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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 11600 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ein langjähriges Ziel CMOS-basierter Logikgeräte besteht darin, die Anforderungen wichtiger Märkte zu erfüllen, einschließlich Betrieb mit extrem geringem Stromverbrauch und hoher Betriebsgeschwindigkeit sowie der fortschreitenden Miniaturisierung der Architektur. Trotz erheblicher Fortschritte in ihrer Entwicklung weisen herkömmliche CMOS-basierte Geräte jedoch immer noch Nachteile auf, wie z. B. die Entstehung großer unbeabsichtigter Leckströme und flüchtiges Verhalten. Daher haben sich rekonfigurierbare Logikgatter auf Basis magnetischer Domänen (MD) als vielversprechende Option erwiesen, da sie hohe Betriebsgeschwindigkeiten, Nichtflüchtigkeit und vielfältige Logikfunktionen in einer Einzelgerätekonfiguration bieten. Hier befassen wir uns mit mehreren rekonfigurierbaren MD-Logikgattern in einem einzigen zweikanaligen Hall-Bar-Gerät, indem wir die spannungsgesteuerten Lesestromrichtungen variieren und einen nichtinvertierenden oder invertierenden Komparator in W/CoFeB/MgO/Ta-Stacks auswählen. Das durch das Spin-Bahn-Drehmoment induzierte nichtflüchtige MD-Schaltverhalten wirkt sich erheblich auf unsere Logikgatterfunktionen aus, die nicht unbedingt mit einem einzelnen Takt synchronisiert sind. Durch die Anpassung der MD-Umschaltung durch Spin-Orbit-Drehmoment und anomale Hall-Effekt-Spannungsausgänge identifizierten wir acht rekonfigurierbare Logikgatter, darunter AND, NAND, NOR, OR, INH, Converse INH, Converse IMP und IMP, in einem einzigen Gerät. Diese experimentellen Erkenntnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in einer Vielzahl MD-basierter Logikanwendungen in der nahen Zukunft dar.

Spinbasierte Geräte, die auf der Manipulation des Spinfreiheitsgrads in magnetischen Systemen basieren, sind von großem Interesse, da sie eine der zuverlässigsten Optionen zur Bereitstellung zahlreicher Vorteile sind, wie z. B. hohe dynamische Geschwindigkeit, geringer Leckstrom, thermische Stabilität und nichtflüchtiger Speicher im Vergleich zu herkömmlichen komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS) auf Siliziumbasis1. Zu den bekanntesten Spin-Geräten gehört der Spin-Orbit-Torque-Magnetic-Random-Access-Memory (SOT-MRAM), der sich durch eine relativ hohe Fahrgeschwindigkeit, einen geringen Stromverbrauch und eine dauerhafte Leistung auszeichnet2. Daher hat das durch verschiedene Schwermetalle (HM) wie Ta und W unter Vorspannung induzierte Spin-Bahn-Drehmoment (SOT) in den letzten Jahren als vielversprechende Alternative für Spingeräte der nächsten Generation an Bedeutung gewonnen 3,4,5,6,7 .

Um solche Versprechen zu gewährleisten, gibt es einige spintronische Geräte, die auf dem SOT-Effekt basieren: spinbasierte Addierer-Subtrahierer, neuromorphe Geräte einschließlich Halbskyrmionen und Logikgeräte8,9,10,11,12. Die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI), ein wichtiger magnetischer Oberflächenkopplungseffekt, ist in spinbasierten Logikgeräten, die den SOT-Effekt und die Domänenwandbewegung nutzen, von entscheidender Bedeutung13,14,15,16,17,18. Der DMI entsteht durch Spin-Bahn-Kopplung an der Grenzfläche zwischen einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schwermetallschicht, was zu chiralem Magnetismus und der Bildung einzigartiger Spintexturen wie Skyrmionen führt19. Die chirale Spinstruktur wurde für logische Operationen genutzt, die auf chiral gekoppelten Nanomagneten oder der Bewegung von Domänenwänden durch Chiralitätsumschaltung basieren20. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Berücksichtigung des DMI beim Entwurf und der Implementierung spinbasierter Logikgeräte20.

Insbesondere sollen SOT-basierte rekonfigurierbare Logikgeräte Lösungen für extrem stromsparende, schnelle, hochdichte und nichtflüchtige Systeme bieten. Diese Geräte können auch mehrere Logikoperationen in einem einzigen Geräterahmen ausführen, was ihre Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Logikgeräten steigert21,22,23,24,25,26,27,28,29. Zahlreiche Studien zu spinbasierten rekonfigurierbaren Logikgeräten haben beispielsweise auch über erfolgreiche Logikoperationen unter Verwendung von Skyrmion-Dynamik, magnetischen Tunnelverbindungen und chiralitätsbasierten Wirbeldomänenwänden berichtet30,31,32,33,34.

