磁逻辑系统的制作方法

专利名称：磁逻辑系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及提供一种驱动系统及在磁逻辑系统中通过一导管使磁畴壁移动的方法，并涉及一种磁逻辑系统以及运行具有此驱动系统的这种磁逻辑系统的方法。
(2)背景技术国际专利申请WO02/41492中描述了一种用于数字逻辑的新系统，该数字逻辑新系统使用可使磁畴壁或孤立子(孤子)沿着光刻技术形成的磁导管通过。该导管是用静磁互作用的多个单畴粒子的网络形成或用连续的亚微米宽度的铁磁材料的磁道形成的。
在传统的微电子数字逻辑中。两个布尔(逻辑)状态″1″及″0″是由以高电压及低电压给以信号的。在上述专利申请中提出的毫微米磁逻辑方案中，该两个布尔状态由导管中的磁化方向发出信号。传统的微电子系统是通过沿着一段长度的导电互连传送一电位的上升或下降边沿来传送从芯片上的一点到另一点的布尔状态的改变。
电传导材料的一种性质是，这种势能的改变按照一波方程要求，因此，上升边沿或下降边沿不需要直接的推动。在上述专利提出的毫微米磁逻辑方案中，其中一个实施例的布尔状态的改变是通过磁导管传送磁畴壁来进行的。然而与电情况不同，由于边沿缺陷等情况的制约，磁畴壁是不能自己推动的，因此必需由一个力明显地加以推动或迁移。在上述专利申请中，提出了力必须出自随时间旋转的磁场，此旋转磁场也起到系统的同步时钟的作用。
虽然旋转磁场在推动磁畴壁中是非常有效的，但必须产生这样的磁场是不方便的，因为通常必须使用相对高的电流和庞大的线圈。在便携式装置中应用时，例如在膝上计算机及移动电话中应用时就带来了问题，因为在这些应用场合，产生旋转磁场所需要的电源对能力有限的电池来说是一个太大的、不胜负担的电力消耗。
因此，人们希望有一种驱动系统和一种方法来在这样一种逻辑系统中移动磁畴壁，以及有一种磁逻辑系统及运行包括该驱动系统的磁逻辑系统的方法。所述系统和方法不需要用到如上述专利中那样在外部高能输入产生的磁驱动场。如果该逻辑系统要在电力能力有限的便携式装置中使用，就特别要求不能用需要高能的输入的办法。
(3)发明内容本发明的一个目的是提供一种驱动系统及一种在磁逻辑系统中通过一铁磁导管来移动磁畴壁的方法，以及提供一种磁逻辑系统及运行包括上述驱动系统等的系统的方法。本发明可以缓解已有技术系统的某些缺点，特别是它在沿着导管移动磁畴壁时可以减少移动磁畴壁所需的输入能量。
本发明的另一个目的是提供一种与上述已有技术不同的驱动系统和方法，尤其是提供一种系统和方法，不需要使用变化的磁场。
因此，按照本发明的第一方面，例如在上述专利申请中所述的逻辑系统中的磁畴壁可通过一铁磁导管移动的驱动系统，它包括至少适于与至少两个在铁磁导管上的至少两个间隔点作电连接的电接触点以及包括一向之供应振荡电流的一电流源，以在使用中通过上述接触点而把振荡电流流过该导管。
业已发现，如此施加的电流对推动磁畴壁沿着铁磁材料的连续路径移动以及提供一同步时钟而无需任何外加磁场是有效的。因此，采用本发明的装置或器件比起使用一外加磁场来说体积上可以较小而且使用的能量也可能较少。
虽然本发明不一定要限于任一专门理论，但是我们认为所加的电流在推动磁畴壁沿着铁磁材料的连续路径移动是有效的，因为存在着一种“自旋转移效应”。
有两篇重要的科学文章论述了这一理论，这两篇文章一篇是1996年公布的Slonczewski(J.C.Slonczewski，J.Magn.magn.Mater.159，LI(1996))的文章，一篇是Berger(L.Berger，Phys.Rev.B54，9353(1996))的文章。文章中使用了略有不同的形式论，每一篇文章中都预言(预计)，如果有一个电流在两个铁磁层之间通过，那么导电电子将在一层中变成自旋偏振(极化)，使导电电子对另一层铁磁层施加一个转矩。此转矩称为自旋转移转矩，因为此转矩来自从一层转移到另一层的导电电子的自旋。
