一种斯格明子晶体管及斯格明子晶体管控制方法

1.本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种斯格明子晶体管及斯格明子晶体管控制方法。


背景技术：

2.斯格明子(skyrmion)是一种受拓扑保护具有准粒子特性的非共线自旋磁畴纹理，在自旋电子学领域受到越来越广泛的关注。斯格明子以其卓越的稳定性、极其紧凑的尺寸以及比磁畴壁低5-6数量级的驱动电流等特性，可用作下一代信息处理和数据存储设备中的信息载体。
3.传统半导体晶体管作为一种微型可变电流开关，其核心在于能够基于输入电压控制输出电流，并且具备极快的开关速度。而在斯格明子晶体管中，受驱动的是斯格明子而非电子，因此，斯格明子的受控动力学过程是实现斯格明子晶体管的关键，为了满足信号的快速传递，如何实现斯格明子的高速运动是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种斯格明子晶体管及斯格明子晶体管控制方法。
5.第一方面，本说明书实施例提供一种斯格明子晶体管，包括：
6.铁磁纳米管；
7.写入磁性隧道结，环绕设置在所述铁磁纳米管的一端；
8.读取磁性隧道结，环绕设置在所述铁磁纳米管的另一端；
9.铁电环，环绕设置在所述铁磁纳米管的外侧，且位于所述写入磁性隧道结和所述读取磁性隧道结之间，所述铁磁纳米管与所述铁电环形成铁磁/铁电异质结；
10.其中，第一电流沿垂直方向注入所述写入磁性隧道结后，所述铁磁纳米管在所述第一电流的诱导下形成斯格明子；关闭所述第一电流，且所述铁磁纳米管通入轴向方向上的第二电流后，所述斯格明子在所述第二电流的驱动下沿所述轴向方向运动；在所述铁电环上施加控制电压，以通过调节所述控制电压来控制所述斯格明子的运动状态。
11.可选地，所述斯格明子为布洛赫型斯格明子或奈尔型斯格明子。
12.可选地，所述斯格明子为所述布洛赫型斯格明子时，所述铁磁纳米管的材料包括以下材料中的一种或多种：fege、mnge、mnsi、mnniga、mnfege、fecosi和cu2oseo3。
13.可选地，所述斯格明子为所述奈尔型斯格明子时，所述铁磁纳米管的材料包括以下材料中的一种或多种：co、cofeb、cofe和feni。
14.可选地，所述斯格明子为所述奈尔型斯格明子时，所述铁磁纳米管为中空结构，所述斯格明子晶体管还包括：
15.用于提供界面dmi的金属管，设置在所述铁磁纳米管的中空结构内。
16.可选地，所述金属管的材料包括以下材料中的一种或多种：w、ta、pt、pd、ph、ir、pb和au。
17.可选地，所述斯格明子晶体管还包括：
18.缓冲层，位于所述铁磁纳米管和所述铁电环之间。
19.可选地，述铁电环的材料为锆钛酸铅或铌镁钛酸铅。
20.第二方面，本说明书实施例提供一种斯格明子晶体管控制方法，应用于第一方面提供的斯格明子晶体管中，所述方法包括：
21.向所述斯格明子晶体管的写入磁性隧道结注入垂直方向上的第一电流，以使所述铁磁纳米管在所述第一电流的诱导下形成斯格明子；
22.关闭所述第一电流，并向所述斯格明子晶体管的铁磁纳米管通入轴向方向上的第二电流，以使所述斯格明子在所述第二电流的驱动下沿所述轴向方向运动；
23.向所述斯格明子晶体管的铁电环施加控制电压，以调整所述斯格明子的运动状态。
24.可选地，所述向所述斯格明子晶体管的铁电环施加控制电压，以调整所述斯格明子的运动状态，包括：
25.调整所述控制电压，以在所述铁电环下方的铁磁纳米管中形成对应强度的能量势垒区；
26.其中，所述斯格明子在所述第二电流的驱动下穿越所述能量势垒区到达所述斯格明子晶体管的读取磁性隧道结时，所述斯格明子晶体管导通；所述斯格明子在所述第二电流的驱动下被所述能量势垒区阻挡时，所述斯格明子晶体管关闭。