Unter den verschiedenen Ansätzen für spinrekonfigurierbare Logikgeräte haben auch solche, die strominduzierte magnetische Domänenschaltung (MD) verwenden, großes Interesse als Grundbausteine ​​für den Einsatz fortschrittlicher Logikkomponenten auf sich gezogen21, 24. Experimentelle Demonstrationen von MD-Wand-basierten Logikkomponenten unter Verwendung eines magnetischen Tunnels Es wurde über Übergänge berichtet35, 36. Kürzlich haben Forscher die Leistung eines rekonfigurierbaren MD-Logikgatters untersucht, indem sie die durch den SOT-Effekt konjugierten anomalen Hall-Effekt-Spannungsausgangssignale (AHE) manipuliert haben. Obwohl bereits über MD-Logikgatter mit AHE-Spannung berichtet wurde, versuchen sie immer noch, die praktische Implementierung mehrerer rekonfigurierbarer Logikgatter in einer einzigen Gerätekonfiguration zu nutzen und den Vorteil des nichtflüchtigen Verhaltens zu nutzen22, 24, 25.

In diesem Brief stellen wir die Implementierung von acht rekonfigurierbaren Spin-Logik-Gattern mit SOT-gesteuerter MD-Schaltung in einem einzigen zweikanaligen Hall-Bar-Rahmen vor. Die AHE-Spannung wurde systematisch überwacht, indem verschiedene Schaltungsanschlüsse für das Logikgatter verwendet wurden. Ein Konzept von MD-Logikgattern besteht darin, die SOT-Stromrichtungen in einer zweikanaligen Hall-Bar-Konfiguration unter Vorspannung zu manipulieren, wodurch aufgrund der Stabilität des MD die Notwendigkeit einer Zeitsynchronisation zwischen den Eingängen entfällt. Das zweite Konzept beinhaltet die Manipulation der Ausgangsspannung durch Variation der Lesestromrichtungen in einer zweikanaligen Hall-Bar-Konfiguration unter derselben Vorspannung. Wir beschreiben rekonfigurierbare Logikgatter wie AND, NAND, NOR, OR, Converse INH, Converse IMP, INH und IMP in einem einzigen MD-Logikgatter, indem wir einen nicht-invertierenden und einen invertierten Komparator unter einem festen externen Magnetfeld auswählen.

Wir haben Probenstapel aus Substrat/W/2 nm Co20Fe60B20/1,1 nm MgO/1 nm TaOx/2 nm mit senkrechter magnetischer Anisotropie hergestellt, wie in Abb. 1a gezeigt. Die Filme wurden auf 200 nm dicken thermisch oxidierten Si-Substraten durch Magnetronsputtern bei Raumtemperatur unter einem Basisdruck von < 7 × 10–9 Torr und einem Ar-Druck von 3 mTorr abgeschieden. Das Nachglühen wurde 30 Minuten lang bei 350 °C unter Vakuumbedingungen von < 1 × 10–6 Torr und einem senkrechten Magnetfeld von 3 T durchgeführt. Der zweikanalige Hall-Stab wurde mithilfe von Photolithographie und Ar-Ionenfräsen auf eine Breite von 5 μm strukturiert, gefolgt von einem Sauerstoffplasma-Veraschungsprozess für 2 Minuten mit 80 W Hochfrequenzleistung, um restlichen Fotolack während der Ionenfräsvorgänge zu entfernen.

Beispielschema und magnetische Eigenschaften eines zweikanaligen Hall-Stabs. (a) Gerätestapel aus Substrat/W (2 nm)/CoFeB (1,1 nm)/MgO (1 nm)/TaOx (2 nm)-Schichten mit senkrechter magnetischer Anisotropie. (b) Optische Bilder des Zweikanal-Hall-Bar-Geräts mit Hervorhebung der AHE-Spannungselektroden, die von VH1 bis VH4 nivelliert sind. (c) Auftragung der Hall-Spannung VH gegen das Magnetfeld außerhalb der Ebene (Hz). Die schwarze Linie stellt die AHE-Spannung von Kanal 1 (VH13) dar, die durch Anschluss von VH1 und VH3 an einen Spannungsmesser überwacht wurde, während die rote Linie der AHE-Spannung von Kanal 2 (VH24) entspricht. (d) Subtrahierte Hall-Spannung (Vs) im Vergleich zum Out-of-Plane-Magnetfeld (Hz), definiert als Differenz zwischen den AHE-Spannungen in den Kanälen 1 und 2. Das elektrische Schaltschema für die Messung ist im unteren Teil der Abbildungen dargestellt (c) und (d).