第一个验证这个预言的是在1999年由Myers等人(E.B.Myers，D.C.Ralph，J.A.Katine，R.N.Louie，R.A Buhrman，Science285,867(1999))进行的。他们成功地实现了包括一磁自旋阀的两个铁磁层之一的磁转移，办法是在两磁层之间简单地通过一个电流。虽然在实现一显著的自旋转移效应时需要一很高的电流密度，但由于器件的截面积小(一般100nm×100nm)，意味着实际用的电流是非常小的，并且大大地小于为外加磁场线圈所提供的、实现通过一传统磁场进行同样的转移所需要的电流。在此必需强调的是，自旋转移是一新的、非经典的效应，不涉及到磁场的产生。Ralph(D.Ralph)Science291,999(2001)已对自旋转移作了一简短的综述。
根据本发明，可以借助该自旋转移效应，通过一流经电流对磁畴壁施加一移动力，此移动力可以在毫微米磁逻辑器件中沿着磁畴壁导管推动磁畴壁。导电电子将在磁畴壁一侧的均匀磁化区内变成自旋极化。当导电电子通过壁时，此自旋偏振(极化)使在壁中心的自旋进动，并使壁沿电子流方向移动(即与普通电流相反的方向)。
如果磁畴壁是在一宽度不到1μm，厚度不到50nm的导管内，移动此磁畴壁所需要的电流是非常小的(一般在1mA或1mA以下)。而通过传统方法用产生足够大的传统磁场(用带状线磁场线圈)来移动同样的磁畴壁时需要的电流一般是1A。从这一点可看出，本发明与现有技术提出的旋转磁场相比，可以大大提高效率，大量地减少功率需求，基于逻辑制成的器件要有效的多，对小型的便携式装置或其他电源供应有限的装置就更为实用。
电流源适宜于把振荡电流供应给电接触(点)，因此使用电接触点以使振荡电流通过铁磁导管。本发明的优点是此电流可以相对较低，即低于100mA，较好时可能低于10mA。振荡的频率是千赫兹到几百MHz，例如在1千赫兹到1G赫兹之间，更具体些是在20KHz到500MHz。可以使用任何合适的振荡波形，其中包括正弦波形，三角波形，或者正方波形或位序列等等。
在本发明的另一个方面，本发明包括一用于磁逻辑系统的铁磁导管，它包括一长的铁磁元件，该元件形成为一能够支持及移动磁畴壁的磁性材料的连续路径，具体说是一大致上长的平面形的薄层铁磁结构；以及一驱动系统，该驱动系统包括一如上所述的串行阵列的电接触点，它们沿着导管长度或一部分长度彼此间隔地设置。该导管因此例如是国际专利申请WO02/41492所描述的导管结构之一，该国际专利申请的内容纳入本文以供参考。
在串行阵列中的接触点可以是例如均匀地间隔开的，以避免在不同相邻对之间产生电阻(阻力)的不连续性，或者接触点可以是不规则地间隔开，或者可以呈现某一不均匀的间隔方式以产生所需的效应，例如以引入、增加或改变导管中例如与合适的结构特征相关的不连续性，以实现某一特定的逻辑动能等等。
有至少两个电接触点可以适宜于与沿着铁磁导管的至少两个间隔开的点进行电连接，从而使电流沿着导管通过，并使一磁畴壁在其间作纵向移动。该至少两个电接触点设置在导管上以使电流沿着导管纵向流动。最好，每一驱动接触包括一接触件，该接触件横向地穿过路径或横向地穿过路径的一部分。
在一较佳实施例中，该驱动系统包括如上所述沿着导管的长度或一部分长度的一串行阵列的驱动接触点，其中电流源可以为每一导管以这样的方式提供振荡电流即供应的振荡电流在阵列的相邻件之间连续有序地进行相移以沿着所述长度完成至少一个360°的循环。可以看出，为了保持磁畴壁移动的单向性，相邻接触对之间的相移必须小于180°，因此为了形成一个360°的循环，至少需要三个接触点。