27.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
28.本技术实施例提供的斯格明子晶体管，包括铁磁纳米管，写入磁性隧道结，读取磁性隧道结以及铁电环。其中，写入磁性隧道结和读取磁性隧道结分别环绕设置在铁磁纳米管的两端；铁电环，环绕设置在铁磁纳米管的外侧，且位于写入磁性隧道结和读取磁性隧道结之间，铁磁纳米管与铁电环形成铁磁/铁电异质结。当写入磁性隧道结注入垂直方向上的第一电流时，铁磁纳米管在第一电流的诱导下形成斯格明子；关闭第一电流，且铁磁纳米管通入轴向方向上的第二电流后，斯格明子在第二电流的驱动下沿轴向方向运动；在铁电环上施加控制电压，以通过调节控制电压来控制斯格明子的运动状态。上述方案中，由于生成斯格明子以及作为斯格明子运动载体的铁磁纳米管为无边界的管状结构，斯格明子可以沿着铁磁纳米管表面以螺旋方式运动，不会受到斯格明子霍尔效应影响在边界湮灭，从而大大提高了斯格明子的移动速度，实现晶体管信号传递的大幅度提高。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本说明书实施例提供的一种斯格明子晶体管的示意图；
31.图2为本说明书实施例提供的在斯格明子为奈尔型斯格明子时，斯格明子晶体管铁磁、铁电异质结处的横截面示意图；
32.图3为本说明书实施例提供的在斯格明子为布洛赫型斯格明子时，斯格明子晶体
管铁磁、铁电异质结处的横截面示意图；
33.图4中的(a)图为本说明书实施例提供的在注入第一电流时，斯格明子的位置示意图；
34.图4中的(b)图为本说明书实施例提供的在关闭第一电流且注入第二电流时，斯格明子的位置示意图；
35.图4中的(c)图为本说明书实施例提供的在关闭第一电流、注入第二电流以及施压控制电压时，斯格明子无法穿过能量势垒时的位置示意图；
36.图4中的(d)图为本说明书实施例提供的斯格明子穿过能量势垒时的位置示意图；
37.图5为本说明书实施例提供的斯格明子的速度分量示意图；
38.图6为本说明书实施例提供的栅极区域各项异性参数与轴向电流密度之间的关系示意图；
39.图7为本说明书实施例提供的一种斯格明子晶体管控制方法。
具体实施方式
40.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
41.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
42.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
43.本说明书实施例提供了一种斯格明子晶体管，如图1所示，为本说明书实施例提供的一种斯格明子晶体管的示意图，该晶体管包括：
44.铁磁纳米管101；写入磁性隧道结102，环绕设置在铁磁纳米管101的一端；读取磁性隧道结103，环绕设置在铁磁纳米管101的另一端；铁电环104，环绕设置在铁磁纳米管101的外侧，且位于写入磁性隧道结102和读取磁性隧道结103之间，铁磁纳米管101与铁电环104形成铁磁/铁电异质结。
45.本说明书实施例中，铁磁纳米管101能够产生稳定的斯格明子并提供斯格明子定向高速移动的通道。铁磁纳米管101为无边界的管状结构，可以为中空的管状结构，也可以为实心的管状结构。
46.写入磁性隧道结102和读取磁性隧道结103，分别环绕的设置在铁磁纳米管的两端，如图1所示。写入磁性隧道结102和读取磁性隧道结103可以为铁磁层-势垒层-铁磁层的三明治结构，以写入磁性隧道结102为例，具体可以通过以下方式形成：在铁磁纳米管101的一端表面上形成势垒层，再在势垒层上形成铁磁层。其中，势垒层的材料可以为金属氧化
