一種室溫可編程磁邏輯器件制造技術

本發明專利技術屬于磁電子器件技術領域，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體材料和兩個金屬電級組成，將兩個金屬電級壓制在半導體材料的上表面或下表面,得到兩種半導體單元；兩個或多個半導體單元通過并聯或串并聯組合的方式連接；所述半導體單元在正負磁場下得到的伏安特性曲線是非對稱的，其半導體材料為產生可逆的電學擊穿行為的半導體材料，包括硅、鍺、砷化鎵，其結構是多層薄膜結構或是塊體結構；該邏輯器件價格低廉、制備工藝簡單，具有電壓控制的可重構性質、瞬時啟動、低成本、低能耗等優點。

【技術實現步驟摘要】
一種室溫可編程磁邏輯器件
本專利技術屬于磁電子器件
，尤其涉及一種室溫可編程磁邏輯器件。
技術介紹
為了適應微電子技術高速發展的需求，可編程邏輯器件應運而生，它具有集成度高、靈活性強、適用范圍寬等優點。對于傳統的互補金屬氧化物半導體(CMOS)邏輯電路和磁邏輯電路，若要實現同樣的邏輯功能，前者的能量的消耗比后者要高好幾個量級。目前基于磁學特性的邏輯器件有望在降低功率消耗的同時提高計算效率，并結合了許多新的功能，例如可編程邏輯運算及內置非揮發存儲性能。目前關于磁邏輯器件的研究主要基于磁性材料內電子自旋相關輸運引起的磁阻效應，例如基于巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)效應的磁性金屬多層膜材料。但是由于GMR和TMR的磁阻值相對較小，不利于實際應用。另一方面，GMR和TMR器件的制備工藝復雜，和目前的半導體工藝不兼容，很難將這些磁邏輯器件大規模地集成到現有的半導體工藝中。在半導體/磁性材料復合的邏輯器件方面，電子型(n型)半導體表面制備了一系列鐵磁電級，并通過理論模擬驗證了這種結構可實現邏輯運算模式。但是這僅是一種設想，要實現器件的實用化還需要克服很多科技難題。在半導體邏輯器件方面，一種由高遷移率半導體銻化銦(InSb)制備的p-n結器件，在室溫和±0.1T磁場下實現了基本的布爾邏輯運算，但是由于InSb單晶對位錯缺陷要求很高,使得其制備工藝復雜，價格昂貴，嚴重限制了其實際應用。基于二極管增強的硅基磁邏輯器件需要外接多個二極管，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，因而需要較大的驅動功率，增加了能耗，不利于實際應用。
技術實現思路
為了解決上述問題，本專利技術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體材料和兩個金屬電級組成，將兩個金屬電級壓制在半導體材料的上表面或下表面,得到兩種半導體單元；兩個或多個半導體單元通過并聯或串并聯組合的方式連接。所述的半導體單元在正負磁場下得到的伏安特性曲線是非對稱的。所述的半導體材料為產生可逆的電學擊穿行為的半導體材料，包括硅、鍺、砷化鎵，其結構是多層薄膜結構或是塊體結構。所述的半導體單元，其中一個表面的粗糙度為納米級，另一個表面的粗糙度為微米級。所述的半導體材料，其上表面或下表面由化學腐蝕或機械拋光方法獲得。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體材料和兩個金屬電級組成，將兩個金屬電級壓制在半導體材料的上表面或下表面,得到兩種半導體單元——半導體單元甲和半導體單元乙；半導體單元甲和開關甲串聯組成電路第一分支，半導體單元乙和開關乙串聯組成電路第二分支，電路第一分支和第二分支并聯后再與一個電壓源并聯；半導體單元甲和半導體單元乙組成器件單元甲；當開關甲導通且開關乙斷開時定義此時的可編程磁電邏輯器件的器件結構為配置A，當開關甲斷開且開關乙導通時定義此時的可編程磁電邏輯器件的器件結構為配置B；對配置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的方向來分別實現不同的邏輯運算。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方向作為邏輯輸入的‘0’，以與鍺片橫截面垂直向內的磁場方向作為邏輯輸入的‘1’，以測量得到的電流值小于預設值定義為邏輯輸出的‘0’、電流值大于預設值定義為邏輯輸出的‘1’，配置A實現復制運算，配置B實現非運算。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體材料和兩個金屬電級組成，將兩個金屬電級壓制在半導體材料的上表面或下表面,得到兩種半導體單元，其中，半導體單元甲和半導體單元丙是相同的一種，半導體單元乙和半導體單元丁是相同的另一種；半導體單元甲、半導體單元丙和開關甲串聯組成電路第一分支，半導體單元乙、半導體單元丁和開關乙串聯組成電路第二分支，電路第一分支和第二分支并聯后再與一個電壓源并聯；半導體單元甲和半導體單元乙組成器件單元甲，半導體單元丙和半導體單元丁組成器件單元乙；當開關甲導通且開關乙斷開時，定義此時器件結構為配置C，當開關甲斷開且開關乙導通時，定義此時結構為配置D；對配置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的方向來分別實現不同的邏輯運算。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方向作為邏輯輸入的‘0’，以與鍺片橫截面垂直向內的磁場方向作為邏輯輸入的‘1’，以測量得到的電流值小于預設值定義為邏輯輸出的‘0’、電流值大于預設值定義為邏輯輸出的‘1’，配置C實現與運算、或運算，配置D實現與非運算、或非運算。本專利技術的有益效果為：1、所得到的器件在室溫和0.2T磁場下，磁阻值可達到450％。2、在室溫下，所得到的器件的伏安特性在正負磁場下是非對稱的，利用這種特殊的磁電性能可以實現可編程的磁電邏輯運算。3、該器件的原材料價格適中，器件結構和制備工藝簡單。附圖說明圖1為實施例1半導體材料單元的結構示意圖；圖2為實施例1半導體材料單元的在磁場下電學性能測量示意圖；圖3為實施例1半導體材料單元的在磁場下的伏安特性圖；圖4為實施例2可編程磁邏輯器件結構和磁電測量示意圖；圖5為實施例3可編程磁邏輯器件結構和磁電測量示意圖；圖6為實施例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；圖中標號：01—半導體單元甲、02—半導體單元乙、03—光滑表面、04—粗糙表面、05—電極、06—鍺、07—電壓源、08—電壓表、09—磁場負方向、10—磁場正方向、11—開關甲、12—開關乙、13—器件單元甲、14—可編程磁邏輯器件甲、15—器件單元乙、16—半導體單元丙、17—半導體單元丁、18—可編程磁邏輯器件乙具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步說明：實施例1選用厚度為500μm，電導率為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，當電極壓制在光滑表面03時，半導體單元甲01制備完成；當電極壓制在粗糙表面04時，半導體單元乙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行形貌表征，結果顯示粗糙表面04的粗糙度為微米級(μm)，光滑表面03的粗糙度為納米級(nm)。半導體單元甲01和半導體單元乙02的磁電性能測量用圖2所示，器件外接電壓源07和電壓表08。測量中外加磁場以與鍺片橫截面垂直的方向均勻地加載在半導體單元甲01和半導體單元乙02上，并定義與鍺片橫截面垂直向外的磁場方向為磁場正方向10，與鍺片橫截面垂直向內的磁場方向為磁場負方向09。圖3為本實施例得到的半導體材料單元甲01和半導體單元乙02在室溫(300K)下和正負磁場(±0.2T)條件下的伏安特性曲線。從圖3可以看出，半導體單元甲01的伏安特性是非線性的；當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變為低阻態，表現為電學擊穿現象。這一臨界電壓在+0.2T的數值大于其在-0.2T下的數值。這是由于半導體單元甲01內的載流子在-0.2T磁場下受洛倫茲力作用而偏向光滑表面03，相應的載流子復合速率減小，從而導致載流子濃度的增大，相應電流值較大；而半導體單元01內的載流子在+0.2T磁場下受洛倫茲力作用偏向粗糙表面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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體材料和兩個金屬電級組成，將兩個金屬電級壓制在半導體材料的上表面或下表面,得到兩種半導體單元；兩個或多個半導體單元通過并聯或串并聯組合的方式連接。