如果需要，一个循环也可以包括三个以上的接触点。沿着一阵列的此长度，可以完成多个循环。在沿着所述长度完成多个循环时，沿着阵列的顺序渐进的相移的方向性以及沿着阵列的顺序渐进的相移的模式是相继循环的重复。
因此，在已有技术中通过旋转磁场而实现的方向性及同步节拍(定时)在本发明中也可以通过自旋转移推进来实现。
本发明并不要求接触点必须等距离地间隔开，而是只要它们在布局行处于适当的相移序列就可以。类似地，虽然为了方便起见，一般在相邻接触点电流供应之间的相位间隔沿着阵列以不变为好，但本发明的此实施例中并不要求如此，并且在某些应用场合，还是以规则性略低一些的安排为好。
通常，为了方便起见，对序列中每个接触点的振荡电流的供应将具有相同的幅度(振幅)，频率和波形，只是相位有所不同。但是对有些应用来说，也可以考虑两个或两个以上的电流供应具有变化的振幅和/或频率和/或波形，条件是，为了达到单向性，沿着阵列的序列渐进的相移必须都是一个方向。电流源可以以任何已知的方式提供多个所要求的相移供应。
比较方便的是，前述依次相移安排是这样实现的驱动系统如上所述包括一个串行阵列的驱动接触点，这些接触点包括多个以叉指形结构方式连接起来的独特的组，每一组包括一个或多个具有一共同电流供应的接触点(即一个供应源，或多个相同的同步供应源或它们的组合)，各电流供应是各自分开地加以定相的。分开定相是这样定相的电流供应在阵列的相邻件之间顺序地相移，以使每一组模式重复能实现至少一360°的循环。
例如，当每个电流源适于为三个不同的交指形接触组提供三个分别相移的供应时，最好是每个电流供应与另外两个电流供应具有±120°的相位差。
连续的路径最佳宽度不到1μm，较好是不到200nm，更好是不到150nm，最好是不到100nm。该路径宽度可以是恒定不变的，或者可以是有突变的，或者是渐变的，例如为了可产生或调节导管内的移动能的不连续性，以便用WO 02/41492中所描述的方式建立一磁逻辑元件。
路径的穿过厚度最好不到50nm，更好在5～20nm之间。低于5nm时，材料的不一致性和生产上的难度可能较大。厚度较大时对电功率的要求就会上升。在任何给定的磁逻辑元件或器件中，厚度可以在路径的整个长度中恒定不变，或者可以突变，或者渐变，以引入或调节沿着路径移动能量的不连续性。
磁性元件最好用软磁材料制成，例如用坡莫合金Pevmalloy(Ni80Fe20)或CoFe合金制成。
导管的磁性材料可以形成在基底上。该基底可以是一电绝缘体或在基底的材料和导管之间有一绝缘阻挡层。例如，可以使用硅基底，在硅基底上设置一二氧化硅阻挡层。
本发明的又一个方面，一逻辑器件的一磁逻辑元件包括至少一导管，此导管能支持并移动一磁畴壁，还具有一驱动系统，该驱动系统包括如上所述的沿着导管的长度或至少沿着导管一部分的一串行阵列的驱动接触点，其中，该导管还可以设置节点和/或方向上的改变以进行逻辑功能。
这里所说的逻辑器件的一个元件或一逻辑器件或一逻辑电路的一个元件，可以理解成在技术上周知的形成一有效逻辑基系统所必需的电路元件或器件，尤其是从下列包括互连的组中选择出来的器件或电路元件，所述互连包括直的互连、角、分支的互连及接合点，以及包括逻辑门例如“与”门，“或”门或“非”门。从以上所述制造的逻辑电路包括选自上述一部分或所有元件的多个元件，它们都可以以通常的方式加以适当的安排。
元件例如可以是在国际专利申请WO02/41492所描述的那种结构。为了产生有效的互连及逻辑门，通过在导管中提供节点、接合点及方向的改变或变化来偏离严格的线性将是必要的，这将使沿着路径产生有效性较少的耦合并增加移动磁畴壁所需的能量。按照本发明，在逻辑互连及逻辑门等等之中利用在磁畴壁移动能量中的组合或综合不连续性。
