一種室溫可編程磁邏輯器件制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于磁電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種室溫可編程磁邏輯器件，由上下表面粗糙度不同的半導(dǎo)體材料和兩個(gè)金屬電級(jí)組成，將兩個(gè)金屬電級(jí)壓制在半導(dǎo)體材料的上表面或下表面,得到兩種半導(dǎo)體單元；兩個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體單元通過并聯(lián)或串并聯(lián)組合的方式連接；所述半導(dǎo)體單元在正負(fù)磁場(chǎng)下得到的伏安特性曲線是非對(duì)稱的，其半導(dǎo)體材料為產(chǎn)生可逆的電學(xué)擊穿行為的半導(dǎo)體材料，包括硅、鍺、砷化鎵，其結(jié)構(gòu)是多層薄膜結(jié)構(gòu)或是塊體結(jié)構(gòu)；該邏輯器件價(jià)格低廉、制備工藝簡(jiǎn)單，具有電壓控制的可重構(gòu)性質(zhì)、瞬時(shí)啟動(dòng)、低成本、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種室溫可編程磁邏輯器件
本專利技術(shù)屬于磁電子器件
，尤其涉及一種室溫可編程磁邏輯器件。
技術(shù)介紹
為了適應(yīng)微電子技術(shù)高速發(fā)展的需求，可編程邏輯器件應(yīng)運(yùn)而生，它具有集成度高、靈活性強(qiáng)、適用范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)邏輯電路和磁邏輯電路，若要實(shí)現(xiàn)同樣的邏輯功能，前者的能量的消耗比后者要高好幾個(gè)量級(jí)。目前基于磁學(xué)特性的邏輯器件有望在降低功率消耗的同時(shí)提高計(jì)算效率，并結(jié)合了許多新的功能，例如可編程邏輯運(yùn)算及內(nèi)置非揮發(fā)存儲(chǔ)性能。目前關(guān)于磁邏輯器件的研究主要基于磁性材料內(nèi)電子自旋相關(guān)輸運(yùn)引起的磁阻效應(yīng)，例如基于巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)效應(yīng)的磁性金屬多層膜材料。但是由于GMR和TMR的磁阻值相對(duì)較小，不利于實(shí)際應(yīng)用。另一方面，GMR和TMR器件的制備工藝復(fù)雜，和目前的半導(dǎo)體工藝不兼容，很難將這些磁邏輯器件大規(guī)模地集成到現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝中。在半導(dǎo)體/磁性材料復(fù)合的邏輯器件方面，電子型(n型)半導(dǎo)體表面制備了一系列鐵磁電級(jí)，并通過理論模擬驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算模式。但是這僅是一種設(shè)想，要實(shí)現(xiàn)器件的實(shí)用化還需要克服很多科技難題。在半導(dǎo)體邏輯器件方面，一種由高遷移率半導(dǎo)體銻化銦(InSb)制備的p-n結(jié)器件，在室溫和±0.1T磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了基本的布爾邏輯運(yùn)算，但是由于InSb單晶對(duì)位錯(cuò)缺陷要求很高,使得其制備工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。