16、用于节能存储和计算的纳米磁性与自旋电子器件

用于节能存储和计算的纳米磁性与自旋电子器件

1. 基于MTJ的全加器逻辑电路

H. Meng等人实验实现了基于磁性隧道结（MTJ）的全加器逻辑电路，图中虚线圆圈显示了执行计算的四个MTJ的位置。

1.1 STT在基于MTJ的磁逻辑中的应用

• 自旋转移力矩（STT）效应于1996年被预测，并随后被多个研究小组实验观测到。STT能够通过直接注入电流到MTJ的自由层来写入信息，与场写入不同，它与CMOS缩放兼容，因此被用于基于MTJ的随机存取存储器（STT - MRAM）。
• 2008年，W. Zhao等人和S. Matsunaga等人首次提出将STT用于基于MTJ的逻辑。根据初始磁化配置，正（负）电流可以使磁化进入反平行（平行）状态。

1.2 STT基非易失性MTJ逻辑的实现

S. Matsungaga等人展示了基于STT的非易失性MTJ逻辑的实现。MOS晶体管采用0.18μm CMOS工艺制造。MTJ使用了合成亚铁磁（SyF）自由层，该自由层由两层CoFeB通过薄Ru间隔层耦合而成，具有低开关电流和高热稳定性。MTJ堆叠结构从底部依次为Ta(5)/Ru(20)/Ta(5)/NiFe(5)/IrMn(8)/CoFe(2.5)/Ru(0.8)/CoFeB(3)/MgO(1)/CoFeB(2)/Ru(0.8)/CoFeB(2)/Ta(5)/Ru(5)（单位：nm）。
非易失性全加器电路被用于演示逻辑 - 存储一体架构，其电路架构、真值表和测试芯片显微照片都有详细展示。与传统CMOS全加器相比，基于MTJ的全加器具有非易失性和超低功耗的优点，静态功耗为零，有效面积更小。具体对比如下：