基于自旋霍尔效应的超低功耗自旋逻辑器件设计及制作

Comparing to conventional semiconductor logic devices, the spin logic has a lot of advantages, such as high capacity, high speed, low power consumption, nonvolatility, unlimited endurance and so on. Spin Hall effect can provide one convenient and effective method to produce spin current, which can control the magnetic dynamics of nanomagnet. Therefore, it is possible to make spin logic devices controlled only by electrical methods based on spin Hall effect. However, for the future application of this novel kind of spin logic devices, some basic problems cannot be ignored, for example, how to precisely measure the spin Hall angle of one certain material and discover special metals or alloys with strong spin-orbit coupling, how to overcome the shortcoming of in-plane magnetic tunnel junction for storing information of logic devices, how to manipulate the nanomagnet with perpendicular anisotropy by in-plane current. These are all problems that are urged to be solved. In this project, magnetron sputtering will be used to fabricate CoFeB-based perpendicular thin films with heavy metals using for bottom layer. Furthermore, perpendicular magnetic tunnel junctions will be nanofabricated using e-beam lithography and ion milling . The effect of in-plane current on magnetic properties of perpendicular thin films and magnetic tunnel junctions will be also investigated. Finally, the spin logic devices, in which the Read unit is based on MTJs while the Write unit is based on the spin Hall effect (GSHE), will be designed and nanofabricated.

以电子自旋为载体的逻辑器件与传统的半导体逻辑器件相比，有着信息大、速度高、损耗低、信息非易失性,长寿命等诸多优点。自旋霍尔效应（SHE）可提供了一种方便和有效的产生自旋流的方法。并使其对纳米磁性单元磁化动力学行为进行调控，使全电学方法控制的自旋逻辑器件成为可能。尚有一系列基础问题亟待解决，例如，自旋霍尔角的精确测量和发现自旋霍尔效应强的重金属材料及合金、如何克服平面磁性隧道结作为磁性逻辑存储单元的局限性和如何使用平面电流翻转垂直磁性单元等。本课题拟采用磁控溅射的方法制备高质量以重金属为底层的CoFeB基垂直磁化膜，在此基础上采用电子束光刻等微加工工艺制备垂直磁性隧道结，研究平面电流对CoFeB基垂直磁化膜各向异性的影响。设计并制作基于磁性隧道结读单元和基于自旋霍尔效应写单元的逻辑电路。

自旋电子器件与传统的半导体器件相比，有着信息大、速度高、损耗低、信息非易失性、长寿命等诸多优点。其中，自旋霍尔效应提供了一种方便和有效的产生自旋流的方法，并能够对纳米磁性单元磁化动力学行为进行调控。本项目基于高质量垂直磁化膜，利用自旋轨道力矩（SOT）效应，构建了低功耗自旋逻辑器件，并从材料、物理及器件等方面展开系列研究。进一步地，本项目将研究方向拓宽至其他材料体系和新兴的研究领域如人工神经网络系统、信息安全器件及存算一体化等。.具体的研究内容包括（1）基于Ta/CoFeB/MgO垂直磁化膜实现的SOT忆阻器；（2）基于自旋力矩效应（SOT和STT）实现的多数门逻辑器件；（3）可重构磁性斯格明子逻辑及存算一体研究；（4）基于Ta/CoFeB/MgO垂直磁化膜实现的真随机数发生器及物理不可克隆函数器件；（5）基于可控铁电纳米裂纹实现的存算器件研究。.目前已取得诸多重要研究成果，具体包括（1）基于SOT效应驱动磁畴壁移动，制备了磁电阻连续可调的自旋忆阻器，并验证了可用于模仿人工神经突触功能；（2）构建了可级联的磁性多数门逻辑器件模型，具有低的功耗和高的集成度；（3）构建了基于磁性斯格明子轨迹移动实现的可重构逻辑器件模型，并提出了斯格明子存算一体化架构；（4）制备了SOT真随机数发生器纳米器件以及界面各向异性能随机变化的自旋物理不可克隆函数器件，具有高安全性和可靠性；（5）制备了电控可开闭的铁电纳米裂纹器件，可同时实现存储和逻辑功能，具有极低的静态功耗。.本项目构建了多种不同类型的自旋逻辑器件，具有低的功耗开销和高的集成度。此外，本项目的开展拓宽了自旋电子器件的研究范畴和应用领域，在诸多新兴领域具有巨大的潜在应用价值。