Abbildung 1b zeigt eine repräsentative Hall-Bar-Konfiguration bestehend aus den Kanälen 1 und 2, hervorgehoben durch rote bzw. blaue gestrichelte Kästchen. Die AHE-Spannung (VH) wird hauptsächlich durch die z-Komponente der Nettomagnetisierung bestimmt. Zur Überwachung von VH werden vier AHE-Spannungselektroden (VH1, VH2, VH3 und VH4) verwendet. Die folgende Gleichung beschreibt die Beziehung zwischen VH und Lesestrom (Jread):

wobei Rs, Ms und tFM den anomalen Hall-Koeffizienten37, die Sättigungsmagnetisierung der ferromagnetischen Metallschicht (FM) bzw. die Dicke der FM-Schicht darstellen. VH ist proportional zu den Richtungen MD (mz) und Jread. Der Wert der AHE-Spannung wird durch das Vorzeichen von mz für einen gegebenen Jread bestimmt. Die AHE-Spannung jedes Kanals wird mithilfe von VH1, VH2, VH3 und VH4 in der Hall-Bar-Struktur geprüft. Abbildung 1c zeigt die AHE-Spannungen (VH13, VH24) der Kanäle 1 (schwarze Linie) und 2 (rote Linie) als Funktion des angelegten Out-of-Plane-Magnetfelds. Das Vorhandensein von Hystereseschleifen (\(\left|{H}_{c}\right|\) = 60 und 75 Oe) zeigte die erhaltenen PMA-Eigenschaften in den strukturierten Kanälen an. Der leichte Hc-Unterschied zwischen beiden Kanälen scheint auf das Vorhandensein unbeabsichtigter Defektstellen im Kanal 2 zurückzuführen zu sein, die im Vergleich zu Kanal 1 eine schnelle MD-Erzeugung ermöglichen. Abbildung 1d zeigt das Schaltbild der Hall-Bar-Struktur und der Voltmeter (grün) zur Bestimmung einer subtrahierten AHE-Spannung (Vs), wobei Vs als Differenz der AHE-Spannungen zwischen Kanal 1 und 2 in einem Messschritt definiert ist und wie folgt berechnet werden kann:

Die MDs des Zweikanals sind zwischen ± Hc = 60 und 75 Oe in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet, wie in Abb. 1c zu sehen ist. Die entgegengesetzte Richtung von MD erzeugt eine Spannungsdifferenz von Vs = ±3 mV. Der Vs ist Null (Vs = 0), wenn das MD in die gleiche Richtung ausgerichtet ist. Es ist bekannt, dass es an den Grenzflächen zu einer Spinakkumulation kommt, wenn ein unpolarisierter Ladungsstrom durch eine HM-Schicht mit großer Spin-Bahn-Kopplung fließt. Die angesammelten Spins diffundieren in das benachbarte FM, was zu einer MD-Umschaltung führt, die als SOT-Umschaltung bezeichnet wird. Der x-Achsenstrom induziert eine Spinpolarisation entlang der y-Achse. Das externe Magnetfeld (Hx) und der SOT-Strom (Jn) induzieren die Ausrichtung des MD-Zustands (mz, n), wie aus früheren Ergebnissen hervorgeht . Der positive Spin-Hall-Winkel (θsh) von W 39, 40 bestimmt die MD-Umschaltung, wie durch die folgende Gleichung angegeben:

Wie oben erläutert, ermöglicht ein ausreichender SOT-Strom in der W-Schicht der PMA-Probe das Aufwärts- oder Abwärts-MD-Schalten unter dem Magnetfeld Hx. Der DMI-Effekt des Logikgatters hat Auswirkungen auf die SOT- und MD-Umschaltung. Obwohl die Messung des DMI-Werts in unserer Arbeit nicht durchgeführt wurde, wird erwartet, dass der DMI-Wert an unserem Logikgatter dem in anderen früheren Arbeiten18 beschriebenen Ergebnis ähnelt, da die Gerätestruktur anderer Arbeiten der unseres Geräts ähnelt. Grundsätzlich konzentriert sich unser Logikgatter auf die rekonfigurierbare Logikoperation basierend auf der SOT- und AHE-Spannung.