按照本发明的另一个方面，一种例如在上述逻辑系统中通过一铁磁管移动磁畴壁的方法，包括在沿着导管上至少两个点之间施加一振荡电流。具体地说，该方法包括在沿着导管长度的至少一部分上串行设置的多个点处施加一电流。
在一较佳实施例中，该方法包括在沿着导串行设置的多个点处施加一振荡电流，其中在阵列的相邻件之间的电流供应是连续有序地进行相移的，以沿着所述长度完成至少一个360°的循环。
最佳的是，该方法包括在沿着导管串行设置的多个点处施加一振荡电流，使该电流被施加到形成多个以叉指方式连接的组的接触点上，一组中的每一个接触点被供应相同的电流，并且供应的各电流是分别定相位的，以致所供应的电流连续有序地在阵列的相邻件之间进行相移，从而在每组模式重复中至少完成一个360°的循环。例如三个分别供应的电压加到三个不同的叉指接触组上，而每个电压与另外两个电压相位相差(相位错开)约±120°左右。
按照本发明的又一个方面，一磁逻辑电路的一磁逻辑互连包括如上所述结合驱动系统的至少一个元件或上述移动其中的一磁畴壁的方法。按照本发明的另一个方面，一磁逻辑电路的磁逻辑门包括如上所述结合驱动系统的至少一个元件或上述移动其中的一磁畴壁的方法。根据本发明的另一个方面，一磁逻辑电路包括上述结合驱动系统的多个合适地设计的磁逻辑互连及磁逻辑门，或上述移动其中的一磁畴壁的方法。在这样的一个电路中，按照本发明的第一方面的磁逻辑元件可以安排成提供“或”门，“与”门，“非”门及其合适的组合，或任何别的已知逻辑门加上合适的互连。
器件或系统还可以包括合适的电输入和/或输出以使磁逻辑器件可用于较大的电路之中。
下面结合附图，根据本发明的原理对本发明的一驱动系统的运行以及磁逻辑器件作举例说明。
(4)


图1所示是本发明的移动系统的一个例子；图2所示是图1的原理应用于一磁“非”门的例子；图3-图6是类似的原理用于其他逻辑元件的情况；图7是检验本发明原理的一个例子。
(5)具体实施方式
图1是较佳情况的一个具体例子，其中三个电压分别加到三个不同的接触组，每一电压与其他两个电压的相位相差±120°，电压的波形是正弦波。
此图是一铁磁材料(磁畴壁导管)典型亚微米路径的示意图。图中示出了在该路径内一传输或移动的磁畴壁(13)，其两侧磁化的方向用箭头(15)表示。在磁畴壁导管中形成了电连接或电连接件(E)，连接成三个不同的组(E1，E2，E3)。这三个不同的组被施加了三个不同的电压(V1，V2，V3)，该三个电压为正弦波形，相位彼此相差±120°，如图1下面的部分所示。
在第一循环开始时，净电子流流进接触组E1(它是最正的电子流)，因此磁畴壁被移向最近的接触组E1。在循环的第二个三分之一期间，净电子流流入接触组E2，因此磁畴壁被移向最近的接触组E2。在循环的最后三分之一期间，净电子流进入接触组E3，因此磁畴壁被移向最近的接触组E3。所以，该磁畴壁横向地沿着导管以总箭头方向(17)推进。
从图中可以看到，只要接触点总是以1-2-3-1-等的顺序安排，磁畴壁就稳定地从左向右移动。作单向移动最少需要三个不同的电相位。如果需要，也可以用较多的相位。只要接触点是顺着1-2-3-1-等等的顺序布局，不一定要求接触点应该等距地间隔开。同步节拍过去是通过一旋转磁场来实现的，而现在則可以通过自旋转移推进来实现。
对涉及把布尔运算反馈到逻辑功能的一个较早部分的逻辑电路来说使用三相(或多相)电流的同步推进将是必要的，在这种情况下，不可能为信息路径定义或规定一个始点和终点，因此一个电流不可能将磁畴壁功能一路进行到底。这种电路的例子包括同步计数器及其他有限态机器(例如B.H.Holdsworth所述Digital Logic Design，Chapter 8，Butterworths)。
