【摘 要】
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当前,传统互补金属氧化物半导体的尺寸缩减速度受限于逻辑器件的能耗、制备工艺以及原子尺度的物理极限等问题已经远远追赶不上当前的集成度发展速度。相较于传统的半导体器件,基于电子自旋的逻辑器件不论是在读写速度、读写功耗、稳定性还是非易失性等方面上都具有更大的应用前景。磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction,MTJ）作为自旋逻辑器件的核心单位,通过注入电流产生的自旋转移力矩（Spin
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当前,传统互补金属氧化物半导体的尺寸缩减速度受限于逻辑器件的能耗、制备工艺以及原子尺度的物理极限等问题已经远远追赶不上当前的集成度发展速度。相较于传统的半导体器件,基于电子自旋的逻辑器件不论是在读写速度、读写功耗、稳定性还是非易失性等方面上都具有更大的应用前景。磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction,MTJ）作为自旋逻辑器件的核心单位,通过注入电流产生的自旋转移力矩（Spin Transfer Torque,STT）或自旋轨道力矩（Spin Orbit Torque,SOT）使自由层磁化方向翻转是主要手段。但由于单一利用STT或SOT都有各自的不足,因此本论文通过同时施加两种不同方向的电流,同时诱导产生STT与SOT来实现MTJ磁化翻转。基于此,本文利用三个MTJ组成一个“一”字型的自旋逻辑单元,该单元中三个MTJ共用一个自由层和底部重金属层,并分别将底部重金属层和两侧MTJ作为三个输入端,中间MTJ作为输出端。基于STT/SOT协同作用的自旋逻辑单元可以实现“与”逻辑和“或”逻辑,“非”逻辑则通过反铁磁层内的面内电流诱导钉扎层磁化翻转实现,且利用设计的特定级联方式可实现如“异或”、“同或”以及全加器等更多复杂逻辑。此外,本文通过微磁模拟仿真,模拟了不同脉冲宽度和电流密度下自由层磁化状态的变化,通过对不同条件下逻辑电路的性能进行评估,找到了最优输入条件,在该输入条件下,自旋逻辑单元不仅可以在无磁场下具有良好的逻辑功能性,功耗也达到了最低值。
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