Um die SOT-Umschaltung in einem zweikanaligen Hall-Bar zu demonstrieren, wird ein Schreibspannungsimpuls von der linken Spannungsquelle angelegt, die an Kanal 1 angeschlossen ist, und der SOT-Strom fließt durch die Kanäle 1 und 2, wie in Abb. 2a dargestellt. Die Dauer des Schreibspannungsimpulses und Hx betragen 100 ms bzw. 100 Oe. Um die individuelle MD-Umschaltung in der Zweikanal-Hallleiste durch SOT-Strom sicherzustellen, wird die MD-Umschaltung anhand der Spannungsquellenposition getestet (Abb. 2b). Die Ergebnisse zeigen, dass bei Anlegen eines Schreibspannungsimpulses von der linken oder rechten Spannungsquelle die MD-Umschaltung der Kanäle 1 und 2 in die entgegengesetzte Richtung erfolgt. Die AHE-Spannung wird bei 1 V Lesespannung nach Anlegen des Schreibspannungsimpulses erreicht. Bei dieser Messung entsprechen die Schreib- und Lesespannungsimpulse von 10 und 1 V den Schaltstromdichten von 1,0 × 107 A/cm2 bei Hx = 100 Oe bzw. 1,0 × 106 A/cm2. In unserer Arbeit arbeitet das Logikgatter mit einer Schreibspannung von 10 V und einem Strom von 3 mA, bei einer Pulsbreite von 100 ms. Daraus ergibt sich ein Energieverbrauch von 3 mJ und eine Betriebsgeschwindigkeit von 100 ms. Wenn wir jedoch den Energieverbrauch und die Betriebsgeschwindigkeit unserer herunterskalierten Geräte anhand der in der vorherigen Studie genannten Parameter schätzen41. Durch die Verwendung einer Stromdichte von 2,01 × 1012 A/m2 und einer Pulsbreite von 5 ns unter einem Magnetfeld von 200 Oe wird der Energieverbrauch auf 16 nJ geschätzt, was im Vergleich zum vorherigen Wert von 3 mJ deutlich reduziert ist. Die Operationsgeschwindigkeit wird auf 5 ns geschätzt. Die Schätzungen in verkleinerten Geräten deuten auf ein mögliches Potenzial für die Erzielung eines geringeren Energieverbrauchs und eines schnelleren Betriebs in unserem Logikgatter hin.

Mikroskopbilder und magnetische Domänenschalteigenschaften eines zweikanaligen Hall-Barrens über SOT-Strom. (a) Optisches Bild der SOT-Stromrichtungen (gelbe Pfeile) und der AHE-Spannungen gegenüber der Schreibspannung in derselben Richtung in einem zweikanaligen Hall-Bar-Gerät. (b) Optisches Bild von zwei entgegengesetzten SOT-Stromrichtungen (gelbe Pfeile) und AHE-Spannungen gegenüber der Schreibspannung. Die VH13- und VH24-Kurven in (a) und (b) stellen die unabhängig geschalteten AHE-Spannungen der Kanäle 1 bzw. 2 dar, wie sie anhand des entlang der x-Achse fließenden Lesestroms bei einer Lesespannung von 1 V überwacht werden.

Um weitere Einzelheiten zu den rekonfigurierbaren Logikgattern bereitzustellen, besteht die Grundstruktur des Gatters aus einer zweikanaligen Hall-Leiste, die aus einem Logikausgang über vier VHn, zwei Logikeingängen und einer Lesevorspannung besteht. Die Logikgatterfunktionen veranschaulichen, dass die drei Parameter mit unterschiedlichen Logikeingangskonfigurationen (V1, V2), Hx und Lesespannung (Vread = 1 V, Jread = 1,0 × 106 A/cm2) in derselben Struktur ausgeführt werden, wie gezeigt in Abb. 3a. Vier Logikeingangskonfigurationen „TT“, „TF“, „FT“ und „FF“ werden durch Anlegen einer Amplitude von ± 10 V und einer Impulsbreite von 100 ms identifiziert. Die roten (V1) und blauen (V2) Balken markieren die Logikeingangskonfigurationen (Abb. 3a). Ein wesentlicher Vorteil dieser Arbeit besteht darin, dass aufgrund ihres nichtflüchtigen Verhaltens keine Zeitsynchronisierung für MDs erforderlich ist. Zuerst wird V1 angelegt, nach einem Intervall von 10 ms folgt V2, und es wird ein kleiner Lesespannungsimpuls (1 V, 100 ms) angelegt, an dessen Ende die AHE-Spannung beobachtet wird. In Abb. 3a wird jedes Intervall, in dem Logikeingänge angelegt werden, durch das angezeigte ⓝ dargestellt, und der entsprechende MD in jedem subtrahierten Hall-Spannungszustand wird durch die MOKE-Bilder dargestellt (Abb. 3b). Die Abschnitte ① bis ⑤ veranschaulichen das Verhalten des Logikgatters unter einem externen Magnetfeld Hx, bei dem ein Lesestrom Jread nach rechts entlang der x-Achse angelegt wird. In Abb. 3a sind die gestrichelten Linien im Vs-Ausgabediagramm basierend auf Vs = 2 mV in orangefarbene und violette Bereiche unterteilt. Das Logikgatter zwischen AND und NAND kann durch Auswahl einer Komparatorreferenz bei 2 mV neu konfiguriert werden. Wenn beispielsweise Vs > 2 mV (orangefarbene Farbe), ist der Logikausgang „T“, was die UND-Gatter-Operation ermöglicht, die durch einen nicht invertierenden Komparator definiert wird. Wenn umgekehrt Vs < 2 mV (violette Farbe), ist der Logikausgang „T“, definiert durch einen invertierenden Komparator, wodurch das NAND-Logikgatter erreicht werden kann. Abschnitte von ⑥ ~ ⑨ stellen das Verhalten des Logikgatters unter einem Hx nach links entlang der x-Achse und einem Jread nach rechts entlang der x-Achse dar. Basierend auf Gl. (1) und (3) wird das Schalten des MD durch ein externes Magnetfeld umgekehrt, was zu einer Umkehrung der AHE-Spannung führt. Die entsprechenden Ergebnisse werden in den rekonfigurierbaren Logikgattern des NOR oder OR umgesetzt (Abb. 3b). Basierend auf Gl. (1) werden die rekonfigurierbaren Logikgatter für NOR oder OR implementiert, indem Jread nach links entlang der x-Achse und Hx nach rechts entlang der x-Achse angewendet wird. (Verschiedene MOKE-Bilder von MD, die durch Eingänge geschaltet werden, sind in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt.)