物，如mgo。对于写入磁性隧道结102来说，可以以圆周环绕的方式设置在铁磁纳米管101上，也可以以部分环绕的方式设置在铁磁纳米管101上，如以四分之一圆周、八分之一圆周等环绕在铁磁纳米管101上。读取磁性隧道结103，通常以圆周环绕的方式设置在铁磁纳米管101上，当然，也可以根据实际需要对环绕方式进行变形，这里不做限定。
47.铁电环104，形成在铁磁纳米管101的中间部位，铁电环104的材料可以为锆钛酸铅(pzt)或铌镁钛酸铅(pmn-pt)，铁磁纳米管101与铁电环104形成铁磁/铁电异质结。
48.可选地，在晶体管工作过程中，考虑到铁电环104会在外加电场的作用下发生形变挤压铁磁纳米管101，如果应力过大，铁磁纳米管101有可能会出现损伤。因此，可以在铁磁纳米管101和铁电环104之间设置缓冲层105(如图1所示)，缓冲层105的材料可以为金属材料，例如钽、钌等。在设置有缓冲层105的斯格明子晶体管中，铁磁纳米管101、缓冲层105和铁电环104形成铁磁/铁电异质结。需要说明的是，缓冲层设置与否可以根据实际需要进行设定，如根据铁磁纳米管101的材料、厚度等选择添加或取消缓冲层。
49.图1所示的斯格明子晶体管的结构中，写入磁性隧道结102、铁磁/铁电异质结、读取磁性隧道结103依次作为斯格明子晶体管的源极、栅极和漏极。
50.需要说明的是，为斯格明子提供轨道的铁磁纳米管101，可以包括多种结构，以生成不同类型的斯格明子。本说明书实施例中，分别以在源极生成奈尔型斯格明子以及布洛赫型斯格明子的结构为例，来进行说明。
51.一、生成奈尔型斯格明子
52.在斯格明子为奈尔型斯格明子时，请参考图2，图2为斯格明子晶体管铁磁/铁电异质结处的横截面示意图。在该种结构中，铁磁纳米管101为中空结构，即类似于带孔的圆环结构。斯格明子晶体管还包括：用于提供界面dmi的金属管106，设置在所述铁磁纳米管的中空结构内。其中，金属管106的外径可以与中空结构的内径相同，金属管可以为空心管或者实心管，金属管106的长度可以根据实际需要进行设定。
53.如图2所示，该结构由内到外依次是由金属管106提供的金属层201、由铁磁纳米管101提供的第一铁磁层202、由铁电环104提供的第一铁电层203。其中，铁磁纳米管101包括以下材料中的一种或多种：fege、mnge、mnsi、mnniga、mnfege、fecosi和cu2oseo3。金属管106的材料可以为以下材料中的一种或多种：w、ta、pt、pd、ph、ir、pb和au。另外，铁电环104和铁磁纳米管101之间可以根据需要增加缓冲层。
54.这种结构中存在位于金属层201和第一铁磁层202之间的界面dmi(dzyaloshinskii-moriya interaction)，并诱导产生奈尔型斯格明子。
55.二、生成布洛赫型斯格明子
56.在斯格明子为布洛赫型斯格明子时，如图3所示，为斯格明子晶体管铁磁/铁电异质结处的横截面示意图。在该种结构中，通过铁磁纳米管101提供体dmi，无需通过图2中的金属层201提供界面dmi。具体的，铁磁纳米管101包括以下材料中的一种或多种：fege、mnge、mnsi、mnniga、mnfege、fecosi和cu2oseo3。
57.如图3所示，该结构由内到外依次是由铁磁纳米管101提供的第二铁磁层301、铁电环104提供的第二铁电层302。其中，在该种结构中，铁磁纳米管101可以为中空结构，中空结构内部不进行任何填充；铁磁纳米管101也可以为实心结构，即横截面不带孔。
58.这种结构中，第二铁磁层301自身存在体dmi，诱导产生布洛赫型斯格明子。
