МАГНИТНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Российский патент 2004 года по МПК H03K19/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к обеспечению логических схем путем реализации свойств магнитных квантовых точек (magnetic quantum dots).

Уровень техники

Последние сорок лет наблюдается постоянный экспоненциальный рост степени интеграции кремниевых электронных устройств, таких как микропроцессоры. Несмотря на то, что пока еще имеется большой потенциал для будущего роста степени интеграции кремниевых устройств, в конце концов наступит момент, когда дальнейшее увеличение степени интеграции окажется невозможным. Таким образом, существует потребность обеспечения альтернативных вариантов развития цифровой логики. В идеале желательно прийти к молекулярной электронике, где в качестве логических элементов и соединений между ними можно было бы использовать отдельные молекулы или атомы. Однако имеются серьезные технологические и научные проблемы, которые необходимо решить на этом пути, и поэтому маловероятно, что молекулярная электроника сразу заменит кремниевую электронику. В последнее время особое внимание исследователей сосредоточено на "электронных квантовых точках" (electronic quantum dots) и "одноэлектронных транзисторах" (single electron transistors) как возможных кандидатах на продолжение роста степени интеграции сверх той, которая обеспечивается известными кремниевыми устройствами.

Особый интерес представляет конфигурация квантовых точек, называемая квантовым клеточным автоматом (ККА), который обладает способностью выполнять логические операции. К сожалению, в настоящее время эти устройства работают только при очень низких температурах.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предлагается логическое устройство, предназначенное для выполнения одной из функций И, ИЛИ, НЕ, триггера-защелки или любой их комбинации и сформированное из множества цепочек точек магнитного материала, причем каждая точка имеет ширину 200 нм или менее и отделена от других точек достаточно малым расстоянием, чтобы обеспечить ферромагнитную связь соседних точек, при этом логическое устройство включает в себя средства обеспечения управляемого магнитного поля для цепочки точек. Точки могут иметь размер 100 нм или менее либо 80 нм или менее.

Точки могут иметь круглую форму, эллиптическую форму либо их сочетание.

Точки могут быть сформированы из магнитно-мягкого материала, такого как пермаллой (Ni80Fe20) или CoFe.

Точки могут быть сформированы на подложке, выполненной из такого материала, как кремний.

Средства для обеспечения управляемого магнитного поля могут включать в себя средства для управления упомянутыми средствами, так что магнитное поле или поля могут действовать в качестве управляющего тактового генератора. Такое устройство может обеспечить электрический выходной сигнал или выходные сигналы путем дополнительного включения в его состав одного или нескольких компонентов, создающих магнитоэлектрический эффект.

Настоящее изобретение обеспечивает ККА путем использования магнитных квантовых точек. Устройство хорошо работает вплоть до температуры Кюри для ферромагнитных металлов (~1000 К) и может быть реализовано с помощью крупных точек размером около 200 нм либо мелких точек размером около 10 нм. Таким образом, изобретение обеспечивает магнитный квантовый клеточный автомат (МККА), который можно рассматривать как промежуточное звено между известными кремниевыми устройствами и молекулярной электроникой. Точки размером 200 нм дают увеличение поверхностной степени интеграции (эффективное количество транзисторов на один кристалл интегральной микросхемы) в 400 раз по сравнению с современными КМОП-приборами (на основе коплементарной металл-оксид-полупроводниковой структуры), а точки размером 10 нм дают увеличение степени интеграции в 160000 раз. Кроме того, процесс изготовления устройств МККА относительно прост по сравнению с современной КМОП-технологией. Следовательно, МККА согласно изобретению может радикально улучшить экономические показатели производства интегральных схем (ИС), позволяя относительно небольшим компаниям, которые не могут вложить капитал в изготовление КМОП-приборов (~2 миллиарда $ США), выйти на рынок со своими изделиями. Вдобавок, поскольку все элементы МККА являются магнитными, МККА прекрасно подходит для совместного использования с новейшей технологией магнитной памяти с произвольной выборкой (МОЗУ), которая в будущем заменит всю компьютерную полупроводниковую память.

Краткое описание чертежей

Теперь со ссылками на сопроводительные чертежи будет описан один пример настоящего изобретения, при этом на чертежах показаны:

фиг.1 - схема логического устройства, включающего в себя различные принципы, согласно настоящему изобретению;

фиг.2 - схема, демонстрирующая дефект солитона в логическом элементе, согласно настоящему изобретению;

фиг.3 - схема, показывающая, как могут пересекаться логические соединения согласно изобретению без возникновения неблагоприятных помех; фиг.4, А, В и С - схемы, показывающие примеры возможных конфигураций настоящего изобретения, обеспечивающих согласование импедансов; и

фиг.5 - схема, показывающая, как можно обеспечить разветвление сигнала согласно изобретению путем изменения толщины точек в окрестности расщепления цепочки.

