢測(輸出)器
[0119]6局部平均(輸出)自旋極化
[0120]7半導(dǎo)體材料層
[0121]8、87、89電子限制層
[0122]87鄰接的層7與8之間的界面
[0123]89鄰接的層8與9之間的界面
[0124]9半導(dǎo)體材料層
[0125]d第二區(qū)域與一個(gè)第一區(qū)域之間的距離
[0126]PSH恒定自旋螺旋
[0127]λPSH 的周期
【權(quán)利要求】
1.一種自旋邏輯器件(100)，包括 電子限制層(8、87、89)，其將電子氣或2DEG限制在x方向和y方向包著的二維區(qū)域中，所述I方向垂直于所述X方向，所述自旋邏輯器件針對(duì)所述2DEG配置以支持形成于其中的恒定自旋螺旋或PSH，其中給定的自旋分量沿X方向以λ為周期振蕩，但不沿y方向振蕩；以及 邏輯電路(14)，所述電路包括: 一個(gè)或多個(gè)輸入器(l、la、lb、lc、lcl、lc2、ld),其能夠被通電以在所述限制層的各個(gè)第一區(qū)域(10)中建立所述2DEG的各個(gè)局部自旋極化(3)，以便形成各個(gè)PSH;以及 輸出器(4)，其被配置為在所述限制層的第二區(qū)域(40)中檢測由一個(gè)或多個(gè)局部自旋極化(3)所導(dǎo)致的所述2DEG的平均自旋極化￠)，其中所述一個(gè)或多個(gè)局部自旋極化(3)分別由所述一個(gè)或多個(gè)輸入器建立并且通過一個(gè)或多個(gè)所產(chǎn)生的PSH擴(kuò)散， 其中，所述第二區(qū)域(40)與任一個(gè)所述第一區(qū)域(10)之間的距離(d)在所述X方向上的投影等于η λ /a，其中n為整數(shù)，a等于2或4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述邏輯電路是多數(shù)邏輯電路，其包括三個(gè)或更多個(gè)輸入器(1、la、lb、Ic)，所述三個(gè)或更多個(gè)輸入器優(yōu)選地包括沿y方向?qū)?zhǔn)的三個(gè)輸入器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述多數(shù)邏輯電路包括至少兩個(gè)邏輯輸入(la、lb)和一個(gè)控制輸入(Ic)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述輸出器(4)被配置為針對(duì)以下檢測平均自旋極化:所述給定的自旋分量，如果a = 2 ;和/或垂直的自旋分量，如果a = 4且η為奇數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件(100)，進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)輸入器(lc2、ld)的另外的集合，其能夠被通電以在所述限制層的各個(gè)第三區(qū)域中建立所述2DEG的各個(gè)局部自旋極化(3)，以便形成各個(gè)PSH，其中，任一個(gè)所述第三區(qū)域與任一個(gè)所述第一區(qū)域(10)之間的距離在所述X方向上的投影等于I λ/a，其中I為整數(shù)，a等于2或4,優(yōu)選地I = η。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述輸出器(4)是第一輸出器(4)，所述自旋邏輯器件進(jìn)一步包括另外的輸出器(4a)，相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)輸入器(la、lb、Ic),所述另外的輸出器(4a)與所述第一輸出器⑷相反，所述另外的輸出器被配置為檢測所述限制層的第四區(qū)域內(nèi)所述2DEG的自旋極化，所述第四區(qū)域與所述第一區(qū)域(10)相距一距離，該距離在X方向上的投影等于πιλ/a，其中m為整數(shù)，a等于2或4,并且其中優(yōu)選地m = η。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述自旋邏輯器件進(jìn)一步包括至少一個(gè)輸出器(4’)，所述至少一個(gè)輸出器相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)輸入器(la’、lb’、lc’)配置以檢測在所述限制層中沿y方向傳播的所述2DEG的平均自旋極化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述自旋邏輯器件(100)包括半導(dǎo)體材料的三個(gè)或更多個(gè)層(7、8、9)，所述電子限制層被形成在所述三個(gè)或更多個(gè)層(7、8、9)中的一者內(nèi)，或者被形成在所述三個(gè)或更多個(gè)層(7、8、9)中兩個(gè)鄰接的層之間的界面處。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述半導(dǎo)體材料的層(7、8、9)確定所述2DEG所暴露于的自旋-軌道相互作用或SOI的對(duì)稱性，以便所述2DEG適合于支持所述恒定自旋螺旋。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述半導(dǎo)體材料的層(7、8、9)限定給定體反演不對(duì)稱性和給定結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性，所述SOI的對(duì)稱性由所述給定體反演不對(duì)稱性和所述給定結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性確定。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述輸入器是電極，其沿X方向的擴(kuò)展尺寸小于λ/2，并且更優(yōu)選地小于λ/4。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件(100)，其中，所述第二區(qū)域(40)與最近的一個(gè)所述第一區(qū)域(10)之間的距離⑷等于ηλ/a，其中η為整數(shù)，a等于2或4,并且其中優(yōu)選地a = 2且η = 4。
13.一種操作根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的自旋邏輯器件(100)的方法，所述方法包括: 對(duì)一個(gè)或多個(gè)所述輸入器(I)通電；以及 經(jīng)由所述輸出器(4)檢測所述2DEG的平均自旋極化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述自旋邏輯器件的所述邏輯電路是包括至少兩個(gè)邏輯輸入(la、lb)和至少一個(gè)控制輸入(Ic)的多數(shù)邏輯電路，并且其中，所述通電包括對(duì)所述兩個(gè)邏輯輸入中的每一個(gè)和所述控制輸入通電以建立所述2DEG的各個(gè)局部自旋極化⑶。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，已建立的自旋極化呈現(xiàn)出相反的自旋極化。
【文檔編號(hào)】H01L21/02GK104335324SQ201380026701
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2013年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月24日
【發(fā)明者】A·菲雷爾, G·R·薩利斯 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司