Rekonfigurierbares Logikgatter durch Eingänge und ihre entsprechende MOKE-Bildsequenz. (a) Logikgatter-Ausgang für die Schreibeingangsparameter bei ±V1 und ±V2 (±10 V), angezeigt durch rote und blaue Balken. Die Abschnitte ① ~ ⑤ zeigen Vs-Werte von +3 mV (hoher Zustand), −3 mV (niedriger Zustand) und 0 mV (mittlerer Zustand) mit einem externen Magnetfeld Hx und Leseströmen, die entlang der x-Achse nach rechts ausgerichtet sind. Abschnitte von ⑥ ~ ⑨ zeigen Zustände mit symmetrisch variierendem Hx b) Sequentielle MOKE-Bilder von MDs in jedem Kanal für Eingänge (+V1, +V2), (−V1, +V2), (+V1, −V2) und (− V1, −V2). Die hellen und dunklen Bereiche stellen die nach oben bzw. nach unten gerichteten Spins in den MDs dar.

Abbildung 4 zeigt die Implementierung von Logikgattern unter Verwendung einer nichtinvertierenden Operationsverstärker-Komparatorschaltung. Die folgende Gleichung bestimmt die Referenzspannung (Vref) basierend auf dem Spannungsabfall.

Schematische Darstellung der Komparatorschaltung und Vout-Kurven eines nicht invertierenden Komparators. Operationsverstärker-Komparatorschaltungen mit nicht invertierenden Konfigurationen, bei denen die Schaltung eine Vergleichsspannung Vref von 2 mV verwendet, um logische Ausgänge (Vout) in einer nicht invertierenden Komparatorschaltung zu erzeugen. Die Eingangsspannungen beider |V1| und |V2| haben die gleiche Amplitude von 10 V und dienen zur Umschaltung der MD-Zustände. Die positiven und negativen Amplituden von V1 und V2 entsprechen „Wahr“ bzw. „Falsch“. Der von links nach rechts gemessene Lesestrom ist proportional zur Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen.

Die Funktion eines Komparators besteht darin, dass das Ausgangssignal verstärkt wird, wenn der Pluspol des Operationsverstärkers größer als der Minuspol ist, und wenn er kleiner ist, das Ausgangssignal verringert wird. Der nichtinvertierende Komparator vergleicht die Werte zwischen Vs und Vref, um Vs in einen Ausgang (Vout) umzuwandeln. Abbildung 4 zeigt eine nichtinvertierende Komparatorschaltung und den entsprechenden Vout. Vs ist mit dem Pluspol verbunden, während Vref mit dem Minuspol des Operationsverstärkers verbunden ist. Die Funktionsweise eines nichtinvertierenden Komparators ist wie folgt; Wenn Vs größer als Vref ist, wird Vout auf 2 V verstärkt. Wenn umgekehrt Vs kleiner als Vref ist, wird Vout auf 0 V gedämpft. Durch die Nutzung des resultierenden Vout aus dem nichtinvertierenden Komparator kann der Zweikanal-Hallbalken dies effektiv tun Implementieren Sie ein UND-Gatter.

Die Spannungen V1 und V2 werden alle fünf Lesespannungsschritte angelegt. Die absoluten Amplituden von V1 und V2 betragen 10 V, was einer Schaltstromdichte von 1,0 × 107 A/cm2 bei Hx = 100 Oe entspricht. Die positiven und negativen Amplituden entsprechen den Werten „Wahr“ bzw. „Falsch“. Vs wird gemessen, indem Jread (1,0 × 106 A/cm2) angelegt wird, der von links nach rechts entlang des Kanals fließt. (Die Schaltung und die experimentellen Ergebnisse im Zusammenhang mit dem invertierenden Komparator sind in der ergänzenden Abbildung S2 dargestellt.)