Подробное описание изобретения

Перед описанием изобретения полезно рассмотреть некоторые его предпосылки.

Последнее время объектом интенсивных научных и технологических исследований стали магнитные частицы в нанометровом диапазоне размеров ("наномагниты"). Эти искусственные структуры нулевой размерности представляют особый интерес, поскольку, обеспечивая прекрасную возможность изучения фундаментальных проблем магнетизма, они также весьма перспективны с точки зрения будущих технологических приложений, таких как средства аудио-визуальной информации на жестких дисках сверхвысокой плотности и энергонезависимая память для вычислений.

Основные полезные свойства наномагнитов являются следствием принципа, известного как фундаментальная теорема Брауна (Brown), согласно которой в результате "состязания" магнито-статической энергии и энергии квантово-механического обмена формирование магнитных доменов должно быть полностью подавлено до очень маленьких (~10^-8 м) магнитных частиц, что заставляет наномагниты вести себя как одиночные макроспины. Правильность этой теоремы для плоских круглых ферромагнитных дисков недавно была подтверждена экспериментально. Таким образом можно экспериментально получить изолированный плоский дипольный момент в несколько тысяч магнетонов Бора. Подобрав геометрическую форму наномагнита, можно дополнительно выбрать предпочтительные направления (анизотропные) в одной плоскости. Магнитное поле, порождаемое этим макроспином, может составлять несколько десятков эрстед даже на расстояниях 100 нм от данного наномагнита. Это сравнимо с величиной кТ/м, энергией тепловой флуктуации, выраженной в виде магнитного поля порядка 1 эрстеда при комнатной температуре (например, для диска из пермаллоя диаметром 75 нм и толщиной 10 нм). Следовательно, можно изготовить наномагниты для магнитостатического взаимодействия в диапазоне энергий, превышающих тепловой фон, даже при комнатной температуре и выше.

(i) Логические состояния

На фиг.1 показана схема МККА согласно изобретению. Круглые диски одиночных доменов из изотропного ферромагнитного материала скомпонованы на достаточно небольшом расстоянии друг от друга, так что ближайшие соседние диски испытывают сильное магнитостатическое взаимодействие. Обычно диски имеют 80 нм в диаметре и толщину 15 нм и расположены с шагом 115 нм. Каждый диск в этом случае может быть представлен в виде планарного макроспина. Круглая форма дисков гарантирует, что изолированные спины дают изотропную энергетическую поверхность. Однако дипольная связь анизотропна и поэтому два соседних спина будут стремиться расположиться вдоль линии, соединяющей их центры. Таким образом, цепочки точек, показанные на фиг.1, имеют два устойчивых состояния: все спины в цепочке могут быть направлены вдоль этой цепочки, но не перпендикулярно к ней. Цепочка представляет собой логические состояния с использованием варианта булевой алгебры, где вместо 1 и 0 используются +1 и -1. Пусть в случае горизонтальной цепочки спины, направленные влево, определяют состояние -1, а спины, направленные вправо, состояние +1. А также пусть в случае вертикальной цепочки спины, направленные на странице с чертежом вниз, определяют состояние -1, а спины, направленные вверх, определяют состояние +1.

(ii) Распространение солитона

Предположим, что половина спинов в цепочке установлена в состояние +1, а другая половина - в состояние -1, как схематически показано на фиг.2. Эти два состояния встречаются в центре цепочки, образуя "дефект". Для простоты на фиг.2 дефект изображен как точечный, то есть переход из состояния -1 в состояние +1 происходит скачком. В действительности дефект имеет структуру, то есть переход возникает в промежутке, состоящем из нескольких точек. Предположим, что подано небольшое поле, ориентированное вдоль длины цепочки. Это приведет к тому, что спины в состоянии +1 окажутся в более "благоприятном" положении, чем спины в состоянии -1. Спины в состоянии -1, находящиеся далеко от дефекта, удерживаются на месте полем взаимодействия со своими ближайшими соседями и поэтому не могут изменить знак. Однако спин -1 в зоне дефекта подвергается нулевому результирующему воздействию, поскольку поле взаимодействия от его соседнего спина +1 подавляется полем от другого соседнего спина -1. Следовательно, может измениться знак спина для его ориентирования по полю, что вызовет смещение дефекта вправо на одну клетку. Это, в свою очередь, увеличивает количество клеток, ориентированных вдоль поля и поэтому уменьшает энергию системы. Это же рассуждение можно распространить далее для нового спина -1 в зоне дефекта, в результате чего дефект опять сместится, и это будет продолжаться до тех пор, пока он не достигнет конца цепочки, где происходит аннигиляция. Фактически дефект является солитоном, то есть он локализован и способен смещаться под действием приложенного поля. Солитоны несут топологический заряд: солитон, показанный на фиг.2, называют положительным, поскольку он смещается в направлении приложенного положительного поля. Солитон, являющийся связующим звеном при переходе из логического состояния -1 в состояние +1, когда он смещается вправо, будет нести отрицательный заряд и перемещаться навстречу направлению приложенного положительного поля (то есть влево на фиг.2).

