Память c иcпользованием СТП и спинтронные логические схемы

Спинтронные логические элементы 2-го поколения

1. Логика на наномагнитах 2-го поколения

Во "втором поколении" логических схем на спинтронных вентилях используют явление спин-транспортного перемагничивания (СТП). СТП вариант описанной выше логики на наномагнитах отличается только тем, что для формирования требуемых состояний входных ФНЭ используют явление СТП. С этой целью входные ФНЭ выполняют в виде магниторезистивных ячеек, показанных на рис. 2.8.а.

Рис. 2.8. (а) Входной и (б) выходной ФНЭ логики на наномагнитах 2-го поколения

Входной ФНЭ состоит из нижнего электрода 1, "свободного" ферромагнитного слоя 2, туннельного слоя 3, "фиксированного" ферромагнитного слоя 4 и верхнего электрода 5. При пропускании электрического тока того или иного направления "свободный" ферромагнитный слой входного ФНЭ принудительно намагничивается в заданном направлении. А затем его влияние распространяется на последующие ФНЭ 6, 7, 8, … Аналогично выходной ФНЭ ( рис. 2.8.б) состоит из нижнего электрода 1, "свободного" ферромагнитного слоя 2, туннельного слоя 3, "фиксированного" ферромагнитного слоя 4 и верхнего электрода 5. Но направление намагниченности "свободного" ферромагнитного слоя 2 зависит здесь от состояния предыдущих ФНЭ 9, 10, 11. В зависимости от этого электрическое сопротивление выходной магниторезистивной ячейки будет относительно большим или относительно малым.

2. Логика с использованием латерального СТП

Простая магниторезистивная туннельная ячейка с записью информации методом СТП оказалась малопригодной для построения логических схем. Ведь ток считывания из нее должен быть намного меньше тока перемагничивания (рис. 2.1.в), что не позволяет выходы предыдущих логических элементов непосредственно подключать ко входам следующих. И потому большинство разработок спинтронных логических схем 2-го поколения пошло по пути сочетания спинтронных логических вентилей с КМДП схемами. Из всего разнообразия предложенных вариантов мы рассмотрим лишь некоторые.

Вариант реализации мажоритарной логической схемы с использованием т.н. "латерального" СТП показан на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Структура мажоритарной логической схемы с латеральным СТП. Вверху – вид в плане, внизу – вид в разрезе вдоль линии Н-Н

Она состоит из "свободного" ферромагнитного элемента 1, входных элементов 2, 3 и 4 и выходного элемента 5. Структура в поперечном сечении вдоль линии Н-Н показана внизу. Здесь Подл – подложка, на которой сформированы все элементы; Д – диэлектрик; СФС – "свободный" ферромагнитный слой; ТС – туннельный слой; ФФС – "фиксированный" ферромагнитный слой; ЭлВ – металлические верхние электроды; ЭлН – металлический нижний электрод выходного элемента, который обычно заземляют. Когда на электрод одного из входных элементов (2, 3 или 4) подают положительный импульс напряжения или электрического тока, то ток течет от него сквозь СФС к электроду ЭлН. Этот электрический ток спин-поляризован и переносит к выходному элементу магнитный момент, ориентированный вправо. Когда же на электрод подают отрицательный импульс напряжения (тока), то спин-поляризованный электрический ток переносит к выходному элементу магнитный момент, ориентированный влево. Это и называют "латеральным переносом спина".

К области СФС, расположенной в выходном элементе, стекаются спин-токи от всех трех входов ( i_А, i_В и i_С). Поэтому эта область перемагничивается в направлении, определяемом алгебраической суммой магнитных спин-токов. Состояние выходной магниторезистивной ячейки является логической функцией Μ(A,B,C) от логических значений входных токов (напряжений).

2. Логика с использованием однодоменного СТП

На рис. 2.10показана структура мажоритарной логической схемы с использованием однодоменного СТП.

Рис. 2.10. Структура мажоритарной логической схемы с однодоменным СТП. Внизу – вид в разрезе, вверху – вид в плане

Она состоит из однодоменного "свободного" ферромагнитного элемента 1 типа описанного выше ФНЭ, из входных элементов 2, 3 и 4 и выходного элемента 5. Структура последних показана внизу в поперечном разрезе. Здесь Подл – подложка, на которой сформированы все элементы; ЭлН – металлический слой, который образует общий для всех элементов нижний электрод; СФС – "свободный" ферромагнитный слой, который в силу нанометровых размеров представляет собой единый магнитный домен с осью легкого намагничивания в направлении большего размера; ТС – туннельный слой; ФФС – "фиксированный" ферромагнитный слой; ЭлВ – металлические верхние электроды. Общий нижний электрод (ЭлН) обычно заземляют.

Когда на электрод одного из входных элементов (2, 3 или 4) подают положительный импульс напряжения или электрического тока, то под ним из СФС приходят в движение вверх электроны. Сквозь туннельный слой (ТС) в ФФС проходят в основном электроны со спином, ориентированным вправо (в направлении намагниченности ФФС), а электроны с противоположно ориентированным спином накапливаются. И когда их становится достаточно много, они перемагничивают СФС влево.

Когда же на электрод входного элемента (2, 3 или 4) подают отрицательный импульс напряжения (тока), то под ним из ФФС вниз движутся электроны со спином, ориентированным в основном вправо. И если их достаточно много, то они перемагничивают СФС вправо.

Состояние магнитного домена, когда одна часть его объема намагничена в одном направлении, а другая – в другом, не является стабильным. Поэтому вскоре после окончания импульсов напряжения (тока), поданных на три входа, весь объем домена намагничивается в направлении, соответствующем усилиям большинства входов. В этом, "мажоритарном", направлении намагничивается и та часть домена, которая входит в состав выходного элемента. Таким образом, состояние выходного элемента является логической функцией Μ(A,B,C) входных сигналов.