一種可重構的硅基磁邏輯單元的制作方法
【專利摘要】本發明涉及半導體材料，特別是一種可重構的硅基磁邏輯單元。硅基磁邏輯單元包含一個或兩個可重構的硅基磁邏輯器件、一個或兩個磁場發生器以及一個或兩個控制監測電路。磁邏輯器件包含四個一定幾何形狀的電極，分別位于長條型硅單晶基片的四角，在基片長邊兩個電極間并聯二極管；磁場發生器為磁性材料或線圈；控制監測電路包含分別并聯于基片兩條短邊上兩個電極間的電流源和電壓表。對磁邏輯單元或由之組合形成的磁邏輯陣列，視磁場發生器的磁場方向為邏輯輸入，視電壓表所并聯的短邊兩電極的極間電壓或多個此極間電壓的和為邏輯輸出，只需配置控制監測電路的連接方式和調節電流源的工作電流大小，而無需改變電路硬件結構，就可實現多種邏輯運算。
【專利說明】一種可重構的硅基磁邏輯單元
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體材料及器件【技術領域】，特別是涉及一種可重構的硅基磁邏輯單
J Li ο
【背景技術】
[0002]硅基的互補金屬-氧化物-半導體(CMOS)晶體管是當今邏輯器件的主流。但是，利用小型化來提高計算性能和降低成本的方法已經逐漸接近了其理論極限[Nature399, 729-730 (1999)]。磁邏輯器件有希望克服這個問題，目前的磁邏輯器件主要分為基于自旋的磁邏輯器件和基于磁場的磁邏輯器件。基于自旋的磁邏輯器件面臨著誤碼率高，可靠性差的問題，從而大大限制了它們的應用前景。最近，科學家設計了基于磁場的邏輯器件[Nature494，72-76 (2013)]，利用非磁性的半導體中巨大的磁電效應，在InSb (銻化銦)材料中實現了可編程的磁邏輯運算。但是這種磁邏輯器件和半導體中主流的硅材料不兼容，不能使用成熟的硅工藝，離實際工業應用還相距甚遠。我們的磁邏輯器件的磁電響應是基于在硅中發現的二極管增加磁阻現象[Nature477，304-307 (2011)]。在這里，我們發明了一種基于硅基此邏輯器件的硅基磁邏輯單元，可以通過單個磁邏輯單元實現室溫下的可重構非邏輯、復制邏輯、與邏輯、或邏輯、與非邏輯、或非邏輯共6種邏輯運算，可以通過多個磁邏輯單元的組合實現室溫下的其他公知邏輯運算，也可以通過磁邏輯單元陣列實現隨機的磁邏輯計算。
[0003]考慮到硅材料在當今信息工業中的地位，設計高計算性能和低能耗的硅基磁邏輯器件意義重大。我們的發明不僅可能可以制造出更加高效、節能的微處理器，而且可能推動傳統的硅電子學向磁電子學的升級。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，包含可重構的硅基磁邏輯器件、磁場發生器以及控制監測電路；所述硅基磁邏輯器件包含硅單晶基片、第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、二極管；所述磁場發生器位于磁邏輯器件的上面、下面、左邊、右邊、前面或者后面；所述控制檢測電路包含電流源與電壓表，電流源與電壓表分別并聯在磁邏輯器件兩個短邊的兩個電極之間；控制檢測電路的配置方式與電流源的工作電流大小決定硅基磁邏輯單元實現的邏輯運算。
[0005]所述硅基磁邏輯器件、控制監測電路和磁場發生器均為一個或兩個，控制監測電路的數量與硅基磁邏輯器件的與數量一致，磁場發生器的數量與硅基磁邏輯器件的數量相同或不相同。
[0006]所述磁場發生器的磁場或磁化方向為娃基磁邏輯單兀的輸入邏輯；一個電壓表所并聯的短邊兩個電極的極間電壓或兩個電壓表所并聯的短邊兩個電極的極間電壓的和為硅基磁邏輯單元的輸出邏輯。
[0007]所述的控制監測電路的配置方式有兩種:電流源并接于二極管正極相連的短邊的兩個電極之間，電壓表并接于二極管負極相連的短邊的兩個電極之間；或者電流源并接于二極管負極相連的短邊的兩個電極之間，電壓表并接于二極管正極相連的短邊的兩個電極之間。
[0008]所述硅基磁邏輯單元的輸出邏輯實現“復制”、“非”、“與”、“或”、“與非”或者“或非”邏輯中的一種。
[0009]所述硅基磁邏輯器件的第一電極、第二電極、第三電極、第四電極分別沉積或壓附于硅單晶基片的四個角上，所述二極管并聯在硅單晶基片長邊的兩個電極之間。
