自旋邏輯器件由于具有非易失性、低功耗以及易于小型化等優(yōu)點，尤其是基于SOT的自旋邏輯器件具有高速、高耐久性，因而更加適合存內(nèi)計算領(lǐng)域的應(yīng)用，具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，目前報道的SOT邏輯器件大都是以雙極性電信號的形式進(jìn)行邏輯操作，需要額外的輔助電路對給定電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化從而完成邏輯操作（圖 1a），導(dǎo)致該電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量和面積的開銷大，嚴(yán)重阻礙了自旋邏輯器件在低功耗和高密度集成領(lǐng)域的應(yīng)用。 

　　為解決上述問題，中國科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心羅軍研究員課題組研制了采用單極電壓信號作為邏輯輸入的全電控自旋邏輯器件，類似于CMOS邏輯電路的單極性輸入特性，該器件無需額外輔助電路以完成邏輯操作（圖 1b）。該邏輯器件基于本研究組前期研發(fā)的單極性SOT-MTJ的特性而研制（IEEE EDL，43，（2022）709），其在較高的電壓下寫入高電阻態(tài)、在低的電壓下會翻轉(zhuǎn)到低電阻態(tài)（圖 1c）。由于其具備單極寫入特性，故可將輸入信號直接加在器件底電極兩端（圖 1d）。通過定義不同的輸入信號，實現(xiàn)XOR/XNOR邏輯操作的轉(zhuǎn)化（圖 2），因此該邏輯電路是可重構(gòu)的。與利用雙極性電信號實現(xiàn)XOR/XNOR操作的STT邏輯和SOT邏輯電路相比，基于單極性SOT邏輯輸入的電路使用更少的晶體管和消耗更低的能量。該研究成果為SOT-MTJ成為可重構(gòu)性、低功耗、高集成度的存內(nèi)計算邏輯提供了一種全新方法。 

　　圖1、（a）雙極性自邏輯器件電路結(jié)構(gòu)，（b）單極性自旋邏輯器件電路結(jié)構(gòu)，（c）單極性器件翻轉(zhuǎn)特性曲線，（d）測試電路圖。 

　　圖2、XOR/XNOR邏輯測試結(jié)果 

　　基于本研究成果的論文“Spin Logic Operated by Unipolar Voltage Inputs”近日發(fā)表在著名的微電子領(lǐng)域期刊《電子器件快報》（IEEE Electron Device Letters，DOI: 10.1109/LED.2022.3186427）上。中科院微電子所博士生趙磊為第一作者，中科院微電子所先導(dǎo)中心羅軍研究員和楊美音副研究員為該文的共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院有關(guān)項目的支持。 

　　論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9807345 

　　此外，羅軍研究員團(tuán)隊前期采用離子注入在Pt/Co/Ta霍爾器件中也獲得了單極性的電流控制磁化翻轉(zhuǎn)，設(shè)計并實現(xiàn)了AND和OR兩種不需要重置操作的自旋邏輯功能。與需要重置的布爾邏輯功能相比，其具有操作時間短、集成度高、能耗低等優(yōu)點。基于本研究成果的論文“Current controlled non-hysteresis magnetic switching in the absence of magnetic field”近日發(fā)表在物理學(xué)期刊《應(yīng)用物理快報》（Applied Physics Letters, 2022, 120(6): 062402）。