对“非”门来说同步节拍是必需的另一个例子在国际专利申请WO02-41492及联合王国(英国)专利申请0220907.2中有所描述。按照这些早期的揭示，一毫微米磁畴壁非门功能可以通过把磁畴壁导管的导管形状形成一尖峰或一与尖峰拓扑等效的形状而实现。图2中示出了这样一个逻辑元件，其中主壁导管形成了一尖峰(21)以实行“非”门功能。
此图中示出了根据本发明的三个电接触点应该怎样安排以便只使用自旋转移电流就能把磁畴壁推动通过这样一个“非”门。在一个循环的第一个三分之一时，电子流从点E1流到点E2，使得磁畴壁从输入被推进到中心的垂直臂。在一个循环的第二个三分之一时，电子流从点E2流到点E3，使磁畴壁被推出该门之外。因此，转换功能在一个循环的第一个三分之二内完成。
图3示出了一个6比特(位)串行数据存储环，其中，磁畴壁导管(31)被形成为6个连在一起的“非”门(33)，其中，电连接(35)的次序仍然是1-2-3-1-，但它们比图2中所示的要简单。
图4示出了一个磁畴壁导管(41)，它构成一个三磁输入(I1，I2，I3)，单磁输出(O1)的多数逻辑门(MAJORITY gate)(关于多数功能的定义，请参见Sniden等人在J.Appl.Phys.85，4283(1999))。该磁畴导管具有三个电连接(43)，以及加上三组电压(V1，V2，V3)。
图5示出了一个磁畴壁导管(51)，它构成为一与“非”门连接的三输入多数逻辑门，它具有三个电连接(53)，和上述一样，加上了三组电压(V1，V2，V3)。
图6示出了一个磁畴壁导管(61)，它构成为一与“非”门连接的三输入多数逻辑门，其输出分成两部分一部分(O2)是功能输出，另一部分反馈进入多数逻辑门。图中示出了三个电连接(63)及三个外加的电压(V1，V2，V3)。
为了证明能通过自旋转移效应移动磁畴壁，我们从坡莫合金(Permalloy)(Ni80Fe20)用电子束光刻制造了一个100nm宽5nm厚的磁畴壁导管。图7示出了该样品。磁畴壁导管(73)具有字母C的形状，在导线的一端连接了一个大的坡莫合金磁畴壁注入器(71)，以注入一磁畴壁。在磁畴壁导管(73)的另一端形成了另一个电连接(77)。
在导管的第二转角处的位置(75)上设置了一磁光磁强计的聚焦激光点，检测该点处导管的磁转换。施加了一水平磁场脉冲以从注入器注入磁畴壁并把它移动到第一转角处。磁场计并未记录到任何变化，证明磁畴没有绕整个回路传输或移动。然后，将一个350μA的电流通过该导线，一接通电流后，磁强计就纪录到一次转换，表明电流把磁畴壁从第一转角一直推进到路径的端点，这证明了自旋转移效应具有使磁畴壁沿着一磁畴壁导管移动的能力。
本发明特别结合国际专利申请WO02/41492中提出的移动逻辑结构作了叙述。但本发明为这种结构的磁场驱动器提供了有利之点，但是应予理解的是，凡是可以通过沿着一铁磁导管横向地移动一磁畴壁而获得逻辑功能或其他功能的场合，都可以应用本发明。
权利要求
1.一种用于移动磁畴壁通过一铁磁导管的驱动系统，其特征在于，该驱动系统包括至少两个电接触或电接触点，该电接触点可以与铁磁导管上至少两个间隔开的点作电连接；以及一电流源，用以为之提供振荡电流，并通过使用所设置的接触点使振荡电流流过该导管。
2.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，电流源可以提供高达100mA的振荡电流。
3.如权利要求1或2所述的驱动系统，其特征在于，该电流源可提供振荡频率在1kHz到1GHz之间的振荡电流。
4.一种用于磁逻辑系统的铁磁导管，其特征在于，该铁磁导管包括一形成磁材料的连续路径的长铁磁元件，它能够支持和移动一磁畴壁；以及一驱动系统，它包括一串行阵列的如上述权利要求之一所述的电接触点，这些电接触点沿着导管的长度或导管的一部分间隔开地设置。
5.如权利要求4所述的导管，其特征在于，所述串行阵列中的接触点是均匀地间隔开的。