基于二極管增強(qiáng)的硅基磁邏輯器件需要外接多個(gè)二極管，給未來的集成工藝帶來了一定的困難，并且該器件的邏輯輸出由電流而不是電壓控制，因而需要較大的驅(qū)動(dòng)功率，增加了能耗，不利于實(shí)際應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決上述問題，本專利技術(shù)提出了一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，由上下表面粗糙度不同的半導(dǎo)體材料和兩個(gè)金屬電級(jí)組成，將兩個(gè)金屬電級(jí)壓制在半導(dǎo)體材料的上表面或下表面,得到兩種半導(dǎo)體單元；兩個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體單元通過并聯(lián)或串并聯(lián)組合的方式連接。所述的半導(dǎo)體單元在正負(fù)磁場(chǎng)下得到的伏安特性曲線是非對(duì)稱的。所述的半導(dǎo)體材料為產(chǎn)生可逆的電學(xué)擊穿行為的半導(dǎo)體材料，包括硅、鍺、砷化鎵，其結(jié)構(gòu)是多層薄膜結(jié)構(gòu)或是塊體結(jié)構(gòu)。所述的半導(dǎo)體單元，其中一個(gè)表面的粗糙度為納米級(jí)，另一個(gè)表面的粗糙度為微米級(jí)。所述的半導(dǎo)體材料，其上表面或下表面由化學(xué)腐蝕或機(jī)械拋光方法獲得。一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，由上下表面粗糙度不同的半導(dǎo)體材料和兩個(gè)金屬電級(jí)組成，將兩個(gè)金屬電級(jí)壓制在半導(dǎo)體材料的上表面或下表面,得到兩種半導(dǎo)體單元——半導(dǎo)體單元甲和半導(dǎo)體單元乙；半導(dǎo)體單元甲和開關(guān)甲串聯(lián)組成電路第一分支，半導(dǎo)體單元乙和開關(guān)乙串聯(lián)組成電路第二分支，電路第一分支和第二分支并聯(lián)后再與一個(gè)電壓源并聯(lián)；半導(dǎo)體單元甲和半導(dǎo)體單元乙組成器件單元甲；當(dāng)開關(guān)甲導(dǎo)通且開關(guān)乙斷開時(shí)定義此時(shí)的可編程磁電邏輯器件的器件結(jié)構(gòu)為配置A，當(dāng)開關(guān)甲斷開且開關(guān)乙導(dǎo)通時(shí)定義此時(shí)的可編程磁電邏輯器件的器件結(jié)構(gòu)為配置B；對(duì)配置A或配置B分別通過外加不同電壓和改變加在器件單元甲上的磁場(chǎng)的方向來分別實(shí)現(xiàn)不同的邏輯運(yùn)算。所述的配置A和配置B都以與鍺片橫截面垂直向外的磁場(chǎng)方向作為邏輯輸入的‘0’，以與鍺片橫截面垂直向內(nèi)的磁場(chǎng)方向作為邏輯輸入的‘1’，以測(cè)量得到的電流值小于預(yù)設(shè)值定義為邏輯輸出的‘0’、電流值大于預(yù)設(shè)值定義為邏輯輸出的‘1’，配置A實(shí)現(xiàn)復(fù)制運(yùn)算，配置B實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算。一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，由上下表面粗糙度不同的半導(dǎo)體材料和兩個(gè)金屬電級(jí)組成，將兩個(gè)金屬電級(jí)壓制在半導(dǎo)體材料的上表面或下表面,得到兩種半導(dǎo)體單元，其中，半導(dǎo)體單元甲和半導(dǎo)體單元丙是相同的一種，半導(dǎo)體單元乙和半導(dǎo)體單元丁是相同的另一種；半導(dǎo)體單元甲、半導(dǎo)體單元丙和開關(guān)甲串聯(lián)組成電路第一分支，半導(dǎo)體單元乙、半導(dǎo)體單元丁和開關(guān)乙串聯(lián)組成電路第二分支，電路第一分支和第二分支并聯(lián)后再與一個(gè)電壓源并聯(lián)；半導(dǎo)體單元甲和半導(dǎo)體單元乙組成器件單元甲，半導(dǎo)體單元丙和半導(dǎo)體單元丁組成器件單元乙；當(dāng)開關(guān)甲導(dǎo)通且開關(guān)乙斷開時(shí)，定義此時(shí)器件結(jié)構(gòu)為配置C，當(dāng)開關(guān)甲斷開且開關(guān)乙導(dǎo)通時(shí)，定義此時(shí)結(jié)構(gòu)為配置D；對(duì)配置C或配置D分別通過外加不同的電壓和改變加在器件單元甲和器件單元乙上的磁場(chǎng)的方向來分別實(shí)現(xiàn)不同的邏輯運(yùn)算。