一種數據非易失性、多功能和可編程的自旋邏輯研究進展?

韓秀峰1)2)? 萬蔡華1)2)

1)(中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家研究中心,北京 100190)

2)(中國科學院大學物理科學學院,北京 100049)

(2018年5月7日收到;2018年5月14日收到修改稿)

1 引 言

在當今大數據時代,每天產生超過2萬億字節的新數據.這些海量數據在給人們帶來前所未有的機遇和便利的同時,也對數據的處理能力提出了嚴峻的挑戰.現代計算機處理數據的能力幾乎完全取決于其中的邏輯單元,而傳統的解決方案,即通過縮小邏輯單元的尺寸來提高器件的集成密度,由于物理上和微加工工藝上的限制已經趨近于改進和提升的極限.為此,凝聚態物理、微電子和材料科學領域的工作者都在積極尋找可能替代現有晶體管的功能更強大的新型邏輯單元器件.研制自旋邏輯(磁邏輯)器件就是其中一種非常有發展前景的候選方案之一.

磁信息存儲與處理器件所具有的數據非易失性是實現“存儲處理一體化”架構的理想內稟屬性.該架構可以克服現有計算機馮·諾依曼模式的瓶頸限制,可以在很大程度上提高數據的處理效率.基于磁性材料及其工作機理,人們先后提出了多種方案,包括:基于單勢壘磁性隧道結的磁場驅動型磁邏輯單元結構[1];基于磁性量子點的磁場驅動型點格自動機磁邏輯[2];基于磁疇壁運動的磁場驅動型磁邏輯[3];基于自旋波傳播的邏輯[4];以及基于半導體的磁場驅動型邏輯[5]等,其中一些設計已經在實驗上得到演示.然而,這些方案都很難與現有的互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)架構和磁隨機存儲器(magnetic random access memory,MRAM)相兼容,并且無法與現有的半導體邏輯器件各項綜合性能指標相比擬,因而限制了其進一步的發展與應用.另一方面,除了減小邏輯單元的尺寸之外,增加計算機速度的另一個可行方案是讓單一邏輯單元可編程地實現多種邏輯功能,而這對于現有的硅基邏輯器件是很難同時做到的.因此,一個關鍵科學問題是:能否找到一種磁性邏輯單元,使之既能結合數據非易失性和多功能特性,同時又能兼容現有的CMOS架構和新型MRAM.

基于磁性隧道結的磁邏輯器件,恰好能滿足CMOS,MRAM兼容性以及多功能可編程性的要求.基于磁性隧道結的磁邏輯方案也經歷了兩代器件設計原理的發展.第一種基于磁性隧道結單元和磁場驅動的設計方案是Ney等[1]2003年提出,他們設想利用磁場進行邏輯處理,并利用隧道結的高低阻態來實現數據讀取.通過不同的電流布線的安排,該方案原理上可以實現可編程性,但是因為驅動場是電流誘導的外加磁場,功耗會很高,且結構復雜,因而很難具有實際操作和應用的價值.第二種方案是將驅動方式變成自旋轉移力矩[6,7].相對于第一種磁場驅動方案而言,它的優勢是功耗可大幅降低且結構相對簡單,但因為脈沖驅動電流對隧道結存在潛在的損傷作用,它的使用頻次和壽命會受到限制.因此,如何開發低功耗、高速度、可近無限次讀寫的可編程多功能自旋邏輯器件,成為自旋電子學領域,特別是自旋邏輯研究領域的國際前沿難點課題.

自旋軌道力矩效應的發現[8?10]使構造上述多功能可編程自旋邏輯器件成為可能.首先自旋軌道力矩效應賦予電流高效操控磁矩的能力;其次產生自旋軌道力矩的電流無需通過構造磁存儲單元和自旋邏輯單元的磁性隧道結,這極大地降低了磁性隧道結被擊穿的風險,從而保證了邏輯器件所需的極高可操作次數;最后自旋軌道力矩對磁矩的翻轉作用可受外界條件,如偏置磁場、電場、電流的控制,這為自旋邏輯器件的多功能化和可編程操作提供了豐富的實現手段.基于這些潛在的優勢,我們開展了自旋軌道力矩在自旋邏輯器件方面的探索性研究工作.

