[发明专利]一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件

说明书

本发明公开了一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件。该磁存算一体化器件包括磁性单元和微分负电阻元件；磁性单元由垂直各向异性磁性多层膜和4个电极组成，其中磁性多层膜的磁性层被分割为两个磁性比特，且在两个磁性比特所在的位置，非磁层的宽度并不相同；微分负电阻元件一端与磁性单元的左侧或右侧电极相连，另一端直接接地。由于该器件特殊的几何结构，该器件不仅将两个存储比特集成在同一个器件单元上，而且能够实现对两个磁性比特中存储的两位磁化信息的写入与编辑，有助于提高信息存储的密度。同时，该器件能够将存储的信息作为“与”和“与非”两种逻辑门的输入执行布尔逻辑运算。

技术领域

本发明涉及自旋电子学以及器件技术领域，特别是涉及可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件。

背景技术

由于冯·诺依曼架构本身的限制，电子计算机的发展遇到了存储墙瓶颈。为了解决这一问题，存算融合的计算机新架构成为了研究的热点。而在这一方面，自旋电子学器件凭借着非易失以及较为丰富的输运性能具备一定的优势。其中，利用自旋轨道矩实现电流对于磁信息的写入，在速度和能耗方面均表现出了巨大的潜力。因此，基于自旋轨道矩的磁存储和运算器件有望在存算融合新架构中占据一席之地。

专利号：201610804501.4发明名称：一种可重构的磁逻辑器件及其制备方法，该发明提出了一种包括磁性单元和微分负电导器件的可重构的磁逻辑器件及其制备方法，可以在室温和低磁场下实现基本布尔逻辑运算。该器件虽然已经实现了非易失的逻辑与存储功能，但是作为逻辑输入和存储单元的磁性比特是彼此分开的，不利于提高信息存储的密度。要将多个磁性比特集成在同一器件单元中并同时保证其中存储的信息的正常写入，就需要实现对于其中任一磁性比特磁化方向的自由操纵。

因此希望有一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件能够解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明公开了一种可实现二位数据存储及逻辑运算的磁存算一体化器件,所述磁存算一体化器件包括磁性单元和具备微分负电阻效应的元件，具备微分负电阻效应的元件分别连接在磁性单元的两端。

优选地，所述磁性单元包括磁性薄膜和电极，磁性薄膜是具有垂直磁各向异性的磁性多层膜，其中包含磁性层及毗邻的非磁性层。

优选地,所述磁性薄膜是MgO\CoFeB\Ta、AlO_x\Co\Pt以及Pt\Ta\Cu\Co\Pt\Ta中的一种。

优选地,所述磁性薄膜的主体部分沿垂直于薄膜膜面方向的投影的几何形状为梯形、曲边梯形、弓形、椭圆弓形中的一种或多种的组合。

优选地,所述磁性薄膜中的磁性层被分割成两个用于数据存储和逻辑输入的磁性比特，当电流同时流过两个磁性比特时，两个磁性比特根据其自身几何形状决定磁化方向翻转所需的电流大小，且磁化翻转的方向取决于电流的方向。

优选地，所述电极包括顶端电极、底端电极、左端电极和右端电极，以上4个电极分别对应连接所述磁性薄膜的上、下、左和右四个方向，所述电极沿垂直于所述磁性薄膜面方向的投影的几何形状为矩形、圆形和梯形中的一种或多种的组合。

优选地,利用已存储的数据进行布尔逻辑运算时，将两对所述具备微分负电阻效应的元件分别与所述磁性单元的左右两组电极和相连，当电流从所述顶端电极流入，分别经所述左端电极和右端电极通过所述具备微分负电阻效应的元件流出时，若所述两个磁性比特的磁化方向作为逻辑输入，则流出的电流大小随着磁性比特磁化方向的变化发生改变，从而实现“与”和“与非”布尔逻辑运算功能。

优选地，所述具备微分负电阻效应的元件的伏安特性曲线中包括斜率为负值的区间。

优选地，所述具备微分负电阻效应的元件为互补的双极性晶体管、金属-绝缘体相变器件和隧道二极管中的一种。