Таким образом, распространение сигналов в схеме МККА осуществляется магнитными солитонами, возбуждаемыми приложенным слабым переменным полем. Когда приложенное поле положительно, положительные солитоны перемещаются вправо, а отрицательные солитоны - влево. Таким образом, эти топологически заряженные солитоны являются прямыми аналогами электронов и дырок, используемых в полупроводниковых интегральных схемах. Однако вместо протекания по алюминиевым или медным проводам под действием электрического поля они распространяются через сеть связанных магнитных квантовых точек под действием одного или нескольких магнитных полей. Магнитное поле или поля могут быть приложены глобально ко всему чипу и одновременно могут служить источником питания для каждой точки (любая энергия, связанная с движением солитона, берется из приложенного поля) и слабо расфазированным тактовым генератором. Векторное тактовое магнитное поле, вращающееся, например, в плоскости устройства от верхней части страницы с чертежом налево, а затем вниз и вправо, может быть использовано для обеспечения синхронного функционирования логической сети и проведения сигналов по углам и через логические элементы.

(iii) Ввод данных

Данные можно вводить в цепочку из эллиптического наномагнита, выделенного в блоке А на фиг.1. Эллиптическая форма создает анизотропию формы, которая резко увеличивает коэрцитивность. Следовательно, переключение может быть выполнено только под воздействием сильных полей, приложенных извне (либо от глобально приложенного поля, либо локально от токонесущей дорожки, показанной на фиг.1 в точке Е), и невозможно под воздействием поля взаимодействия от круговых наномагнитов. Таким образом, солитон не может аннигилироваться в конце цепочки, несущей эллиптическую клетку; однако он может аннигилироваться на свободном конце цепочки. Такая асимметрия гарантирует, что после одного цикла приложенного поля каждая клетка в цепочке будет установлена в логическое состояние эллиптической клетки и будет стабильной. Следовательно, эллиптические клетки играют роль входных выводов и их логическое состояние передается дальше по соединительным цепочкам. В альтернативном варианте магнитное состояние точки в цепочке может быть изменено на противоположное путем приложения импульса поляризованного электронного тока высокой плотности через ферромагнитный точечный контакт.

(iv) Логический элемент

Логические элементы могут быть выполнены путем соединения 3-х цепочек точек вместе, как показано в блоке В на фиг.1. В этом случае две цепочки, подходящие слева, являются входами, а цепочка, уходящая вправо, - выходом. В узловой точке получается векторная сумма полей взаимодействия, приходящих от цепочек, то есть выполняется функция суммирования. Таким образом, булевы функции И или ИЛИ могут быть получены путем приложения магнитного поля смещения. Функция НЕ может быть реализована путем расположения точек, показанного в блоке D на фиг.1. Важным признаком описанных здесь логических элементов, который относится ко всей схеме в целом, является то, что логические сигналы можно направить по контуру обратной связи, чтобы создать триггерный узел (защелку). Следовательно, могут быть реализованы синхронные конечные автоматы.

(v) Комплексные сети

Рассматриваемая схема не ограничивается линейными цепочками, обсуждавшимися до настоящего времени. Если глобальное магнитное поле приложено под углом 45° относительно направлений х и у, то тогда цепочки могут быть выстроены вдоль направлений х и у, а углы повернуты, как показано в блоке С на фиг.1. Одним из главных преимуществ ККА и МККА перед известными КМОП-приборами является то, что цепочки могут пересекаться друг с другом, как показано на фиг.3. В этом случае солитоны должны проходить друг через друга без взаимных помех. Вследствие этого может быть построен большой сложный логический блок, к примеру центральный процессор, на одной плоскости без необходимости выполнения многослойной обработки и межслойных переходов. Следовательно, стоимость изготовления (как капитальных вложений, так и затрат на единицу продукции) уменьшается по сравнению с КМОП-приборами. В альтернативном варианте для создания трехмерных логических аппаратных средств может быть использовано множество плоскостей из взаимодействующих точек. Различные плоскости могут быть выполнены таким образом, что они не будут взаимодействовать (а просто будут использованы для усложнения одиночного чипа) путем создания между плоскостями интервала, превышающего диаметр точки. В противном случае, если расстояние между плоскостями сделать меньше диаметра точек, сигналы могут проходить между плоскостями. Таким образом могут быть легко реализованы межслойные соединения для сигналов между плоскостями. С помощью такой трехмерной архитектуры можно без труда увеличить сложность устройства.

