目前报道的SOT逻辑器件大都是以双极性电信号的形式进行逻辑操作,需要额外的辅助电路对给定电信号进行转化从而完成逻辑操作,导致该电路结构复杂,能量和面积的开销大,严重阻碍了自旋逻辑器件在低功耗和高密度集成领域的应用。

自旋逻辑器件由于具有非易失性、低功耗以及易于小型化等优点,尤其是基于SOT的自旋逻辑器件具有高速、高耐久性,因而更加适合存内计算领域的应用,具有巨大的应用潜力。然而,目前报道的SOT逻辑器件大都是以双极性电信号的形式进行逻辑操作,需要额外的辅助电路对给定电信号进行转化从而完成逻辑操作(图 1a),导致该电路结构复杂,能量和面积的开销大,严重阻碍了自旋逻辑器件在低功耗和高密度集成领域的应用。 

为解决上述问题,中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心罗军研究员课题组研制了采用单极电压信号作为逻辑输入的全电控自旋逻辑器件,类似于CMOS逻辑电路的单极性输入特性,该器件无需额外辅助电路以完成逻辑操作(图 1b)。该逻辑器件基于本研究组前期研发的单极性SOT-MTJ的特性而研制(IEEE EDL,43,(2022)709),其在较高的电压下写入高电阻态、在低的电压下会翻转到低电阻态(图 1c)。由于其具备单极写入特性,故可将输入信号直接加在器件底电极两端(图 1d)。通过定义不同的输入信号,实现XOR/XNOR逻辑操作的转化(图 2),因此该逻辑电路是可重构的。与利用双极性电信号实现XOR/XNOR操作的STT逻辑和SOT逻辑电路相比,基于单极性SOT逻辑输入的电路使用更少的晶体管和消耗更低的能量。该研究成果为SOT-MTJ成为可重构性、低功耗、高集成度的存内计算逻辑提供了一种全新方法。 

  图1、(a)双极性自逻辑器件电路结构,(b)单极性自旋逻辑器件电路结构,(c)单极性器件翻转特性曲线,(d)测试电路图。 

  图2、XOR/XNOR逻辑测试结果 

基于本研究成果的论文“Spin Logic Operated by Unipolar Voltage Inputs”近日发表在著名的微电子领域期刊《电子器件快报》(IEEE Electron Device Letters,DOI: 10.1109/LED.2022.3186427)上。中科院微电子所博士生赵磊为第一作者,中科院微电子所先导中心罗军研究员和杨美音副研究员为该文的共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院有关项目的支持。 

  论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9807345 

此外,罗军研究员团队前期采用离子注入在Pt/Co/Ta霍尔器件中也获得了单极性的电流控制磁化翻转,设计并实现了AND和OR两种不需要重置操作的自旋逻辑功能。与需要重置的布尔逻辑功能相比,其具有操作时间短、集成度高、能耗低等优点。基于本研究成果的论文“Current controlled non-hysteresis magnetic switching in the absence of magnetic field”近日发表在物理学期刊《应用物理快报》(Applied Physics Letters, 2022, 120(6): 062402)。 

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