Abbildung 5 zeigt die Analyse der acht Logikgatter (AND, NAND, NOR, OR, Converse INH, Converse IMP, INH und IMP) aus der zweikanaligen Hall-Leiste durch separate Übernahme unterschiedlicher Jread-Richtungen in einem festen Hx. Um das Logikgatter zu bestimmen, wird die Spannungsquelle links von Kanal 1 für die Logikgatter AND, NAND, NOR und OR und in der Mitte der Kanäle 1 und 2 für Converse INH, Converse IMP, INH und IMP angeschlossen. jeweils. Bevor das Logikgatter mithilfe des Lesestroms bestimmt wird, wird der MD durch Anlegen von Eingängen an das Logikgatter geschaltet. Gleichung (3) wird verwendet, um die Richtung der MD basierend auf Hx und Jn zu bestimmen. Wenn Hx und Jn in die gleiche Richtung fließen, ist die MD nach oben gerichtet. Wenn Hx und Jn in unterschiedliche Richtungen fließen, ist die MD nach unten gerichtet. Hx wird für alle Logikgatter entlang der x-Achse nach rechts angewendet. Wenn Jn entlang der x-Achse nach rechts fließt, zeigt die MD nach oben; Wenn Jn entlang der x-Achse nach links fließt, zeigt der MD nach unten. Daher wird der MD von Kanal 1 nach oben geschaltet, wenn J1 injiziert wird, der nach rechts entlang der x-Achse fließt, induziert durch eine positive Spannung V1, während das MD-Schalten von Kanal 2 aufgrund der Position der Schreibspannungsquelle in die entgegengesetzte Richtung erfolgt auf der gegenüberliegenden Seite der Hall-Bar.

Schematische Darstellung verschiedener Lesestromrichtungen und der entsprechenden Wahrheitstabelle. (a) Optisches Bild der gelesenen Stromrichtung (+x, +x) und die entsprechende Wahrheitstabelle. Das Logikgatter ist AND oder NAND. (b) Optisches Bild der Lesestromrichtung (−x, −x), das das Logikgatter NOR oder OR identifiziert. (c) Optisches Bild der Lesestromrichtung (−x, +x), das das Logikgatter Converse INH oder Converse IMP widerspiegelt. (d) Optisches Bild der Lesestromrichtung (+x, −x), das das Logikgatter INH oder IMP darstellt. Die roten und blauen Pfeile zeigen an, dass die Leseströme gleichzeitig in Richtung der positiven bzw. negativen x-Achse flossen. Die rein logischen Gatter werden durch Auswahl eines nichtinvertierenden oder invertierenden Komparators bestimmt.

Insbesondere wird die MD von Kanal 2 nach oben geschaltet, wenn J2 injiziert wird, das nach rechts entlang der x-Achse fließt, was durch ein negatives V2 induziert wird. Bemerkenswert ist, dass die MDs der Kanäle 1 und 2 auch bei gleicher Spannungsamplitude unterschiedlich geschaltet werden können. Die gleichen MD-Schaltergebnisse werden für alle Logikgatter unter demselben Eingang und denselben externen Magnetfeldern erzielt. Jeder der Eingänge V1 und V2 ist bei positiven und negativen Spannungen mit „T“ und „F“ gekennzeichnet. Nach Anlegen der oben genannten Eingaben werden rekonfigurierbare Logikgatter mit verschiedenen Lesestromrichtungen betrieben, wie in der Wahrheitstabelle in Abb. 5 dargestellt. Basierend auf den Gleichungen. (1) Die Richtung von Jread kann die AHE-Spannung der Kanäle manipulieren. Abbildung 5a zeigt die Implementierung von UND/NAND-Logikgattern unter Verwendung des Lesestroms, der in beiden Kanälen entlang der x-Achse nach rechts fließt. Abbildung 5b zeigt das NOR/OR-Logikgatter, das durch Leseströme verursacht wird, die in beiden Kanälen entlang der x-Achse nach links fließen. Abbildung 5c ​​zeigt das Converse INH/Converse IMP-Logikgatter, das durch die Leseströme nach links und rechts entlang der x-Achse für die Kanäle 1 bzw. 2 beobachtet wird. Wenn die MDs beider Kanäle in die gleiche ±z-Richtung zeigen, wird die AHE-Spannung von Kanal 1 invertiert, was zu einem Ausgang (Vs) von ∓ 3 mV führt. (Weitere Einzelheiten zur Korrelation zwischen Vs entsprechend der Lesestrompolarität und -amplitude finden Sie in der ergänzenden Abbildung S3.) Abb. 5d zeigt die INH/IMP-Logikgatter unter den Leseströmen, die in den rechten und linken Kanälen entlang der x-Achse fließen jeweils für Kanal 1 und 2. Wenn der Lesestrom entlang der x-Achse nach links durch Kanal 2 fließt, wird die AHE-Spannung in Kanal 2 invertiert. Da die MDs beider Kanäle in die gleiche ± z-Richtung zeigen, ist auch die AHE-Spannung von Kanal 2 invertiert, was zu Vs von ± 3 mV führt. Die AHE-Spannungen werden durch den durch die Kanäle fließenden Lesestrom überwacht, wobei die Lesespannung von ± 1 V den Lesestrom liefert, wie in Abb. 5 dargestellt. Die auf „T“ eingestellten Logikausgänge werden durch die Auswahl eines nicht invertierenden Kanals bestimmt Komparator (Vs > 2 mV) oder invertierender Komparator (Vs < 2 mV). (Experimentelle Ergebnisse zum Betrieb des Logikgatters durch die Lesestromrichtung sind in der ergänzenden Abbildung S4 dargestellt.) Um in zukünftigen echten Mikrochips noch komplexere Funktionen zu erreichen, besteht ein möglicher Ansatz darin, mehrere Gates in unserem Schema zu verbinden, indem die Vcc-Spannung der Komparatoren angepasst wird. Durch die Erhöhung der Vcc-Spannung von 2 auf 20 V kann beispielsweise sichergestellt werden, dass Vout und Logikeingänge gleich sind, wodurch der gewünschte Kaskadeneffekt erzielt wird. Es ist jedoch zu beachten, dass auch die Masse um + 10 V angehoben werden sollte, um die richtigen Spannungsniveaus aufrechtzuerhalten. Diese Bedingung scheint für den erfolgreichen Betrieb der kaskadierten Logikgatter notwendig zu sein.