59.本说明书实施例中，斯格明子晶体管的工作过程为：第一电流沿垂直方向注入写入磁性隧道结102后，铁磁纳米管101在第一电流的诱导下形成斯格明子；关闭第一电流，且铁磁纳米管101通入轴向方向上的第二电流后，斯格明子在第二电流的驱动下沿轴向方向运动；在铁电环104上施加控制电压，以通过调节电压来控制斯格明子的运动状态。
60.具体来讲，垂直方向为垂直于铁磁纳米管101轴线的方向，轴向防线为铁磁纳米管101的轴线方向。第一电流和第二电流的具体值可以根据实际需要进行设定，这里不做限定。
61.如图4中的(a)图所示，第一电流沿垂直方向注入写入磁性隧道结102后被极化为自旋极化电流，诱导写入磁性隧道结102下层的铁磁纳米管101形成稳定的斯格明子。本说明书实施例中的铁磁纳米管101能够提供体dmi或者界面dmi，可实现斯格明子在源极的稳定生成。由于斯格明子是一种受到拓扑保护的类粒子畴壁结构，其稳定性远远超过传统的磁畴壁，即使受到缺陷钉扎或者意外湮灭，只要通过上述步骤就可以重新生成斯格明子，理论上斯格明子的生成次数没有上限，因此斯格明子晶体管具有较强的抗损坏特性。
62.如图4中的(b)图所示，在斯格明子生成之后，关闭垂直方向的第一电流，通入轴向方向的第二电流，第二电流被极化为自旋极化电流，斯格明子在自旋计划电流的驱动下向栅极移动。如图5所示，斯格明子具有一个沿轴向的速度v
x
，同时受斯格明子霍尔效应的影响，斯格明子的运动方向会逐渐偏移电流驱动的方向，根据thiele方程，斯格明子还具备一个垂直于运动方向的速度分量v
θ
，因此，斯格明子会沿着铁磁纳米管101做螺旋轨迹的运动。
63.本说明书实施例中，由于铁磁纳米管101采用无边界的管状设计，斯格明子在运动过程中不会在边界堆积甚至湮灭，得益于边界限制的解除，斯格明子可以在较大第二电流的作用下高速运动。此时，斯格明子晶体管处于导通状态。
64.如图4中的(c)图所示，在第一电流关闭，通入第二电流以及在栅极施加控制电压时，铁电环104在电场作用下发生沿径向的应变，该应变可通过铁磁/铁电异质结进一步介导至铁磁纳米管101，在逆磁致伸缩效应(磁弹效应)的作用下，铁磁纳米管101的各向异性升高，从而导致栅极区存在一个压控的能量势垒。能量势垒e
gate
可由以下公式表示：
[0065][0066]
其中，k
gate
为栅极区域各向异性参数，即铁电环各项异性参数；m为磁化强度；为单位垂直方向相关的参数。
[0067]
当第二电流对应的轴向电流密度较低时，斯格明子被阻挡在能量势垒区之外，此时，斯格明子晶体管处于关闭状态。
[0068]
如图4中的(d)图所示，随着轴向电流密度的不断增大，斯格明子的速度增加到一定程度，斯格明子可以突破能量势垒区到达漏极，此时，斯格明子晶体管重新切换到导通状态。
[0069]
本说明书实施例中，读取磁性隧道结103可以根据隧穿磁阻效应(tunneling magnetoresistance effect，tmr)来判断斯格明子是否到达漏极。在具体实施过程中，可以读取隧道结的电阻，如果电阻未发生变化，则表明斯格明子未进入漏极，如果电阻发生变化，则表明斯格明子已进入漏极。
[0070]
因此，可以通过调节栅极区域各向异性参数以及第二电流所对应的轴向电流密
度，实现斯格明子晶体管的功能。需要说明的是，为了增大存储密度，本说明书实施例中，铁磁纳米管101的直径可以设置为数十纳米量级。
[0071]
如图6所示，为栅极区域各项异性参数k
gate
与轴向电流密度j
//
之间的关系示意图。k
gate
可以根据铁电环104与铁磁纳米管101之间的磁电耦合作用进行调控。如图6所示，ku为铁电纳米管各项异性参数，随着k