2 自旋霍爾邏輯設計方案和器件實驗

首先優化了兩個磁性隧道結常用的垂直薄膜體系Pt/Co/MgO和Ta/CoFeB/MgO,然后利用紫外曝光技術和后續離子束刻蝕工藝,將上述兩種典型的磁性異質結構加工成十字狀的霍爾條器件(圖1(a)).隨后利用鎖相技術,通過在霍爾條兩路徑同時施加脈沖電流的方式,標定了這兩個體系的自旋軌道力矩產生效率、自旋軌道力矩的來源以及類場項( fi eld-like torque)和類阻尼項力矩(damping-like torque)對磁矩翻轉作用的影響(圖1(b)—(e)),并利用宏自旋模型定性地解釋了實驗結果,為后續自旋邏輯單元的研制闡明了工作原理[11].同時,利用反鐵磁材料的交換偏置效應,還能實現在零磁場條件下電流驅動的磁矩翻轉[12].

Zhang等[11]的研究結果已經顯示,在Pt/Co/MgO體系中,類阻尼項遠大于類場項,而在Ta/CoFeB/MgO體系中這兩類力矩項的大小可比擬.在圖1中,因為Pt/Co/MgO體系的類場項可忽略,因此偏置電流(bias current)對臨界翻轉電流(IC)的影響是關于偏置電流偶對稱的:即無論偏置電流的極性是正或負,偏置電流的增加均導致臨界翻轉電流的降低(圖1(b)和圖1(c)).但是對于類場項不能忽略的Ta/CoFeB/MgO體系,偏置電流只有在極性合適的條件下,才能顯著降低臨界翻轉電流密度的大小(圖1(d)和圖1(e)),如當Hy=+100 Oe時,正偏置電流才能顯著降低IC.

之后,進一步利用這種結構,我們在實驗上實現了兩種基于自旋霍爾效應的電流驅動的自旋邏輯單元,分別是“+”字型和“×”字型自旋邏輯器件.分類標準取決于偏置磁場與霍爾條電流支路的相對取向:“+”字型、“×”字型自旋邏輯器件分別對應磁場平行于電流支路、磁場與電流支路成45?配置的情形.

在第一種“+”字型自旋邏輯方案中,兩路脈沖電流作為兩個邏輯輸入端,施加到霍爾條的同一支上.不同大小的電流24 mA和42 mA分別作為0和1的邏輯輸入.一個磁場施加在與脈沖操作電流平行或反平行的方向上(圖2(a)).邏輯輸出取決于脈沖操作電流如何驅動磁性層垂直磁化狀態的改變,并由反常霍爾電阻(Rxy)給出,大于和小于200 m?的反常霍爾電阻分別對應1和0的邏輯輸出.根據體系在不同大小和方向的一個磁場下,兩路脈沖操作電流驅動磁性層垂直磁化狀態翻轉的響應行為,在一個邏輯單元中可以實現五種邏輯功能(“與”、“或”、“非”、“與非”和“或非”)(圖2(b)—(f)).通過改變磁場的大小和方向以及磁性層的初始磁化狀態,一個邏輯單元可以通過脈沖操作電流驅動磁性層垂直磁化狀態的變化,可在不同的邏輯功能之間實現切換,從而實現可編程性[13].

圖1 (a)樣品和測量布置示意圖,其中FM代表磁性層,HM代表重金屬層;(b)—(e)臨界翻轉電流隨偏置電流的依賴關系,其中Pt/Co/MgO體系,測試磁場為(b)Hy=+100 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)和(c)Hy=?100 Oe;Ta/CoFeB/MgO體系,測試磁場為(d)Hy=+100 Oe和(e)Hy=?100 Oe[11]Fig.1.(a)Schematic diagram for the Hall devices and corresponding measurement setup;FM and HM are short for ferromagnetic layer and heavy metal layer,respectively;(b)and(c)bias current dependence of critical switching current at Hy=+100 Oe and?100 Oe,respectively,for Pt/Co/MgO system;(d)and(e)bias current dependence of the critical switching current at Hy=+100 Oe and?100 Oe,respectively,for Ta/CoFeB/MgO system[11].