(vi) Вывод данных

Логические сигналы могут быть преобразованы из магнитной формы в электронную форму на конечных выходных ступенях кристалла (например, точка ‘F’ на фиг.1) путем использования магнитоэлектронного эффекта, такого как туннельное магнитное сопротивление (ТМС)

(vii) Согласование импедансов

Во избежание отражений высокочастотные электронные схемы должны быть согласованы по импедансам для каждого соединения. Аналогичный подход имеет место и в МККА, хотя и не только при высоких частотах. На фиг.4А показан такой случай. Предположим, что расстояние между двумя точками в цепочке больше обычного, что ведет к ослаблению связи между точками. Это может возникнуть в углу либо в схеме логического элемента. Предположим теперь, что солитон распространяется слева направо. Когда он дойдет до слабо связанной точки, это место станет препятствием для его дальнейшего продвижения, поскольку поле от точки А, действующее в точке В, не достаточно сильно, чтобы компенсировать поле от точки С, действующее на точку В. Солитон не сможет пройти через это место, пока не будет приложено более сильное поле возбуждения, что может привести к нежелательным последствиям. Решением проблемы является приложение слабой анизотропии в точке В путем придания ей слегка эллиптической формы. В точке А также можно приложить другую анизотропию противоположного знака. На фиг.4В показана конечная конфигурация. В этом случае слабая связь от А к В компенсируется полем анизотропии в точке В. Еще одним интересным признаком этой конфигурации является ее "однонаправленность". Солитон, распространяющийся справа налево, наталкивается на усиленное препятствие. Таким образом, такое слабо связанное соединение представляет собой "солитоновый диод", который можно использовать для управления маршрутизацией сигналов в системе МККА. Также можно изменять силу связи путем изменения толщины точки. На фиг.4С показан альтернативный вариант солитонового диода, в котором используется резкое изменение толщины точки для обеспечения однонаправленности. Число в каждой точке указывает толщину точки в нанометрах.

Разветвление сигнала на выходе логического элемента для подачи на входы нескольких других логических элементов является важным признаком любой используемой логической системы. МККА способен обеспечить разветвление с использованием структуры, обратной той, что показана в блоке В на фиг.1. Для согласования импедансов в клетки, находящиеся рядом с соединением, можно внести небольшую анизотропию. Диодный эффект от указанных анизотропий предотвращает прохождение сигналов обратно к выходу логического элемента. В альтернативном варианте разветвление может быть достигнуто путем постепенного изменения толщины точек в окрестности расщепления цепочки, как показано на фиг.5. Число в каждой точке показывает значение толщины в нанометрах.

Изобретение относится к логическим схемам, реализуемым магнитными квантовыми точками. Техническим результатом является обеспечение работы заявленного устройства при высоких температурах, а также повышение экономических показателей производства интегральных схем. Для этого логическое устройство сформировано из цепочек, состоящих из точек из магнитного материала, при этом каждая точка имеет ширину 200 нм или меньше и отделена от других точек достаточно малым расстоянием, чтобы обеспечить магнитное взаимодействие соседних точек. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Логическое устройство, предназначенное для выполнения одной из функций И, ИЛИ, НЕ, триггера-защелки или любой их комбинации и сформированное из множества цепочек точек магнитного материала, причем каждая точка имеет ширину 200 нм или менее и отделена от других точек достаточно малым расстоянием, чтобы обеспечить ферромагнитную связь соседних точек, при этом логическое устройство включает в себя средства обеспечения управляемого магнитного поля для цепочки точек.2. Логическое устройство по п.1, в котором точки имеют размер 100 нм или менее.3. Логическое устройство по п.1, в котором точки имеют размер 80 нм или менее.4. Логическое устройство по п.1, в котором точки имеют эллиптическую форму.5. Логическое устройство по любому из пп.1-4, в котором точки сформированы из магнитно-мягкого материала.6. Логическое устройство по любому из пп.1-5, в котором точки сформированы на подложке, выполненной из кремния.7. Логическое устройство по п.6, в котором средства для обеспечения магнитного поля включают в себя средства для управления упомянутыми средствами, так что магнитное поле может действовать как управляющий тактовый генератор.8. Логическое устройство по п.7, которое скомпоновано для обеспечения электрического выходного сигнала или выходных сигналов путем дополнительного включения в его состав одного или нескольких компонентов, создающих магнитоэлектрический эффект.