所述的配置C和配置D都以與鍺片橫截面垂直向外的磁場(chǎng)方向作為邏輯輸入的‘0’，以與鍺片橫截面垂直向內(nèi)的磁場(chǎng)方向作為邏輯輸入的‘1’，以測(cè)量得到的電流值小于預(yù)設(shè)值定義為邏輯輸出的‘0’、電流值大于預(yù)設(shè)值定義為邏輯輸出的‘1’，配置C實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算、或運(yùn)算，配置D實(shí)現(xiàn)與非運(yùn)算、或非運(yùn)算。本專利技術(shù)的有益效果為：1、所得到的器件在室溫和0.2T磁場(chǎng)下，磁阻值可達(dá)到450％。2、在室溫下，所得到的器件的伏安特性在正負(fù)磁場(chǎng)下是非對(duì)稱的，利用這種特殊的磁電性能可以實(shí)現(xiàn)可編程的磁電邏輯運(yùn)算。3、該器件的原材料價(jià)格適中，器件結(jié)構(gòu)和制備工藝簡(jiǎn)單。附圖說明圖1為實(shí)施例1半導(dǎo)體材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1半導(dǎo)體材料單元的在磁場(chǎng)下電學(xué)性能測(cè)量示意圖；圖3為實(shí)施例1半導(dǎo)體材料單元的在磁場(chǎng)下的伏安特性圖；圖4為實(shí)施例2可編程磁邏輯器件結(jié)構(gòu)和磁電測(cè)量示意圖；圖5為實(shí)施例3可編程磁邏輯器件結(jié)構(gòu)和磁電測(cè)量示意圖；圖6為實(shí)施例3可編程磁邏輯器件在不同邏輯輸入下的伏安特性示意圖；圖中標(biāo)號(hào)：01—半導(dǎo)體單元甲、02—半導(dǎo)體單元乙、03—光滑表面、04—粗糙表面、05—電極、06—鍺、07—電壓源、08—電壓表、09—磁場(chǎng)負(fù)方向、10—磁場(chǎng)正方向、11—開關(guān)甲、12—開關(guān)乙、13—器件單元甲、14—可編程磁邏輯器件甲、15—器件單元乙、16—半導(dǎo)體單元丙、17—半導(dǎo)體單元丁、18—可編程磁邏輯器件乙具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步說明：實(shí)施例1選用厚度為500μm，電導(dǎo)率為40Ω.cm的近本征單晶鍺片(Ge),清洗干凈并切成矩形片后在其表面壓制銦電極。半導(dǎo)體材料的光滑表面03和粗糙表面04的粗糙度不同。如圖1所示，當(dāng)電極壓制在光滑表面03時(shí)，半導(dǎo)體單元甲01制備完成；當(dāng)電極壓制在粗糙表面04時(shí)，半導(dǎo)體單元乙02制備完成。單晶鍺的光滑表面03和粗糙表面04由原子力顯微鏡和表面輪廓儀進(jìn)行形貌表征，結(jié)果顯示粗糙表面04的粗糙度為微米級(jí)(μm)，光滑表面03的粗糙度為納米級(jí)(nm)。半導(dǎo)體單元甲01和半導(dǎo)體單元乙02的磁電性能測(cè)量用圖2所示，器件外接電壓源07和電壓表08。測(cè)量中外加磁場(chǎng)以與鍺片橫截面垂直的方向均勻地加載在半導(dǎo)體單元甲01和半導(dǎo)體單元乙02上，并定義與鍺片橫截面垂直向外的磁場(chǎng)方向?yàn)榇艌?chǎng)正方向10，與鍺片橫截面垂直向內(nèi)的磁場(chǎng)方向?yàn)榇艌?chǎng)負(fù)方向09。圖3為本實(shí)施例得到的半導(dǎo)體材料單元甲01和半導(dǎo)體單元乙02在室溫(300K)下和正負(fù)磁場(chǎng)(±0.2T)條件下的伏安特性曲線。從圖3可以看出，半導(dǎo)體單元甲01的伏安特性是非線性的；當(dāng)外加電壓超過臨界值后，器件的電流迅速增加即器件從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，表現(xiàn)為電學(xué)擊穿現(xiàn)象。這一臨界電壓在+0.2T的數(shù)值大于其在-0.2T下的數(shù)值。