6.如权利要求4或5所述的铁磁导管，其特征在于，所述电接触点设置在导管上，用以提供电流，使电流大致上沿着导管纵向流动。
7.如权利要求4-6之一所述的铁磁导管，其特征在于，每一驱动接触点包括一接触件，该接触件横向穿过导管路径或导管路径的一部分。
8.如权利要求4-7之一所述的铁磁导管，其特征在于，所述电流源适于以这样的方式为阵列中的每一接触件提供振荡电流该电流是在阵列的相邻件之间以连续顺序的相移方式提供的，以沿着所述长度完成至少一个360°的循环。
9.如权利要求8所述导铁磁管，其特征在于，按顺序依次供应给每个接触点的振荡电流具有相同的幅度、频率及波形，只是相位有所不同。
10.如权利要求8或9所述的铁磁导管，其特征在于，所述串行阵列中的接触点包括多个以叉指形式连接的不同组，每一组包括具有同一电流供应的一个或多个接触点，各电流供应是在阵列相邻件之间顺序地移相供应的，以在每组模式重复中完成至少一个360°的循环。
11.如权利要求10所述的铁磁导管，其特征在于，电流源可以为三个不同的叉指接触组提供三个分别移相的电流供应。
12.如权利要求11所述的铁磁导管，其特征在于，每一个电流或电压供应总的来说与另外两个相位相差±120°左右。
13.如权利要求4-12之一的铁磁导管，其特征在于，导管的连续路径具有不到1μm的宽度。
14.如权利要求4-13之一所述的铁磁导管，其特征在于，所述路径的厚度低于50nm。
15.如权利要求4-14之一所述的铁磁导管，其特征在于，磁元件最好是由软磁材料例如坡莫合金(Ni80Fe20)或CoFe合金制成的。
16.一用于逻辑器件的磁逻辑元件，其特征在于，它包括至少一个如权利要求4-15之一所述的导管及驱动系统，其中，导管还可以具有节点和/或方向的改变，由此可以进行逻辑功能。
17.一种使磁畴壁移动通过一铁磁导管的方法，其特征在于，该方法包括在沿着所述导管上至少两点之间施加一振荡电流的步骤。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该方法包括在沿着导管至少一部分长度上串行设置的多个点处提供电流。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，电流供应是在阵列的相邻件之间依次进行相移的，以便可以沿着所述长度完成至少一个360°的循环。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，在沿着导管上串行设置的多个点处提供一振荡电流，以使电流供给到形成多个以叉指结构方式连接的不同组的接触点，组中每个触点被供给相同电流，并且各电流供应是分别进行相移的，以使电流供应在阵列的相邻件之间依次被相移，从而在每组模式重复中完成至少一个360°的循环。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，供给或加到3个不同叉指接触组是三个分开的电压，每个电压与另两个电压具有±120°的相位差。
全文摘要
本发明描述了一驱动系统及通过一铁磁导管实现磁畴壁移动的方法，其中振荡电流从一振荡电流源通过至少两个能够与导管上至少两个间隔开的点作电连接的电接触点流经导管。本发明的铁磁导管包括一长的铁磁元件，它形成能够支持并移动磁畴壁的磁性材料的连续路径，并且，这种在串行阵列中的驱动系统还可以通过设置节点和/或方向的改变而用作磁逻辑元件，结果能进一步实现逻辑功能。
文档编号H03K19/16GK1774770SQ200480010325
公开日2006年5月17日 申请日期2004年2月27日 优先权日2003年2月28日
发明者R·P·考波恩 申请人:印吉尼技术有限公司