【技術特征摘要】
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體材料和兩個金屬電級組成，將兩個金屬電級壓制在半導體材料的上表面或下表面,得到兩種半導體單元；兩個或多個半導體單元通過并聯或串并聯組合的方式連接；所述半導體材料為產生可逆的電學擊穿行為的半導體材料；所述粗糙度不同指其中一個表面的粗糙度為納米級，另一個表面的粗糙度為微米級。2.根據權利要求1所述的一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，所述的半導體單元在正負磁場下得到的伏安特性曲線是非對稱的。3.根據權利要求1所述的一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，所述的半導體材料包括硅、鍺、砷化鎵，其結構是多層薄膜結構或是塊體結構。4.根據權利要求1所述的一種室溫可編程磁邏輯器件，其特征在于，所述的半導體材料，其上表面或下表面由化學腐蝕或機械拋光方法獲得。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體材料和兩個金屬電級組成，將兩個金屬電級壓制在半導體材料的上表面或下表面,得到兩種半導體單元——半導體單元甲和半導體單元乙；半導體單元甲和開關甲串聯組成電路第一分支，半導體單元乙和開關乙串聯組成電路第二分支，電路第一分支和第二分支并聯后再與一個電壓源并聯；半導體單元甲和半導體單元乙組成器件單元甲；當開關甲導通且開關乙斷開時定義此時的可編程磁電邏輯器件的器件結構為配置A，當開關甲斷開且開關乙導通時定義此時的可編程磁電邏輯器件的器件結構為配置B；對配置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的方向來分別實現不同的邏輯運算；所述半導體材料為產生可逆的電學擊穿行為的半導體材料；所述粗糙度不同指其中一個表面的粗糙度為納米級，另一個表面的粗糙度為微米級。6.根據權利要求5所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：章曉中，陳嬌嬌，羅昭初，熊成悅，郭振剛，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11