[发明专利]一种基于自旋轨道矩的神经元器件

说明书

本公开提供了一种基于自旋轨道矩的神经元器件，包括：依次形成在基底上的反铁磁钉扎层、第一铁磁层及自旋轨道耦合层；形成在自旋轨道耦合层上并根据自旋轨道矩使磁畴壁移动的自由层；形成在自由层上的隧穿层；形成在自由层两侧并具有相反磁化方向的左钉扎层与右钉扎层；形成在隧穿层上的参考层；其中，自由层、隧穿层及参考层构成磁性隧道结，该磁性隧道结用于读取神经元信号。本公开还提供了一种基于自旋轨道矩的神经元器件的制备方法。

技术领域

本公开涉及类脑计算技术领域，具体涉及一种基于自旋轨道矩的神经元器件。

背景技术

受脑启发的神经形态计算是“后摩尔”时代解决冯·诺依曼体系结构中存储器问题以及应对摩尔定律终结的一种有潜力的发展方向之一。神经形态计算有望在进一步提升芯片算力的同时，显著降低芯片的功耗。

而在发展神经形态计算的过程中，首先需要研究具有一定生物特性的神经形态器件(突触、神经元等)。近些年，研究人员发现新型存储器(磁性存储器、阻变存储器、相变存储器、铁电存储器等)及一些新原理器件(离子晶体管等)等可以比传统高功耗、大面积开销的CMOS神经元电路更好的、更丰富的模拟出人脑突触和神经元的一些特性。其中，磁性存储器的高速、高耐久性、低功耗使其在神经形态计算领域具有很大的竞争力。

然而，目前基于自旋电子器件的神经形态器件的研究较多停留在对于突触器件的研究，对于神经元器件的研究相对较少。并且仅存的一些神经元器件都是基于自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的方式来模拟神经元的积累特性，但自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的速度相较与自旋轨道矩驱动的方式较慢。而神经元的泄露特性是通过形状各向异性、偏置场、各向异性梯度的方式来实现。

因此，为了适用于高速、复杂的神经网络需要探究自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的神经元器件以及通过更多的机制来模拟出神经元的泄露特性。

发明内容

为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了基于自旋轨道矩的神经元器件，旨在解决基于磁性隧道结实现模拟生物神经元的积累、泄露及放电的特性，并且，通过在自由层两侧沉积局部磁化方向相反的反铁磁体或较厚的局部自由层，实现畴壁的钉扎。

本公开的第一个方面提供了一种基于自旋轨道矩的神经元器件，包括：依次形成在基底上的反铁磁钉扎层、第一铁磁层及自旋轨道耦合层；其中，自旋轨道耦合层由Ta、W、Mo中的一种或多种材料构成；形成在自旋轨道耦合层上并根据自旋轨道矩使磁畴壁移动的自由层；形成在自由层上的隧穿层；形成在自由层两侧并具有相反磁化方向的左钉扎层与右钉扎层；形成在隧穿层上的参考层；其中，自由层、隧穿层及参考层构成磁性隧道结，该磁性隧道结用于读取神经元信号。

进一步地，自旋轨道耦合层由Ta、W、Mo中的一种或多种材料构成。

进一步地，自由层具有垂直磁各向异性，其由CoFeB、Co/Pt、CoFeAl、Co/Pd及CoFe中的一种或多种材料构成；第一铁磁层具有面内磁各向异性，其由CoFeB、NiFe及Co中的一种或多种材料构成；反铁磁钉扎层具有垂直交换作用，其由IrMn、FeMn、NiMn、CoMn、PtMn、Mn₂Au、NiO及MnO中的一种或多种材料构成。

进一步地，自由层具有垂直磁各向异性，其由CoFeB、Co/Pt、CoFeAl、Co/Pd及CoFe中的一种或多种材料构成；第一铁磁层具有倾斜磁各向异性，其由CoFeB、NiFe、Co、CoFeAl、CoFe中的一种或多种材料构成；反铁磁钉扎层具有倾斜交换作用，其由IrMn、FeMn、NiMn、CoMn、PtMn、Mn₂Au、NiO及MnO中的一种或多种材料构成。