具體而言,當Hx=500 Oe時,體系的臨界翻轉電流密度為76 mA.該邏輯單元處于“與”的邏輯狀態.在邏輯操作前,先通過IA=IB=?42 mA,將磁矩初始磁化到“向下”的狀態(霍爾電阻小于200 m?),此時邏輯單元處于“0”的邏輯初始態.在后續的邏輯操作過程中,當IA=IB=24 mA時(對應于A=0和B=0的邏輯輸入),IA+IB<76 mA,電流不足以將磁矩翻轉到“向上”的狀態.因此當邏輯操作結束后,磁矩依然處于“向下”的狀態,邏輯輸出“0”.另外兩種情況IA=24 mA,IB=42 mA(A=0,B=1)和IA=42 mA,IB=24 mA(A=1,B=0)的條件下,器件將得到類似的邏輯輸出“0”.只有當IA=IB=42 mA時(對應于A=1和B=1的邏輯輸入),IA+IB>76 mA,磁矩才能被翻轉至“向上”的狀態,最終使得邏輯輸出變成“1”.因此這些磁矩翻轉的規則,在Hx=500 Oe的條件下,滿足邏輯“與”門的要求(圖2(b)).

圖2 (a)第一種“+”字型自旋邏輯器件和測量布置示意圖;邏輯單元測試:(b)與門;(c)或門;(d)非門;(e)與非門;(f)或非門[13]Fig.2.(a)Schematic diagram and its measurement setup for a “+” type spin logic device;(b)“AND”,(c)“OR”,(d)“NOT”,(e)“NAND”and(f)“NOR”gate realized by the“+”type spin logic device[13].

當Hx=3500 Oe時,器件的臨界翻轉電流密度降低至60 mA.此時,唯有當IA=IB=24 mA時(對應于A=0和B=0的邏輯輸入),磁矩才能維持“向下”的狀態,輸出邏輯“0”;在其他三種情況下IA+IB等于66 mA或者84 mA,均大于60 mA,因此磁矩將被翻轉到“向上”的狀態,實現邏輯“1”的輸出.此時,器件以“或”門的方式工作(圖2(c)).

當磁場方向反向,如從正變負,根據自旋軌道力矩效應的特點,電流翻轉磁矩作用的方向也會發生逆轉,如文獻[12]圖2所示,因此磁場的反向相當于一個額外的求逆操作.此時和“與”門、“或”門完全相同的操作步驟,將會導致截然相反的邏輯輸出.“與”門變成“與非”門;“或”門變成“或非”門,如圖2(e)和圖2(f)所示.基于自旋霍爾效應的自旋邏輯器件,其優點在這個范例中得到淋漓盡致的體現:自旋邏輯器件的可編程性可通過對自旋軌道力矩翻轉作用的調控來獲得.

在第二種“×”字型自旋邏輯方案中,作為邏輯輸入的兩路大小相等的脈沖電流分別施加到霍爾條相互正交的兩臂上,脈沖電流的+55 mA和?55 mA分別作為邏輯輸入的1和0,自旋“向上”和“向下”分別作為邏輯輸出1和0,一個磁場施加在兩臂的角平分線上,與電流支路成45?配置(圖3(a)).根據該自旋邏輯單元在不同方向磁場下,對兩路脈沖操作電流驅動磁性層垂直磁化狀態變化的響應行為,同樣可以在邏輯單元中實現“與”、“或”、“非”、“與非”和“或非”這五種常見的邏輯功能,并且通過改變偏置磁場的施加方向和系統的初態,還可實現該自旋邏輯器件的可編程性(圖 3(b)—圖 3(f)).

該器件的自旋軌道力矩的磁矩翻轉曲線如文獻[14]中的圖2所示.針對“或”門而言,首先利用IA=IB=+55 mA初始化磁矩.此時偏置磁場H=1200 Oe.因為兩路電流密度的矢量合成方向與偏置磁場方向平行,此時電流誘導的自旋軌道力矩可以將磁矩初始化到“向上”的狀態,使得初始邏輯狀態為“1”.當A=B=1時,磁矩維持初始“向上”的“1”狀態.當A=0,B=1或A=1,B=0時,A,B兩路輸入電流密度的合成方向與偏置磁場垂直.此時,電流產生的自旋軌道力矩不滿足翻轉磁矩所需的對稱性要求,因此磁矩不發生翻轉.磁矩依然維持在其初始“向上”的狀態.上述三種情況,器件均輸出邏輯“1”.唯有當A=B=0,或者兩路電流均沿x軸和y軸的負方向時,合成的電流密度反平行于偏置磁場,此時磁矩才能夠從自旋“向上”的狀態翻轉至“向下”的狀態,從而邏輯輸出“0”.