gate
/ku的比值由1逐渐增大到1.5，轴向电流密度j
//
不断增大，斯格明子的状态也在顺利通过到完全阻挡之间转变。
[0072]
在一个实施例中，对本说明书实施例提供的斯格明子晶体管进行仿真，其中，在k
gate
/ku＝1.2，j
//
＝8
×
10
10
a/cm2，此状态下斯格明子可以通过能量势垒。在k
gate
/ku＝1.2，j
//
＝7
×
10
10
a/cm2，此状态下斯格明子无法通过能量势垒。
[0073]
综上所述，本说明书实施例提供的斯格明子晶体管至少具有以下有益效果：
[0074]
(1)通过自旋极化电流诱导斯格明子的生成，并通过磁电耦合作用调控栅极区域的能量势垒，通过不同的轴向电流密度和能量势垒区的强度之间的关系达到斯格明子在通过能量势垒以及被能量势垒阻挡这两种状态下的切换，实现了晶体管功能。本方案提供的斯格明子晶体管结构简单，尺寸小，具有更低的功耗、更好的稳定性、以及高可重复性。
[0075]
(2)本方案提供的斯格明子晶体管采用铁电材料，通过应变调节铁磁/铁电异质结区域的各项异性，相比于直接利用vcma(voltage control magnetic anisotropy，电压控制磁各向异性)调控各向异性，本方案调控作用更加高效，且无需在铁电环和铁磁纳米管之间设置额外的介电层，因此具有更高的耐损坏性。
[0076]
(3)本方案提供的斯格明子采用了无边界的管状结构，无需考虑霍尔效应的影响，斯格明子可以在较大电流的驱动下实现高速移动，因此信息传导速度较平面薄膜结构类的晶体管更为快速。
[0077]
基于同一发明构思，本说明书实施例还提供一种斯格明子晶体管控制方法，应用于上述提供的斯格明子晶体管中，如图7所示，该方法包括以下步骤：
[0078]
步骤s701：向所述斯格明子晶体管的写入磁性隧道结注入垂直方向上的第一电流，以使所述铁磁纳米管在所述第一电流的诱导下形成斯格明子；
[0079]
步骤s702：关闭所述第一电流，并向所述斯格明子晶体管的铁磁纳米管通入轴向方向上的第二电流，以使所述斯格明子在所述第二电流的驱动下沿所述轴向方向运动；
[0080]
步骤s703：向所述斯格明子晶体管的铁电环施加控制电压，以调整所述斯格明子的运动状态。
[0081]
可选地，所述向所述斯格明子晶体管的铁电环施加控制电压，以调整所述斯格明子的运动状态，包括：
[0082]
调整所述控制电压，以在所述铁电环下方的铁磁纳米管中形成对应强度的能量势垒区；
[0083]
其中，所述斯格明子在所述第二电流的驱动下穿越所述能量势垒区到达所述斯格明子晶体管的读取磁性隧道结时，所述斯格明子晶体管导通；所述斯格明子在所述第二电流的驱动下被所述能量势垒区阻挡时，所述斯格明子晶体管关闭。
[0084]
关于上述斯格明子晶体管控制方法，已经在本说明书实施例提供的斯格明子晶体管的实施例中进行了详细描述，此处就不做详细阐述说明了。
[0085]
在以上的描述中，对于器件的各个结构的构图、形成等技术细节并没有做出详细
的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等，例如，对器件以及各层尺寸可以根据工艺进行微缩，形状可简单替换，写入磁性隧道结、读取磁性隧道结以及铁磁/铁电异质结所在位置可进行改变。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
[0086]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0087]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。