[0010]所述的磁場發生器是磁性材料或線圈，其施加于硅基磁邏輯器件的磁場是磁性材料的漏磁，或是線圈產生的磁場。
[0011]所述電極的幾何配置為矩形，且長寬比大于0.1 ;所述的電極形成歐姆接觸，是金屬銦In、鋁Al、鎵Ga、金Au或者鈦Ti等形成歐姆接觸，或是重摻雜工藝形成歐姆接觸。
[0012]所述娃單晶基片為長條狀，其電阻率需大于0.1 Ω.cm ;所述娃單晶基片的遷移率對于η型娃而言,達到0.lm2/Vs ;對于p型娃而言,達到0.04m2/Vs。
[0013]所述的二極管為硅基二極管、硅基穩壓二極管、硅基肖特基二極管或者硅基隧穿二極管。
[0014]本發明的有益效果是設計了可重構的硅基磁邏輯器件和基于該器件的硅基磁邏輯單元。硅基磁邏輯單元中包含一個或多個硅基磁邏輯器件，以一個或多個磁場發生器提供的磁信號為輸入，以硅基磁邏輯器件的其中兩個電極間電壓或者多個極間電壓的求和電壓作為輸出，通過對一個或多個電流源連接方式的設計和工作電流的調控，在溫度600K以下，磁場強度0.05T以上的條件下，實現了可進行“復制”、“非”、“與”、“或”、“與非”和“或非”等邏輯運算的硅基磁邏輯單元。硅基磁邏輯器件可重構，在實現的硅基磁邏輯單元里，不需要改變電路的硬件結構，只需改變控制監測單元即可實現不同的邏輯運算。根據邏輯運算的電壓輸出，利用自旋轉移力矩(STT)或者產生奧斯特磁場的方法,改變磁體的磁化方向，進而改變邏輯輸入。利用這個方法把不同邏輯單元級聯組合，可以實現任何公知的邏輯運算。可編程邏輯可以提高計算性能，磁邏輯運算結合了邏輯運算和非易失的磁存儲，可以使得處理芯片更加集成、節能和高效。而且我們的器件是硅基的，與硅基半導體工業兼容，性能突出，結構簡單，原材料價格適中，且環境友好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為可重構的硅基磁邏輯器件結構圖；
[0016]圖2為控制監測電路兩種配置方式示意圖；
[0017]圖3為實現“復制”和“非”邏輯運算的硅基磁邏輯單元結構圖；
[0018]圖4為實現“與”、“或”、“或非”和“與非”邏輯運算的硅基磁邏輯單元結構圖；
[0019]圖5為硅基磁邏輯單元陣列中任意兩個位元進行“與”、“或”、“或非”和“與非”邏輯運算的結構圖；
【具體實施方式】
[0020]本發明涉及一種可重構的硅基磁邏輯單元，下面結合具體實施例對本發明作詳細說明，但并不因此而限制本發明的內容。
[0021]除非另有說明外，實施例中磁場發生器的磁化方向作為整個硅基磁邏輯器件的邏輯輸入，并且磁化方向向下時視為輸入邏輯“1”，磁化方向向上時視為輸入邏輯“O”。下面結合附圖對本發明作進一步說明:
[0022]圖1所示為磁邏輯器件100的構造圖。將電阻率為3000 Ω.cm的η型硅單晶基片切割成長條狀硅單晶基片101，分別將第一電極111、第二電極112、第三電極113、第四電極114共4個Ti金屬電極沉積在長條狀硅單晶基片101表面的四個角上，第一電極111、第二電極114位于長條狀硅單晶基片的左側長邊沿，第一電極111與第四電極114之間并聯穩壓二極管121，其中，二極管可以正接也可以反接，但是二極管121正極與第一電極111相連，負極與第四電極114相連的方式效果更好，因為此處二極管只提供電流開關，磁邏輯器件利用霍爾效應產生與磁場正負、磁場大小相關的輸出電壓；二極管的開啟電壓范圍是:
0.1V?50V。由此制得了可重構的硅基磁邏輯器件100。
[0023]圖2所示為硅基磁邏輯器件100的兩種控制監測電路，圖2a為控制監測電路A200,圖2b為控制監測電路B300。控制監測電路A200和控制監測電路B300中電流源和電壓表的位置對調，兩種控制監測電路中電流源與電壓表關于硅單晶基片短邊沿呈鏡面對稱；二極管連接方式不變。在硅基磁邏輯器件內產生的霍爾電壓的大小相同，符號相反。在控制監測電路A200中，電流源131并接在硅基磁邏輯器件100中的第二電極112和第一電極111之間，為電路提供恒定電流，電壓表132并接在硅基磁邏輯器件100中的第三電極113和第四電極114之間，用于測量第三電極113和第四電極114之間的電壓作為邏輯單元輸出。在控制監測電路B300中，電流源131并接在硅基磁邏輯器件100中的第四電極114和第三電極113之間，為電路提供恒定電流，電壓表132并接在硅基磁邏輯器件100中的第一電極111和第二電極112之間，用于測量第三電極113和第四電極114之間的電壓作為邏輯單元輸出。
