一種基于自旋波干涉及多鐵性材料的邏輯器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于自旋波干涉及多鐵性材料的邏輯器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能應(yīng) 用，屬于電學(xué)領(lǐng)域的基本電氣元件類。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的基于半導(dǎo)體的存儲和計算技術(shù)，隨著集成度增高及電子器件尺寸日益小型 化，器件內(nèi)部由于電流焦耳熱而產(chǎn)生的熱損耗急劇上升，由量子隧穿效應(yīng)帶來的靜態(tài)功耗 所占比重呈指數(shù)增長，愈發(fā)成為制約傳統(tǒng)存儲和邏輯器件的關(guān)鍵因素。
[0003] 自旋波（Spin Wave)，或稱為磁振子（Magnon)，是指在磁有序材料（如鐵磁、亞鐵 磁、反鐵磁材料）中電子自旋的集體振動的本征模式。基于自旋波傳播的邏輯器件，是一種 利用自旋波傳播及干涉過程中所攜帶的相位信息及其變化作為信息載體從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 傳輸和邏輯計算的新型電子器件。因自旋波的傳播和干涉不依賴于載流子的迀移效應(yīng)，故 而可以突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子器件中的熱損耗和靜態(tài)功耗的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] -、發(fā)明目的：
[0005] 針對傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子器件、集成電路，由于熱損耗及靜態(tài)功耗帶來的高能耗、低可 靠性問題，本發(fā)明提供了一種基于自旋波干涉及多鐵性材料的邏輯器件，它是一種能實現(xiàn) 信息傳輸及邏輯運算的邏輯器件。因自旋波基于電子自旋，調(diào)控電壓基于電場，因此都不產(chǎn) 生電子或空穴的移動，有效地避免了電流產(chǎn)生的焦耳熱，及漏電流帶來的靜態(tài)功耗問題。
[0006] 二、技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明提出了一種基于自旋波干涉及多鐵性材料的邏輯器件，利用了微波與鐵磁 材料中自旋電子的耦合作用、電致伸縮效應(yīng)、磁致伸縮逆效應(yīng)及波的干涉等原理，實現(xiàn)多路 自旋波干涉的調(diào)控，從而實現(xiàn)信息的傳輸和邏輯運算。本發(fā)明利用電壓對多鐵性材料層磁 性特征的影響，調(diào)控傳輸介質(zhì)中的自旋波。通過改變調(diào)控電壓的強弱及有無，可以實現(xiàn)信息 的輸入，繼而通過自旋波的傳輸和探測，作為輸入信息的載體及信息的輸出端。其典型結(jié)構(gòu) 如附圖1所示。
[0008] 本發(fā)明提出的邏輯器件包含多個功能分區(qū)，在此具體介紹其中較為重要的五個功 能區(qū)：自旋波激發(fā)區(qū)、自旋波分頻區(qū)、電場調(diào)控區(qū)、自旋波干涉區(qū)、自旋波探測區(qū)。附圖2為 各功能區(qū)的功能流程圖。
[0009] 本發(fā)明的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和形狀由自旋波傳輸介質(zhì)構(gòu)成。由于自旋波在介質(zhì)中的色散關(guān) 系，當(dāng)外加磁場或介質(zhì)內(nèi)部磁性發(fā)生改變時，自旋波傳輸?shù)姆较蚣澳Ｊ桨l(fā)生改變。同時，傳 輸介質(zhì)中磁場、磁性的變化，可以控制自旋波的分頻及干涉。
[0010] 結(jié)構(gòu)上，自旋波激發(fā)區(qū)與自旋波探測區(qū)的物理結(jié)構(gòu)相同或相似，均由圖1中共面 波導(dǎo)5及自旋波傳輸介質(zhì)1組成。在自旋波激發(fā)區(qū)，首先將微波信號注入共面波導(dǎo)中，依靠 微波信號與介質(zhì)中自旋電子的耦合作用，使得電子自旋產(chǎn)生差動，形成規(guī)律傳播的自旋波。 自旋波探測區(qū)使用的同樣是微波信號與自旋波的耦合作用，但此時，是由自旋波耦合產(chǎn)生 微波信號，通過共面波導(dǎo)傳輸至測量儀器中。本發(fā)明通過共面波導(dǎo)的設(shè)計，可有效控制感應(yīng) 自旋波的波長。
[0011]自旋波分頻區(qū)與自旋波干涉區(qū)同樣具有相同或相似的物理結(jié)構(gòu)，均是通過改變傳 輸介質(zhì)局部的磁性來實現(xiàn)，圖1中由箭頭示意的自旋波傳輸介質(zhì)1表示。為了實現(xiàn)磁性的 改變，可以外加磁場，也可以改變傳輸介質(zhì)的內(nèi)部磁化方向。功能上，自旋波分頻區(qū)將一束 自旋波分成具有相同頻率的多束自旋波；自旋波干涉區(qū)將多束自旋波匯集成一束自旋波， 其中頻率相同的成分發(fā)生干涉。需要注意的是，為了能夠量化調(diào)控自旋波的干涉，各支路長 度并不一定相等，可以通過自旋波的波長來區(qū)分。
[0012] 電場調(diào)控區(qū)主要由多層鐵電材料及下方傳輸介質(zhì)構(gòu)成，通過不同的電壓數(shù)值表征 輸入信號。如附圖1，由金線6、電場調(diào)控電極7、電致伸縮層8、磁致伸縮層9及自旋波傳 輸介質(zhì)1構(gòu)成。在電場調(diào)控區(qū)，當(dāng)外加一個電壓信號時，由于電致伸縮效應(yīng)，電致伸縮層發(fā) 生應(yīng)力變化。應(yīng)力變化傳導(dǎo)至磁致伸縮層后，由于磁致伸縮的逆效應(yīng)，該層材料磁性發(fā)生變 化，導(dǎo)致傳輸介質(zhì)中自旋波的相位和幅度發(fā)生改變。對于任意一個支路，自旋波經(jīng)過電場調(diào) 控區(qū)之后，輸入的信息由電場傳遞至自旋波中。此時，自旋波的相位和幅度作為信息載體， 進(jìn)行傳輸和邏輯運算。