這是由于半導(dǎo)體單元甲01內(nèi)的載流子在-0.2T磁場(chǎng)下受洛倫茲力作用而偏向光滑表面03，相應(yīng)的載流子復(fù)合速率減小，從而導(dǎo)致載流子濃度的增大，相應(yīng)電流值較大；而半導(dǎo)體單元01內(nèi)的載流子在+0.2T磁場(chǎng)下受洛倫茲力作用偏向粗糙表面本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，由上下表面粗糙度不同的半導(dǎo)體材料和兩個(gè)金屬電級(jí)組成，將兩個(gè)金屬電級(jí)壓制在半導(dǎo)體材料的上表面或下表面,得到兩種半導(dǎo)體單元；兩個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體單元通過并聯(lián)或串并聯(lián)組合的方式連接。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，由上下表面粗糙度不同的半導(dǎo)體材料和兩個(gè)金屬電級(jí)組成，將兩個(gè)金屬電級(jí)壓制在半導(dǎo)體材料的上表面或下表面,得到兩種半導(dǎo)體單元；兩個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體單元通過并聯(lián)或串并聯(lián)組合的方式連接；所述半導(dǎo)體材料為產(chǎn)生可逆的電學(xué)擊穿行為的半導(dǎo)體材料；所述粗糙度不同指其中一個(gè)表面的粗糙度為納米級(jí)，另一個(gè)表面的粗糙度為微米級(jí)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，所述的半導(dǎo)體單元在正負(fù)磁場(chǎng)下得到的伏安特性曲線是非對(duì)稱的。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，所述的半導(dǎo)體材料包括硅、鍺、砷化鎵，其結(jié)構(gòu)是多層薄膜結(jié)構(gòu)或是塊體結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，所述的半導(dǎo)體材料，其上表面或下表面由化學(xué)腐蝕或機(jī)械拋光方法獲得。5.一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，由上下表面粗糙度不同的半導(dǎo)體材料和兩個(gè)金屬電級(jí)組成，將兩個(gè)金屬電級(jí)壓制在半導(dǎo)體材料的上表面或下表面,得到兩種半導(dǎo)體單元——半導(dǎo)體單元甲和半導(dǎo)體單元乙；半導(dǎo)體單元甲和開關(guān)甲串聯(lián)組成電路第一分支，半導(dǎo)體單元乙和開關(guān)乙串聯(lián)組成電路第二分支，電路第一分支和第二分支并聯(lián)后再與一個(gè)電壓源并聯(lián)；半導(dǎo)體單元甲和半導(dǎo)體單元乙組成器件單元甲；當(dāng)開關(guān)甲導(dǎo)通且開關(guān)乙斷開時(shí)定義此時(shí)的可編程磁電邏輯器件的器件結(jié)構(gòu)為配置A，當(dāng)開關(guān)甲斷開且開關(guān)乙導(dǎo)通時(shí)定義此時(shí)的可編程磁電邏輯器件的器件結(jié)構(gòu)為配置B；對(duì)配置A或配置B分別通過外加不同電壓和改變加在器件單元甲上的磁場(chǎng)的方向來分別實(shí)現(xiàn)不同的邏輯運(yùn)算；所述半導(dǎo)體材料為產(chǎn)生可逆的電學(xué)擊穿行為的半導(dǎo)體材料；所述粗糙度不同指其中一個(gè)表面的粗糙度為納米級(jí)，另一個(gè)表面的粗糙度為微米級(jí)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：章曉中，陳嬌嬌，羅昭初，熊成悅，郭振剛，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11