[0024]在實際應用時，通常在第二電極112和第一電極111之間、第三電極113和第四電極114之間均并聯電流源，但在實現具體邏輯時，只有一個電流源工作，另一個電流源處于斷開狀態；對于電流源具體工作電流的選擇原則，主要有:對于“復制”運算，控制電流需要大于磁輸入I的拐點電流值；對于“非”運算，控制電流需要大于磁輸入O的拐點電流值；對于圖4對應實現的“與”和“或”運算，兩者的控制電流大于磁輸入(1，1)的拐點電流值，而且“與”運算的控制電流小于“或”運算的控制電流；對于圖4對應實現的“與非”和“或非”運算，兩者的控制電流大于磁輸入(0，0)的拐點電流值，而且“或非”運算的控制電流小于“與非”運算的控制電流；對于圖5對應的隨機磁邏輯運算，因為其包含兩個位元，故而其單個位元電流源大小的確定標準同“復制”與“非”的判斷標準。電壓表為理想電壓表，在硅基磁邏輯單元中的作用僅為監測所并聯的兩電極間的電壓，電壓表的有無并不影響所并聯的兩電極間的電壓大小。
[0025]實施例1
[0026]本實施例在溫度300K,磁場強度0.15T,穩壓二極管的穩定電壓6.8V條件下,對一個磁場發生器提供的一個磁信號，通過改變電流源與電壓表的連接方式和調控工作電流，實現“復制”和“非”的邏輯運算。規定電壓表測量到的電壓大于1mV時視為邏輯輸出“1”，測量電壓小于1mV視為邏輯輸出“O”。無論邏輯單元其他參數如何變化，1mV的判斷標準維持不變。
[0027]圖3所示為一個基于可重構的硅基磁邏輯器件100實現“復制”和“非”運算的硅基磁邏輯單元400。磁場發生器141選用NdFeB材料的永磁鐵，磁場發生器141水平放置于硅基磁邏輯器件100的左側，磁邏輯器件100的控制監測電路可以選擇控制監測電路A200，也可以選擇控制監測電路B300。當選用控制監測電路A200時，調節電流源131的恒定電流為790 μ A，在硅基磁邏輯單元400的輸入邏輯分別為“I”和“O”時，電壓表132的測量電壓分別為20.3mV和5.7mV,即硅基磁邏輯單元400的輸出邏輯分別為“I”和“0”，可知硅基磁邏輯單元400在選用控制監測電路A200的情況下實現了“復制”的運算邏輯。當選用控制監測電路B300時，調節電流源131的恒定電流為680 μ Α，在硅基磁邏輯單元400的輸入邏輯分別為“I”和“O”時，電壓表132的測量電壓分別為5.6mV和18.5mV,即硅基磁邏輯單元400的輸出邏輯分別為“O”和“1”，可知硅基磁邏輯單元400在選用控制監測電路B300的情況下實現了 “非”的運算邏輯。
[0028]實施例2
[0029]本實施例在溫度300K，磁場強度0.15T，穩壓二極管的穩定電壓6.8V條件下，使用兩個磁鐵提供的兩個磁信號作為輸入，通過改變電流源與電壓表的連接方式和調控工作電流，可以實現“與”、“或”、“與非”和“或非”的邏輯運算。
[0030]圖4所示為一個基于可重構的硅基磁邏輯器件100實現“與”、“或”、“或非”和“與非”邏輯運算的邏輯單元500。第一磁場發生器142和第二磁場發生器143 —左一右平行放置于磁邏輯器件100的兩側，磁場發生器均選用NdFeB材料的永磁鐵，磁邏輯器件100的控制監測電路可以選擇控制監測電路A200，也可以選擇控制監測電路B300。定義第一磁場發生器142邏輯輸入為a，第二磁場發生器143邏輯輸入為b時，硅基磁邏輯單元500的雙輸入邏輯為(a，b)，其中a、b可以為“I”或“O”；電壓表測量到的電壓大于20mV時視為邏輯輸出“1”，測量電壓小于20mV視為邏輯輸出“O”。
[0031]在硅基磁邏輯單元500的輸入邏輯分別為(I, I)，(I, O)，(O, I)和(O, O)時，若選用控制監測電路A200，并調節電流源131的恒定電流為775μΑ，電壓表132的測量電壓分別為11.5mV，4.7mV，4.7mV和4.6mV，即硅基磁邏輯單元500的輸出邏輯分別為“ 1”，“0”，“O”和“0”，可知此時硅基磁邏輯單元500實現了 “與”的運算邏輯；
