全電驅動磁邏輯器件

在過去的幾十年中,計算機性能的提升主要依賴於矽基半導體器件的持續小型化。隨著器件的尺寸逐漸逼近物理極限,運行功耗的大幅提升和可靠性的下降正逐漸成為制約計算機進一步發展的障礙。在尺度效應的紅利耗盡之後,摩爾定律的延續依賴新材料的開發和器件構型的技術創新。得益於響應速度快、集成密度高和非易失性等技術優勢,磁性材料和磁性器件從眾多超摩爾創新中脫穎而出。IBM在2008年公佈瞭新一代的存儲技術:基於電磁耦合的Racetrack賽道存儲技術。該技術融合瞭機械硬盤和閃存的特點,同時具備大的存儲容量和高的存儲速度。存儲器件的突破給邏輯器件的發展帶來瞭新的曙光和動力。磁邏輯器件是傳統CMOS邏輯器件的有力接替者,也是近年來的科研熱門。磁邏輯器件具有本征的非易失存儲和邏輯運算的功能,可以實現存儲內計算(logic-in-memory),從而可能創造出一種非馮諾伊曼結構的計算機,來支持諸如物聯網、大數據和人工智能等需要海量數據存儲和運算的新型應用。然而,現存的磁邏輯器件的控制大多依賴外界磁場的幹預,實際應用比較困難。

瑞士蘇黎世理工學院(ETH Zürich)和瑞士保羅謝勒研究所(Paul Scherrer Institute)的羅昭初博士Laura Heyderman教授Pietro Gambardella教授及其合作研究團隊近日在全電驅動磁邏輯器件方面取得重要進展。這項研究在Racetrack賽道技術的基礎上,通過對賽道結構的改進引入瞭穩定可控的磁疇結構,並利用相鄰磁疇之間的手性耦合作用,實現瞭邏輯器件的功能和全電驅動。該研究成果(Current-driven magnetic domain-wall logic)於2020年03月12日發表於《自然》(Nature)雜志上(Nature, 2020. doi.org/10.5281/zenodo.3557288.)

該研究展示的全電驅動磁邏輯器件由Pt/Co/AlOx三層結構的納米線組成。器件結構和工藝過程如圖1a所示。鍍於Si/SiNx基底的Pt/Co/Al三層薄膜,經光刻和離子束刻蝕形成納米線結構,最後經Al層的局部氧化形成器件。器件的初始磁化狀態如圖1b所示,Co層中呈現三種磁化方向。兩個取向相反的面外磁疇被一個面內磁疇隔開(面外和面內磁疇分別對應AlOx和Al下方區域),並且相鄰磁疇的取向呈特定的手性特征(圖1b中為左手性)。這樣的手性特征來源於以下幾個因素的平衡作用:(一)Pt-Co界面處自旋-軌道耦合作用和Co-AlOx界面處的Co-O作用使Co層的磁化方向偏向於垂直方向(垂直磁各向異性);(二)Pt-Co界面處的Dzyaloshinskii–Moriya interaction(DMI)作用迫使相鄰磁疇的取向互相垂直,並呈手性;(三)Co-Al界面處垂直磁各向異性相對較弱,為面內取向的形成創造瞭條件。這種穩定的手性耦合意味著單邊面外取向的翻轉必然導致面內以及另一邊面外取向的翻轉,這就實現瞭邏輯非門的功能。圖1c演示瞭該器件實現邏輯功能的原理和過程。左邊取向朝下的磁疇局部翻轉後在與未翻轉區域接壤的邊界形成磁疇壁。在通電情況下,電子流在自旋霍爾效應的驅使下在Pt層發生偏轉形成垂直方向的自旋流。自旋流的註入在疇壁處產生自旋-軌道矩(圖1c中的HSOT),迫使疇壁處磁化方向發生轉動從而推動疇壁向前移動,直至賽道上所有的磁疇都發生翻轉。如圖1d所示,作者利用磁-光克爾效應顯微鏡(MOKE)實時觀測證實瞭這一過程。

全電驅動磁邏輯器件

作者以圖1b所示的非門結構作為基本模塊,進一步構建瞭一種可重構的與非(NAND)/或非(NOR)邏輯門。如圖2a所示,該邏輯門由兩個輸入端(a和b),一個bias端和一個輸出端構成。輸入端a,b和bias端構成瞭一個多數決定邏輯門。通過控制bias端的初始狀態,可以實現與非/或非的切換。作者在與非和或非架構下分別制作瞭四個器件,對應四種輸入狀態,並使用高分辨磁力顯微鏡(MFM)驗證瞭器件的有效性。磁性與非和或非門的實現具有重要意義,因為它們是邏輯運算的核心,任意佈爾邏輯都可以由單個或多個與非/或非門的組合來實現。如圖3b和c所示,通過多個與非門的直接級聯,分別實現瞭半加器和全加器的功能。作者還進一步對磁邏輯器件的功能進行瞭拓展。利用如圖3a所示的Y型結構,可以使用電信號來實現磁輸入信號的選擇和分配。

通過以上實驗,作者展示瞭一種全新的磁邏輯器件設計,並論證瞭該型器件的邏輯功能和全電驅動性。雖然在實驗中為瞭簡化設計,器件的初始化和信號讀取仍然需要分別借助外界磁場和磁信號檢測設備,但是正如作者在論文中所指出的,這些外部輔助手段完全可以通過成熟的可植入技術如磁性隧道結(magnetic tunnel junctions)來替代。全電驅動的磁邏輯器件憑借其高度的集成化、超快的響應速度、非易失性和低功耗,有望在不久的將來取代電子邏輯器件,和磁性存儲器一起開啟計算機發展的新篇章。

全電驅動磁邏輯器件

全電驅動磁邏輯器件

該工作中的MFM測試是在Bruker公司的Dimension ICON原子力顯微鏡系統上完成的。  PS:感謝論文第一作者羅昭初博士對本文的勘誤!

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2061-y

相关文章