一种数据非易失性的多功能和可编程自旋逻辑研究进展

来源:   发布时间:2017-04-26


        在当今大数据时代,每天产生超过2万亿字节的新数据。这些海量数据在给人们带来前所未有的机遇和便利的同时,也对数据的处理能力提出了严峻的挑战。现代计算机处理数据的能力几乎完全取决于里面的逻辑单元,而传统的解决方案,即通过缩小逻辑单元的尺寸来提高器件的集成密度,由于物理上和微加工工艺上的限制已经趋近于改进和提升的极限。为此,凝聚态物理、微电子和材料科学领域的工作者都在积极寻找可能替代现有三极管的功能更强大的新型逻辑单元器件。自旋逻辑(磁逻辑)就是其中一种非常有发展前景的候选器件。
  磁性系统的数据非易失性是实现“存储处理一体化”架构的理想内禀属性。该架构可以克服现代计算机冯∙诺依曼模式的瓶颈限制,可以在很大程度上提高数据的处理效率。基于磁性材料和工作机制,人们先后提出了多种方案,包括:基于磁场驱动的单势垒磁性隧道结逻辑单元结构[A. Ney et al., Nature 425 (2003) 486];基于磁场驱动的磁性量子点-点格自动机逻辑[A. Imre et al., Science 311 (2006) 205];基于磁场驱动的磁畴壁运动逻辑[D. A. Allwood et al., Science 309 (2005) 1688];基于自旋波传播的逻辑[B. Behin-Aein et al., Nat Nanotech.5 (2010) 266-270]和基于稀磁半导体的逻辑[S. J. Joo et al., Nature 494 (2013) 72–76];等等,其中一些已经在实验上得到演示。然而,这些方案都很难与现有的CMOS架构相兼容,并且无法与现有的半导体逻辑器件各项综合性能指标相比拟,因而限制了其进一步的发展与应用。另一方面,除了减小逻辑单元的尺寸之外,增加计算机速度的另一个可行方案是让一个逻辑单元实现多种逻辑功能,而这对于现有的硅基逻辑器件是很难做到的。因此,一个关键科学问题是:能否找到一种逻辑单元,既结合了数据非易失性和多功能特性,同时又能兼容现有的CMOS架构?
  在这个具有挑战性的科学前沿难题激励下,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)(磁学国家重点实验室)M02课题组韩秀峰研究员领导的研究团队,通过优化磁异质结构材料并利用自旋轨道耦合转矩(Spin-orbit torque)效应及自旋霍尔效应,在探索新型自旋逻辑器件及其工作机理方面,取得了突破性进展。该团队利用微纳加工方法,将Pt/Co/MgO和Ta/CoFeB/MgO两种典型的具有垂直磁各向异性的磁性异质结构加工成十字状的Hall条[图1(a)]样品,利用锁相技术表征了对两种体系中电流所携带的自旋轨道耦合力矩成分。尔后,通过在Hall条两路径同时施加脉冲电流的方式,研究了类阻尼力矩(Damping-like torque)和类场力矩(Field-like torque)这两种自旋轨道耦合力矩对磁化翻转行为的作用与影响[图1. (b)-(e)],并用宏自旋模型定性地解释了实验结果,为后续自旋逻辑单元的研制阐明了工作原理。同时,利用反铁磁材料的交换偏置效应,还能实现在零磁场条件下电流驱动的磁矩翻转。相关结果已发表在物理评论和应用物理快报杂志上[Xuan Zhang, C. H. Wan and X. F. Han et al., Electrical control over perpendicular magnetization switching driven by spin-orbit torques. Phys. Rev. B 94 (2016) 174434; Wenjie Kong, C. H. Wan and X. F. Han et al., Field-free spin Hall effect driven magnetization switching in Pd/Co/IrMn exchange coupling system, Appl. Phys. Lett. 109 (2016) 132402]。
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图1.(a)样品和测量布置示意图,其中FM代表磁性层,HM代表重金属层。临界翻转电流随偏置电流的依赖关系,Pt/Co/MgO体系,测试磁场为(b) Hy=+100 Oe 和 (c) Hy=-100 Oe;Ta/CoFeB/MgO体系,测试磁场为(d) Hy=+100 Oe 和 (e) Hy=-100 Oe。