[0032]若選用控制監測電路A200，并調節電流源131的恒定電流為790 μ A，電壓表132的測量電壓分別為20.3mV, 11.0mV, 10.9mV和5.7mV,即硅基磁邏輯單元500的輸出邏輯分別為“ I ”，“ I ”，“ I ”和“0”，可知此時硅基磁邏輯單元500實現了 “或”的運算邏輯；
[0033]若選用控制監測電路B300，并調節電流源131的恒定電流為665 μ A，電壓表132的測量電壓分別為5.1mV, 5.2mV, 5.2mV和11.2mV,即硅基磁邏輯單元500的輸出邏輯分別為“0”，“0”，“O”和“ I”，可知此時硅基磁邏輯單元500實現了 “或非”的運算邏輯；
[0034]若選用控制監測電路B300，并調節電流源131的恒定電流為680 μ A，電壓表132的測量電壓分別為5.6mV, 11.1mV, 11.1mV和18.5mV,即硅基磁邏輯單元500的輸出邏輯分別為“0”，“ I ”，“ I ”和“ I ”，可知此時硅基磁邏輯單元500實現了 “與非”的運算邏輯；
[0035]實施例3
[0036]本實施例在溫度300K,磁場強度0.15T,穩壓二極管的穩定電壓6.8V條件下,對任意的兩個位置的磁鐵提供的兩個磁信號，通過改變電流源與電壓表的連接方式和調控工作電流，可以實現隨機磁存儲單元的直接可編程邏輯運算，包括“與”、“或”、“與非”和“或非”。
[0037]本實施例將圖3所示的包含一個磁場發生器141與一個磁邏輯器件100的磁邏輯單元400視為一個基本的位元，磁場發生器141水平放置于磁邏輯器件100的左側。本實施例實現了在由位元組成的M*N存儲陣列或者圓形存儲陣列中任意位置的兩個位元的布爾邏輯運算。對于由鄰近磁鐵產生的干擾，可以添加適當的屏蔽材料。
[0038]圖5a和圖5b分別為對任意兩個位元進行“與”、“或”、“或非”和“與非”邏輯運算的硅基磁邏輯單元AS600和硅基磁邏輯單元BS700。定義第一位元的磁場發生器的邏輯輸入為a,第二位兀的磁場發生器的邏輯輸入為b時,娃基磁邏輯單兀AS600和BS700的雙輸入邏輯為(a，b)，其中a、b可以為“I”或“O”；定義加法器的輸出電壓為整個磁邏輯單元AS600和BS700的輸出；加法器的輸出電壓大于20mV，視為邏輯輸出“ 1”，電壓小于20mV視為邏輯輸出“O”。
[0039]娃基磁邏輯單兀AS600選用控制監測電路A200,第一位兀401電壓表132-1與第二位兀402電壓表132-2的測量電壓通過加法器133-1輸出，第一位兀401的磁場發生器141-1和第二位元402的磁場發生器141-2均選用NdFeB材料的永磁鐵。在硅基磁邏輯單元AS600的輸入邏輯分別為(1，I)，(I, O)，(O, I)和(0，O)時，調節電流源131-1和131-2的恒定電流分別為775 μ A和715 μ A，加法器133-1的輸出電壓分別為25.4mV, 17.5mV, 18.6mV和10.7mV,即硅基磁邏輯單元AS600的輸出邏輯分別為“1”，“0”，“O”和“0”，可知此時硅基磁邏輯單元AS600實現了“與”的運算邏輯；調節電流源131-1和131-2的恒定電流分別為790 μ A和730 μ Α,加法器133-1的輸出電壓分別為43mV, 27.3mV, 28.4mV和12.7mV,即硅基磁邏輯單元AS600的輸出邏輯分別為“ I ”，“ I ”，“ I ”和“0”，可知此時硅基磁邏輯單元AS600實現了 “或”的運算邏輯；
[0040]硅基磁邏輯單元BS700選用控制監測電路B300，第一位元403電壓表132-3與第二位兀404電壓表132-4的測量電壓通過加法器133-2輸出，第一位兀403的磁場發生器141-3和第二位元404的磁場發生器141-4均選用NdFeB材料的永磁鐵。在硅基磁邏輯單元BS700的輸入邏輯分別為(1，I)，(I, O)，(O, I)和(0，O)時，調節電流源131-3和131-4的恒定電流分別為680μΑ和705 μ Α，加法器133-2的輸出電壓分別為11.1mV, 21.6mV, 24.9mV和35.4mV,即硅基磁邏輯單元BS700的輸出邏輯分別為“0”，“1”，“I”和“1”，可知此時硅基磁邏輯單元BS700實現了“與非”的運算邏輯；調節電流源131-3和131-4的恒定電流分別為665 μ A和690 μ Α，加法器133的輸出電壓分別為9.6mV, 14.9mV, 16.9mV和22.2mV,即硅基磁邏輯單元BS700的輸出邏輯分別為“0”，“0”，“O”和“ I ”，可知此時硅基磁邏輯單元BS700實現了 “或非”的運算邏輯。