“與”門的實現與“或”門類似,同樣施加H=1200 Oe的偏置磁場.不過此時磁矩需要利用IA=IB=?55 mA的條件被初始化到“向下”的狀態.器件被初始化到“0”的狀態.當A=B=0或者A=1,B=0或者A=0,B=1時,磁矩不發生翻轉,器件維持“0”的狀態.只有當A=B=1時,合成電流方向與偏置磁場平行,磁矩能夠從“向下”翻轉到“向上”的狀態,從而輸出邏輯“1”.此時的磁矩翻轉特性剛好可以模擬邏輯“與”門的邏輯輸入輸出特點.

1 Reset 0 1 Reset 0 1 0

圖3 (a)第二種“×”字型自旋邏輯器件和測量布置示意圖;邏輯單元測試:(b)或門;(c)與門;(d)與非門;(e)或非門;(f)非門[14]Fig.3.(a)Schematic diagram and its measurement setup for a “×” type spin logic device;(b)“OR”,(c)“AND”,(d)“NAND”,(e)“NOR”and(f)“NOT”gate realized by the“×”type spin logic device[14].

表1 兩種不同自旋邏輯方案的異同點對照表Table 1.Comparison between two diferrent spin logic devices.

與“+”字型自旋邏輯方案類似,在“×”字型自旋邏輯器件中,磁場的反向也相當于求逆操作,因此當偏置磁場變成?1200 Oe時,和“與”門、“或”門類似的邏輯操作剛好可以給出“與非”門和“或非”門的邏輯輸出規則,從而實現不同邏輯門的可編程操作.

值得指出的是,在第二種“×”字型自旋邏輯方案中,我們利用了自旋霍爾效應翻轉磁矩的對稱性要求.存儲在邏輯單元的信息受到這種對稱性保護,使得單一的脈沖電流輸入無法改變邏輯單元的狀態.一方面,這使信息的邏輯運算處理和存儲可靠性大大增加;另一方面,這個特性使得這種邏輯單元可以很方便地拓展成為可編程的邏輯陣列.在這種邏輯陣列中,邏輯單元可以被精確操控,即只有兩路脈沖電流都不為零的單元可以被邏輯(寫入)操作,其余的單元保持不變.這種邏輯操作方案非常有利于自旋邏輯單元的陣列化.

兩種自旋邏輯器件的特點如表1所列.這兩種自旋邏輯方案的實現均可為未來進一步實現16種布爾邏輯運算和更復雜的邏輯運算功能奠定原型器件設計和器件物理基礎.

3 結論與展望

上述兩種試驗方案均已實現了數據的非易失性存儲和單個邏輯單元的多功能可編程邏輯操作.實現的邏輯操作包括“與”、“ 或”、“非”、“與非”和“或非”門.同時器件的功耗還需要通過進一步尋找具有大自旋霍爾角的材料以及縮小器件尺寸來降低.該器件在實際應用中,不易通過反常霍爾電阻進行數據讀出或級聯,因此還需要進一步通過磁性隧道結較大的隧穿磁電阻效應進行相關邏輯運算與存儲操作,以使該器件易于與現有CMOS電路和MRAM相兼容.更重要的是,現在展示的自旋邏輯器件還需要外加偏置磁場的輔助,才能進行邏輯運算和可編程操作.我們已經嘗試了利用交換偏置[12]或者交換耦合效應[15]來替代外加偏置磁場,從而可以構造出無需外加磁場輔助的新型自旋邏輯器件,并且通過合適的交換耦合磁性結構設計和自旋邏輯器件結構設計,同樣可以實現多功能和可編程的邏輯操作[15].

上面兩種方案均需一個外加偏置磁場來輔助實現布爾邏輯功能.該偏置磁場也可利用層間交換耦合(interlayer exchange coupling,IEC)磁場替換,如圖4(a)所示.這種結構包括面內各向異性磁化層(FM1)、間隔交換耦合層(IEC layer)、垂直各向異性磁化層(FM2)和兩層由重金屬構成的種子層(seed layer)和覆蓋層(capping layer).通過IEC,FM1會對FM2施加一個沿x方向的面內交換耦合場.此時施加x方向的電流,利用覆蓋層對FM2的自旋軌道力矩,便可以實現零外加磁場下的垂直磁矩翻轉.有意思的是,當沿y方向施加電流時,面內磁化層FM1也能感受到種子層的自旋軌道力矩而發生翻轉.通過控制FM1層的磁矩方向,Wang等[15]可以控制FM2層所感受到的有效場的方向,從而實現自旋霍爾邏輯器件的可編程性.