Wir haben erfolgreich acht rekonfigurierbare Logikgatter mithilfe von SOT-Strömen in der zweikanaligen Hall-Bar-Architektur implementiert. Unter Verwendung der MDs des Zweikanals werden mehrere Logikgatter implementiert, die unterschiedliche SOT-Stromflüsse verwenden, die durch dieselben Spannungsamplitudeneingänge induziert werden. Aufgrund der nichtflüchtigen Natur von MDs entfällt die Notwendigkeit einer Zeitsynchronisierung, die normalerweise bei herkömmlichen Logikgeräten erforderlich ist. Durch die richtige Manipulation des externen Magnetfelds und der Lesestromrichtungen wird eine vielfältige Rekonfigurierbarkeit der Logikgatter erreicht, einschließlich AND, NAND, NOR, OR, Conver INH, Conver IMP, INH und IMP. Diese Gatter werden basierend auf den Eingängen, den Lesestromrichtungen und der Auswahl des nicht invertierenden oder invertierenden Komparators in einem festen Magnetfeld beschrieben. Somit könnten unsere experimentellen Erkenntnisse den Weg für die Realisierung rekonfigurierbarer Spin-Logik-Bausteine ​​ebnen, die in zukünftige SOT-MRAM- oder derzeit verfügbare CMOS-Technologien integriert werden können und so praktische Anwendungen in der Zukunft ermöglichen. Um die für die SOT-Schaltung erforderliche Magnetfeldunterstützung in einer zukünftigen Schaltung weiter zu implementieren, wird in naher Zukunft eine zusätzliche Elektrode hergestellt, um das Oersted-Feld über mehreren Logikgattern zu erzeugen. Die aktuellen Logikgatter sind so konzipiert, dass sie durch die Richtung des Lesestroms unter demselben Magnetfeld rekonfigurierbar sind. Daher haben zukünftige Mehrfachlogikgatter Vorteile hinsichtlich der Steuerung des Magnetfeldbereichs und des rekonfigurierbaren Betriebs unter dem einen Oersted-Magnetfeld, das von einer Elektrode erzeugt wird.

Der Abscheidungsprozess wurde mittels Magnetronsputtern bei Raumtemperatur mit einem Basisdruck unter 7 × 10–9 Torr und einem Ar-Druck von 3 mTorr durchgeführt. Die Zusammensetzung der Schichten in den Stapeln war wie folgt: [Si/SiO2]-Substrat/W (2)/Co20Fe60B20 (1,1)/MgO (1) Ta (2), wobei die Zahlen in Klammern die Dicke jeder Schicht angeben Nanometer. Um die Eigenschaften der senkrechten magnetischen Anisotropie zu verbessern, wurde ein Nachglühschritt durchgeführt. Ein Nachglühen wurde 30 Minuten lang bei 350 °C unter Vakuumbedingungen von < 1 × 10–6 Torr und einem senkrechten Magnetfeld von 3 T durchgeführt. Nach der Abscheidung wurden die Stapel mit dem Bildumkehr-Fotolack AZ5214E ​​schleuderbeschichtet. Anschließend wurden Photolithographie- und Ar-Ionenfrästechniken eingesetzt, um die Stapel in einen zweikanaligen Hall-Stab mit einer Breite von 5 μm zu strukturieren. Um den aushärtenden Fotolack nach den Ionenfräsvorgängen zu entfernen, wurde ein Sauerstoffplasma-Veraschungsprozess für 2 Minuten unter Verwendung einer Hochfrequenzleistung von 80 W durchgeführt. Zum Abheben des Fotolacks wurde Aceton verwendet. Zur Verbindung mit der zweikanaligen Hall-Stabstruktur wurde eine Elektrode aus W mit einer Dicke von 200 nm abgeschieden.