【權利要求】
1.一種可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，包含可重構的硅基磁邏輯器件、磁場發生器以及控制監測電路；所述硅基磁邏輯器件包含硅單晶基片、第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、二極管；所述磁場發生器位于磁邏輯器件的上面、下面、左邊、右邊、前面或者后面；所述控制檢測電路包含電流源與電壓表，電流源與電壓表分別并聯在磁邏輯器件兩個短邊的兩個電極之間；控制檢測電路的配置方式與電流源的工作電流大小決定硅基磁邏輯單元實現的邏輯運算。
2.根據權利要求1所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述硅基磁邏輯器件、控制監測電路和磁場發生器均為一個或兩個，控制監測電路的數量與硅基磁邏輯器件的與數量一致，磁場發生器的數量與硅基磁邏輯器件的數量相同或不相同。
3.根據權利要求1或2所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述磁場發生器的磁場方向為娃基磁邏輯單兀的輸入邏輯；一個電壓表所并聯的短邊兩個電極的極間電壓或兩個電壓表所并聯的短邊兩個電極的極間電壓的和為硅基磁邏輯單元的輸出邏輯。
4.根據權利要求1所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述的控制監測電路的配置方式有兩種:電流源并接于二極管正極相連的短邊的兩個電極之間，電壓表并接于二極管負極相連的短邊的兩個電極之間；或者電流源并接于二極管負極相連的短邊的兩個電極之間，電壓表并接于二極管正極相連的短邊的兩個電極之間。
5.根據權利要求1所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述硅基磁邏輯單元的輸出實現“復制”、“非”、“與”、“或”、“與非”或者“或非”邏輯中的一種。
6.根據權利要求1所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述硅基磁邏輯器件的第一電極、第二電極、第三電極、第四電極分別沉積或壓附于硅單晶基片的四個角上，所述二極管并聯在硅單晶基片長邊的兩個電極之間。
7.根據權利要求1所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述的磁場發生器是磁性材料或線圈，其施加于硅基磁邏輯器件的磁場是磁性材料的漏磁，或是線圈產生的磁場。
8.根據權利要求1或6所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述電極的幾何配置為矩形，且長寬比大于0.1 ;所述的電極形成歐姆接觸，是金屬銦In、鋁Al、鎵Ga、金Au或者鈦Ti等形成歐姆接觸，或是重摻雜工藝形成歐姆接觸。
9.根據權利要求1或6所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述硅單晶基片為長條狀，其電阻率需大于0.1 Ω.Cm;所述硅單晶基片的遷移率對于η型硅而言，達到0.lm2/Vs ;對于P型娃而言，達到0.04m2/Vso
10.根據權利要求1或6所述的可重構的硅基磁邏輯單元，其特征在于，所述的二極管為硅基二極管、硅基穩壓二極管、硅基肖特基二極管或者硅基隧穿二極管。
【文檔編號】H03K19/20GK104052464SQ201410289592
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】章曉中, 羅昭初, 熊成悅 申請人:清華大學