基于自旋力矩效应的低功耗逻辑器件的设计与验证

发布时间：2024-03-11 23:37

　　随着互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的技术节点越来越逼近原子尺度的极限,摩尔定律逐渐失效。同时又伴随着电子消费市场的进一步扩大,有限的信息存储能力越来越难以满足无限增加的总体信息量。这些现状使得研究人员不得不寻找新的可以获得更高存储密度的信息存储技术。为了寻求新颖的、可扩展的、功耗较低的计算技术,基于自旋的逻辑器件由于其非易失性、小的电池面积和低的动态功耗等特点,正在被广泛探索。到目前为止,已经被提出的自旋逻辑器件包括纳米磁逻辑、全自旋逻辑、自旋力矩多数门、磁逻辑、自旋转矩振荡器和自旋波器件等等。与这些逻辑器件相比,磁性多数门逻辑器件用来构建多数门时,用到的器件数量会显著减少,因此电路复杂性大大降低。在本文中,基于磁性隧道结(MTJ)和相关结构中的自旋转移矩(STT)效应和自旋轨道转矩(SOT)效应,本文中提出了一种新颖的可级联磁性多数门逻辑器件。基本逻辑单元由四个MTJ组成,它们共用一个“T”形扩展自由层,作为底部铁磁(FM)电极。MTJ中自由层的磁化可以通过注入电流携带的STT来诱导翻转。输出端位于三个输入MTJ分支的连接处,因此其磁化可以通过磁畴壁的移动来确定。通过SOT效应...

【文章页数】：61 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1-1TMR结构示意图以及自旋电子隧穿示意图

仍能观察到大的磁电阻，这种效应被成为隧穿磁电阻效应。铁磁性电极材料的自旋极化率与隧穿磁电阻值的大小成正比。整体来说，TMR比GMR具有更大，更为显著的磁电阻效应。理论上，Fe/MgO/Fe这种结构的磁性隧道结中的TMR可以高达1000%[12,13]。基于MgO....

图1-2金属自旋阀结构中由电流驱动的自旋转移力矩效应如图1-2（a）所示，当电流从右至左，即电子从左至右，由参考层运动至自由

华中科技大学硕士学位论文在一个基本的磁性隧道结，即铁磁层/绝缘体/铁磁层结构中，两个铁磁层可以形成不同的磁化方向。当电子在两个铁磁电极之间传导时，由于绝缘层的能量势垒较高，传导电子必须凭借其波动性，利用量子隧穿效应穿过该绝缘隔离层。因此MTJ的电阻值远大于....

图2-1自旋转移力矩与Gilbert阻尼矩之间的关系

华中科技大学硕士学位论文进动主要受阻尼矩主导，在一段时间的进动之后，自由层磁矩将稳定在有效场的方向；当正电流的大小达到临界值时，如图2-1（b）所示，自旋转移力矩与阻尼矩的作用效果相当，则自由层的磁矩在这力矩的综合作用下进行稳定的周期震荡；当电流大小继续增....

图3-1拓展自由层长度为2a的磁性隧道结器件以及自由层对应的微磁模拟结果

组成的器件中，可以实现异或/同或的逻辑功能。综合上述信息，包括半加器，全加器等复杂的逻辑功能都能在本文所提出的可互联磁性多数门器件中，以非常简便的方式实现。在此提出此可互联磁性多数门器件的结构，详细的微磁学模拟结果以及相应性能的量化计算，并与市场上齐头并进的其他器件进行比较，展现....

本文编号：3926206