自旋波逻辑器件的关键技术研究

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传统电荷型CMOS器件的发展受制于物理极限而遇到重大阻碍,使人们将研究焦点汇聚到“非电荷型器件”的发展上。在此类新型器件中,利用电子自旋的集体进动所产生的自旋波作为信息载体的自旋波功能器件,有望成为后摩尔时代新型器件的强力竞争者。逻辑门是重要的信息传输与处理功能器件。近十余年以来,作为组成自旋波逻辑门的核心器件的自旋波移相器被学术界展开了广泛的研究与探讨,但仍然面临着几大方面的发展难题:(1)移相效率与稳定性问题,多数移相器存在移相稳定时间长、相移量不精确等困扰;(2)调控问题,目前调控手段单一且存在巨大的附加功耗;(3)器件适用性问题,如对器件尺寸、外场环境、应用频率、CMOS工艺的不匹配情况;(4)信号的衰减问题等。本文针对以上问题,基于自旋轨道矩效应提出了一种可电调控的自旋波移相器。所提出的自旋波移相器从功能性上来说,具有可重构、双操作模式、宽应用频段、高稳定型及低功耗等特性;从适用性上来说,其具有小尺寸、无外场依赖、工艺兼容性良好等特点。本文的研究工作主要包括:首先利用微磁学仿真软件OOMMF设计并验证了一种自旋波移相器模型;随后分别基于两种工作模式对所提出的移相器进行功能验证性仿真并观察移相波形结果;其次进行一系列仿真探究相关尺寸及频率等影响因素,分析该器件模型的可行性及适用性并给出相应的结论;最后基于此移相器构建了基础XNOR逻辑门并得到了理想的预期仿真结果。经过研究,获得结果与结论如下。(1)所提出的自旋波移相器拥有两种工作模式,即静态模式和动态模式。在静态模式下,该器件通过脉冲电流控制器件的状态以实现移相态和非移相态之间的切换。在动态模式下,通过输入不同大小的电流来控制可实时调控的移相器。当通入电流大小约为2.8 mA时为非移相态,不通入电流时为移相态。另外,在动态模式下工作时,还可以实现自旋阀的功能,自旋阀是通过外部输信号控制自旋波信号通断的元器件,当无电流通入时器件为通路,当通入电流大小约为0.8 mA时器件为断路。(2)所提出的自旋波移相器具有广泛的适用性。通过一系列的仿真研究发现,移相器的谐振体与波导宽度尺寸比例须保持为适当值,约为1/3,才能保证其移相功能的完备。在适当模型结构下,波导宽度可存在10%的选择区间,而谐振体尺寸参数极为敏感,与应用频率紧密相关。根据结果所得出的经验公式表明,谐振体长度与应用频率存在线性关系,有fπ=k*l+C,其中fπ为应用频率,l为谐振体长度,k=0.04 GHz nm-1,C=4.5 GHz均为常数。(3)针对所提出的器件模型的可行性分析表明,间隔距离的起伏变化(2 nm4 nm)或是材料阻尼系数的改变(0.0020.01)均不会对移相效果造成显著影响。选择低阻尼因子的材料有助于改善自旋波信号的衰减。(4)所提出的移相器具有宽阔的应用频段(本尺寸模型下频率区间为8.5 GHz11.0 GHz)、整体占用面积较低(本尺寸模型下应用面积约为150 nm×50 nm)、功耗极低、没有外磁场环境依赖、拥有广泛的适用场景等特点。(5)利用所提出的移相器构建的XNOR逻辑门在各个逻辑输入条件下均得到了理想的仿真结果波形,微磁仿真结果支持所提出的自旋波移相器模型的正确性,同时也佐证了其适用性。
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