具體而言,先沿?y方向施加偏置電流IBias,使FM1磁矩朝左.然后如“+”字型自旋邏輯器件原理——多數門原理,沿x方向同時施加IA和IB作為邏輯輸入,控制FM2的磁矩方向,“向上”和“向下”分別對應邏輯輸出1和0.模擬結果如圖4(b)所示,滿足“與”門的要求.

如果預先沿+y方向施加IBias,使FM1磁矩朝右,則FM2層感受到的面內有效場反向.和上述“與”門完全相同的邏輯操作將產生“與非”門的效果.通過控制FM1層的磁矩方向,便可以實現“與”門和“與非”門的可編程操作.關鍵是,上述操作全在零磁場條件下完成,已經接近自旋邏輯器件實際應用的場景.

綜上所述,基于納米磁異質結構的自旋邏輯器件,易于與現有的CMOS架構和MRAM器件相兼容,具有低功耗、高速、操作次數近無限的優勢,它還具備豐富的功能和可編程操作的特性,因此具有重要的科學和應用價值,為發展計算-存儲融合的新型計算架構提供了一種優良的備選方案.

圖4 基于IEC系統的自旋霍爾邏輯器件 (a)薄膜結構示意圖;該器件工作在(b)“與”門和(c)“與非”門狀態下的輸入輸出邏輯操作圖;可編程性可通過控制面內層FM1磁矩方向來實現,而FM1層的磁矩方向由偏置電流來決定Fig.4.Spin Hall logic device based on an interlayer-coupled system:(a)The stack structure of the system;(b)proposed“AND”and(c)“NAND”logic function of the device.Programmability is realized by controlling magnetization of the FM1 via bias current.

[1]Ney A,Pampuch C,Koch R,Ploog K H 2003 Nature 425 485

[2]Imre A,Csaba G,Ji L,Orlov A,Bernstein G H,Porod W 2006 Science 311 205

[3]Allwood D A,Xiong G,Faulkner C C,Atkinson D,Petit D,Cowburn R P 2005 Science 309 1688

[4]Behin-Aein B,Datta D,Salahuddin S,Datta S 2010 Nat.Nanotechnol.5 266

[5]Joo S J,Kim T,Shin S H,Lim J Y,Hong J,Song J D,Chang J,Lee H W,Rhie K,Han S H,Shin K H,Johnson M 2013 Nature 494 72

[6]Han X F,Wen Z C,Wang Y,Wang L,Wei H X 2008 AAPPS Bull.18 24

[7]Yao X F,Harms J,Lyle A,Ebrahimi F,Zhang Y S,Wang J P 2012 IEEE Trans.Nanotechnol.11 120

[8]Miron I M,Garello K,Gaudin G,Zermatten P J,Costache M V,Au ff ret S,Bandiera S,Rodmacq B,Schuhl A,Gambardella P 2011 Nature 476 189

[9]Liu L Q,Pai C F,Li Y,Tseng H W,Ralph D C,Buhrman R A 2012 Science 336 555

[10]Liu L Q,Lee O J,Gudmundsen T J,Ralph D C,Buhrman R A 2012 Phys.Rev.Lett.109 096602

[11]Zhang X,Wan C H,Yuan Z H,Zhang Q T,Wu H,Huang L,Kong W J,Fang C,Khan U,Han X F 2016 Phys.Rev.B 94 174434

[12]Kong W J,Ji Y R,Zhang X,Wu H,Zhang Q T,Yuan Z H,Wan C H,Han X F,Yu T,Fukuda K,Naganuma H,Tung M J 2016 Appl.Phys.Lett.109 132402

[13]Wan C H,Zhang X,Yuan Z H,Fang C,Kong W J,Zhang Q T,Wu H,Khan U,Han X F 2017 Adv.Electron.Mater.3 1600282

[14]Zhang X,Wan C H,Yuan Z H,Fang C,Kong W J,Wu H,Zhang Q T,Tao B S,Han X F 2017 J.Magn.Magn.Mater.428 401

[15]Wang X,Wan C H,Kong W J,Zhang X,Xing Y W,Fang C,Tao B S,Yang W L,Huang L,Wu H,Irfan M,Han X F Field-Free Programmable Spin Logics via Chirality Reversible Spin-Orbit Torque Switching 2018 Adv.Mater.(Accepted)