[0013] 本發(fā)明經(jīng)過上述多個功能區(qū)的有效組合，實現(xiàn)了基于電壓調(diào)控和自旋波傳輸、干 涉的邏輯器件結(jié)構(gòu)，其步驟如下：
[0014] 步驟一：利用微波儀器產(chǎn)生微波信號，注入共面波導(dǎo)，耦合產(chǎn)生自旋波信號；
[0015] 步驟二：自旋波信號在介質(zhì)材料中進(jìn)行傳播；
[0016] 步驟三：自旋波信號經(jīng)過分頻區(qū)，分為頻率相同的多束自旋波；
[0017] 步驟四：根據(jù)輸入信息，產(chǎn)生對應(yīng)電壓值，改變電場調(diào)節(jié)區(qū)的磁性，改變自旋波的 相位和幅度；
[0018] 步驟五：調(diào)節(jié)后的自旋波傳輸至干涉區(qū)，產(chǎn)生不同類型的干涉；
[0019] 步驟六：自旋波耦合產(chǎn)生微波，由探測區(qū)的共面波導(dǎo)捕捉，傳輸至測量儀器中，進(jìn) 行信號分析。
[0020] 其中，步驟一中的"微波儀器"是指微波信號發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等可以產(chǎn)生 微波信號的儀器。步驟二中的"介質(zhì)材料"是指鐵磁性材料等可滿足自旋波或自旋振蕩存 在條件的材料，可使用鐵鎳合金（NiFe)、鈷鐵硼（CoFeB)或釔鐵石榴石（YIG)等已知具有較 低損耗和較高自旋波群速度的材料。步驟五中的"干涉"與一般波的干涉現(xiàn)象類似，意指具 有相同頻率的自旋波相遇時，在區(qū)域中某些區(qū)域的波形被加強，某些區(qū)域波形被減弱。步驟 六中的"測量儀器"指頻譜分析儀、示波器或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器，它們能夠?qū)Ω哳l信號 進(jìn)行時域、頻域等物理、電學(xué)特征分析。
[0021] 三、優(yōu)點及功效
[0022] 本發(fā)明提出的基于自旋波干涉及多鐵性材料的邏輯器件，通過電壓控制自旋波的 相位和幅度，實現(xiàn)信息輸入。繼而將自旋波作為信息傳輸?shù)妮d體，通過干涉作用完成邏輯運 算功能。相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件和電路，本發(fā)明能夠有效解決熱損耗及靜態(tài)功耗問題。
[0023] 從能耗角度考慮，器件中不存在電流，因此能夠減少焦?fàn)枱釗p耗；同時，能夠消除 漏電流帶來的不穩(wěn)定性及能量損耗，減少靜態(tài)功耗。與其它基于自旋波的邏輯器件相比，由 于本發(fā)明中共面波導(dǎo)的設(shè)計，以及傳輸介質(zhì)的低損耗特性，能夠更大程度上保證自旋波的 穩(wěn)定存在。自旋波的強度一般較小，難于探測，本發(fā)明中共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可使自旋波的強度 呈現(xiàn)倍數(shù)增加，測試信號的強度也可產(chǎn)生倍數(shù)級增加，因此與現(xiàn)有的全息存儲器相比，減小 了信號探測和分析的難度。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明提出的基于自旋波干涉的多鐵性材料的邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。該 圖中為本發(fā)明的典型結(jié)構(gòu)，采用兩分支結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明不僅限于兩分支結(jié)構(gòu)，可有多個分 支；共面波導(dǎo)采用一回彎兩單元結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明不限于此，可有多個回彎。兩支路中，左側(cè)為 電場調(diào)控一區(qū)，右側(cè)為電場調(diào)控二區(qū)。
[0025] 圖中，Generator指微波發(fā)生器，Oscilloscope是指高頻示波器，U1、U2指分別加 在兩支路電場調(diào)控區(qū)電壓值，SW表示自旋波，箭頭表示自旋波傳播方向，1指自旋波傳輸介 質(zhì)，2指三頭微波探針，3指接地波導(dǎo)線，4指信號波導(dǎo)線，5共面波導(dǎo)，6指金線，7指電場調(diào) 控電極，8指電致伸縮層，9指磁致伸縮層。需說明的是，接地波導(dǎo)線和信號波導(dǎo)線共同構(gòu)成 完整共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即3和4共同構(gòu)成5。
[0026] 圖2為本發(fā)明提出的邏輯器件的功能流程圖。
【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明提出了一種基于自旋波干涉及多鐵性材料的邏輯器件，可用于信息傳輸及 邏輯運算。該邏輯器件由自旋波激發(fā)區(qū)、自旋波分頻區(qū)、電場調(diào)控區(qū)、自旋波干涉區(qū)及自旋 波探測區(qū)構(gòu)成。附圖均為示意圖，其中涉及的各功能區(qū)的大小、厚度、并非實際尺寸，工作模 式中的電流、波長也非實際值，材料也可有多種選擇，隨實際需求而定。
[0028] 自旋波傳輸介質(zhì)任意形狀均可，依具體應(yīng)用而