  之后,进一步利用该种结构,实验上实现了两种基于自旋霍尔效应的电流驱动的自旋逻辑单元。在第一种试验方案中,两路脉冲电流作为逻辑的两个输入端,施加到Hall条的同一支上,电流的大小作为输入的0或1,一个有限磁场施加在与脉冲操作电流平行或反平行的方向上[图2(a)]。逻辑输出取决于脉冲操作电流如何驱动磁性层垂直磁化状态的改变,并由反常霍尔电阻给出。根据体系在不同大小和方向的一个有限磁场下、两路脉冲操作电流驱动磁性层垂直磁化状态翻转的响应行为,在一个逻辑单元中可以实现五种逻辑功能(“与”、“或”、“非”、“与非”和“或非”)。通过改变磁场的大小和方向以及磁性层的初始磁化状态,一个逻辑单元可以通过脉冲操作电流驱动磁性层垂直磁化状态的变化,可在不同的逻辑功能之间实现切换,从而实现可编程性[图2. (b)-(f)]。相关工作已在《先进电子材料》杂志上发表[C. H. Wan, Xuan Zhang and X. F. Han et al., Programmable spin logic based on spin Hall effect in a single device, Adv. Electron. Mater. 2017, 1600282, DOI: 10.1002/aelm.201600282]。
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图2.(a) 样品和测量布置示意图。逻辑单元测试:(b) 与门;(c) 或门;(d) 非门; (e) 与非门;(f) 或非门。
  在第二种试验方案中,作为逻辑输入的两路大小相等的脉冲电流分别施加到Hall条相互垂直的两臂上,脉冲电流的正负为输入的0和1,一个有限磁场施加在两臂的角平分线上[图3(a)]。根据该自旋逻辑单元在不同方向磁场下、对两路脉冲操作电流驱动磁性层垂直磁化状态变化的响应行为,同样可以在逻辑单元中实现“与”、“或”、“非”、“与非”和“或非”这五种常见的逻辑功能,并且通过改变固定磁场的施加方向和系统的初态、进而实现可编程性[图3. (b)-(f)]。
  值得一提的是,第二种方案中利用了自旋霍尔效应翻转磁矩的对称性要求。存储在逻辑单元的信息受到这种对称性保护,使得单一的脉冲电流输入无法改变逻辑单元的状态。一方面,这使信息的逻辑运算处理和存储可靠性大大增加。另一方面,这个特性使得这种逻辑单元可以很方便地拓展成为可编程的逻辑阵列。在这种逻辑阵列中,逻辑单元可以被精确操控,即只有两路脉冲电流都不为零的单元可以被逻辑(写入)操作,其余的单元保持不变。这为未来实现16种布尔逻辑运算和更复杂的逻辑运算功能奠定了物理基础。相关工作已经以主编推荐快讯的形式发表在近期的国际磁学专业期刊《磁学与磁性材料》杂志上[Xuan Zhang, C. H. Wan and X. F. Han et al., Experimental demonstration of programmable multi-functional spin logic cell based on spin Hall effect, J. Magn. Magn. Mater. 428 (2017) 401–405, Letter to Editor]。
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图3.(a)样品和测量布置示意图。逻辑单元测试:(b)或门;(c) 与门;(d) 与非门;(e) 或非门;(f) 非门。
  上述两个试验方案,均实现了信息的非易失性、单个逻辑单元的多功能性和可编程性。同时,所采用的纳米磁异质结构易于进一步拓展,并转化为实用型材料和器件结构,从而实现与现有的CMOS架构相兼容,具有重要的科学和应用价值。
  相关研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部和中科院有关项目基金的支持。

Linkage with related publications:
[1] Electrical control over perpendicular magnetization switching driven by spin-orbit torques. Phys. Rev. B 94 (2016) 174434.

[2] Field-free spin Hall effect driven magnetization switching in Pd/Co/IrMn exchange coupling system. Appl. Phys. Lett. 109 (2016) 132402.

[3] Programmable Spin Logic Based on Spin Hall Effect in a Single Device. Adv. Electron. Mater. 2017, 1600282.

[4] Experimental demonstration of programmable multi-functional spin logic cell based on spin Hall effect. J. Magn. Magn. Mater. 428 (2017) 401-405, Letter to Editor.