Es ist besser zu beachten, dass der versetzte Querwiderstand in Hall-Bar-Geräten aufgrund von Unvollkommenheiten in der Gerätegeometrie potenzielle Auswirkungen auf Logikoperationen haben kann; Das heißt, der versetzte Querwiderstand kann zu Fehlern in der Logikoperation führen, da die anomale Hall-Effekt-Spannung als Logikausgang verwendet wird. Daher wurden in unserer ersten Arbeit mehrere Maßnahmen ergriffen, um den versetzten Querwiderstand möglicherweise zu reduzieren, indem wir eine präzise Ausrichtung der Gerätekomponenten, das Abrunden der Kanten des Hall-Stabs und der Elektroden und die Sicherstellung der Reinheit der Geräteoberfläche durch die Herstellung umfassten Gerät bei einem extrem niedrigen Basisdruck von < 7 × 10–9 Torr. Diese Maßnahmen sind besonders wichtig, um geometrische Unebenheiten zu minimieren und den Versatzquerwiderstand zu reduzieren. Wenn darüber hinaus verkleinerte Geräte in Betracht gezogen werden, sollten spezifische Designstrategien in Betracht gezogen werden, um den versetzten Querwiderstand weiter zu verringern. Ein effektiver Ansatz besteht beispielsweise darin, die Elektroden näher am zentralen Bereich des Geräts zu positionieren. Es wird erwartet, dass dieser Ansatz die Auswirkungen des versetzten Querwiderstands minimieren kann, indem die Entfernung verringert wird, über die sich der Querwiderstand entwickelt. Diese Positionierung kann auch dazu beitragen, den Stromfluss im zentralen Bereich zu konzentrieren und den Einfluss geometrischer Unvollkommenheiten auf die Messung der Hall-Spannung zu minimieren. Der zweite Ansatz besteht darin, die Gerätekomponenten präzise auszurichten, die Kanten des Geräts abzurunden und so die Reinheit der Geräteoberfläche sicherzustellen, um den versetzten Querwiderstand zu verringern, insbesondere bei verkleinerten Geräten.

Zur Überwachung der für logische Operationen erforderlichen MDs wurde ein speziell angefertigtes MOKE-Mikroskopiesystem mit Out-of-Plane- und In-Plane-Elektromagneten verwendet. Die +z- und −z-MDs wurden durch den Kontrastunterschied in den MOKE-Mikroskopiebildern eindeutig identifiziert. Sieben elektrische Sonden wurden in das MOKE-System integriert, um das SOT-strominduzierte MD-Schaltverhalten zu erreichen, und drei bzw. vier Sonden wurden an die Spannungsquelle bzw. Hall-Spannungserkennungsanschlüsse angeschlossen. Anomale Hall-Effekt-Spannungen wurden mit einem Keithley 236- und KEITHLEY 2000-Multimeter überwacht. Um die MOKE-Bilder mit den anomalen Hall-Effekt-Spannungssignalen zu synchronisieren, wurden außerdem programmierte MOKE-Bilder unmittelbar nach der Injektion jedes Spannungsimpulses aufgenommen. Rekonfigurierbare Logikoperationen werden durchgeführt, indem die Sonden mithilfe eines Keithley 708A-Schaltsystems zwischen Spannungsquelle, Masse und Gleitkomma geschaltet werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde von der National Research Foundation of Korea (Fördernummer: NRF-2021M3F3A2A01037750) und dem Technology Innovation Program (RS-2023-00235634) unterstützt, das vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE, Korea) (1415187787) finanziert wird.

Abteilung für nanoskalige Halbleitertechnik, Hanyang-Universität, Seoul, 133-791, Südkorea

JeongHun Shin, WooJong Kim und JinPyo Hong

Labor für neuartige Funktionsmaterialien und Geräte, Fachbereich Physik, Forschungsinstitut für Naturwissenschaften, Hanyang-Universität, Seoul, 133-791, Korea

Jeongwoo Seo, Saegyoung Song, Da Seul Hyeon und JinPyo Hong

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JPH überwachte die Studie, und JHS bereitete den Entwurf vor und verfasste das Hauptmanuskript. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit JinPyo Hong.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Shin, J., Seo, J., Song, S. et al. Nichtflüchtige rekonfigurierbare Spin-Logikfunktionen in einem zweikanaligen Hall-Barren durch spin-orbit-drehmomentbasierte magnetische Domänen und gerichteten Lesestrom. Sci Rep 13, 11600 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38580-1

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Eingegangen: 19. Mai 2023

Angenommen: 11. Juli 2023

Veröffentlicht: 18. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38580-1

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