具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

针对上述问题，本发明提供了一种全电控自旋纳米振荡器神经元器件，可用于硬盘磁头辅助写入、高频的微波信号发生器、通信、脉冲发生器、无线通信、收发器、磁场探测、磁盘驱动器或神经形态计算等等。具体来说，该器件在全电场调控下，直流电流产生的自旋转移矩与形状各向异性、DM反对称交换作用相互竞争，驱动磁畴壁往复运动实现磁化分量周期性振荡；该器件具有两种振荡模式，可产生稳定、均匀微波信号以实现神经元的振荡特性。基于此本公开提出了二维和三维振荡网络的方案，有助于完成语音、图像识别等任务。同时基于该神经元器件的非线性短时记忆特性，本公开进一步提出了二维储备池计算和三维物理储备池的方案，适用于动态识别任务。该器件与现有的CMOS集成工艺兼容，利于大规模制备，有助于实现高密度神经形态计算的集成应用。

图1所示为该技术方案的全电控自旋纳米振荡器神经元器件及输出电路。其中，图1(a)所示为该技术方案的全电控自旋纳米振荡器神经元器件的结构示意图，该神经元器件包括：左电极、右电极、顶电极、重金属层、非磁性金属层、左反铁磁钉扎层、右反铁磁钉扎层和MTJ。

进一步的，MTJ包括由下至上的铁磁自由层、势垒隧穿层和铁磁参考层。

其中，铁磁参考层和铁磁自由层的材料包括下述一种或多种具有垂直磁各向异性的铁磁材料：CoFeB、Co/Pt、CoFeAl。其中，Co/Pt表示：Co和Pt多层材料，即：一层Co一层Pt。势垒隧穿层的材料包括下述材料之一：MgO、Al₂O₃。铁磁自由层具有形状各向异性结构；形状各向异性结构有多种，例如扇形，三角形，梯形等等，并可相互替换。铁磁参考层及势垒隧穿层的形状可为圆形、椭圆形、矩形等等，并可相互替换。

铁磁自由层的上表面两端分别设置左反铁磁钉扎层和右反铁磁钉扎层。具体来说，左反铁磁钉扎层和右反铁磁钉扎层可贴设在铁磁自由层的上表面两端。此外，还可通过增加铁磁自由层上表面两端的局部厚度等方式实现。左反铁磁钉扎层和右反铁磁钉扎层具有相反的磁化方向，使磁畴壁在两边界钉扎区域之间的范围内运动而不湮灭。左反铁磁钉扎层和右反铁磁钉扎层分别具有环形、扇形的形状。两者材料包括下述一种或多种反铁磁材料：PtMn、IrMn。

铁磁自由层周围沉积非磁性金属层，其材料包括下述非磁性金属之一：Cu、Ag、Au等等。非磁性金属层用于使注入铁磁自由层的电流密度均匀且相等；非磁性金属层的形状根据自身电阻率、铁磁自由层形状、铁磁自由层形状电阻率进行调整，以保证注入铁磁自由层的电流密度均匀且相等。

非磁性金属层上的两端分别贴设左电极和右电极，用于注入电流，具体的，电流从左电极流入右电极流出。铁磁参考层上贴设顶电极。左电极、右电极及顶电极包括下述材料之一：Ti/Au、Ti/Pt、Cr/Au、Ta/CuN。其中，Ti/Au代表是Ti和Au多层材料，即一层Ti一层Au。其他含有“/”符号的材料也表示多层材料，此处不再赘述。

铁磁自由层的下表面贴设有重金属层，用于和铁磁自由层在界面处产生DM反对称交换作用。重金属层的材料包括下述材料之一：Pt，Ta，W，Pt合金，Ta合金，W合金。

在全电场调控下，注入直流电流，直流电流产生的自旋转移矩与形状各向异性、DM反对称交换作用相互竞争，驱动磁畴壁往复运动实现磁化分量周期性振荡。另外，根据通入的直流电流密度不同，磁畴壁振荡位置不同，磁畴壁振荡展现出两种振荡模式：低直流电流密度时，线性负相关的超高频振荡频率；高直流电流密度时，线性正相关的极高频振荡频率。该振荡呈现出良好的非线性特性，当撤掉电流，振荡曲线呈非线性衰减，具有短时记忆特性。

在具体的实施过程中，左反铁磁钉扎层磁化方向沿-z方向，右反铁磁钉扎层磁化方向沿+z方向，使磁畴壁可以在两边界钉扎区域之间范围内运动而不湮灭；铁磁参考层磁化方向沿y方向。初始状态下，铁磁自由层中的磁畴壁在形状各向异性的作用下保持在右侧反铁磁钉扎层边界附近。当通入+x方向的直流电流，磁畴壁在STT的驱动下向-x方向运动，在DM反对称作用所诱导的非均匀磁性纹理的辅助下，磁畴壁始终处于不平衡状态，即DM反对称交换作用诱导了一个等效磁场，在STT与形状各项异性的作用及DM反对称交换作用的竞争下，磁畴壁进行左右往复运动，在运动的同时实现了磁化方向周期性振荡进动，利用隧穿磁电阻效应可以输出相应的微波信号。

基于同一发明构思，本发明实施例公开了一种全电控自旋纳米振荡器神经元器件的制备方法，该制备方法用于制备如上述实施例描述的全电控自旋纳米振荡器神经元器件。值得注意的是，该制备方法中的步骤的先后顺序可根据实际情况调整，该方法包括下述步骤：

制备MTJ；

通过在铁磁自由层的上表面两端分别沉积磁化方向相反的左反铁磁钉扎层和右反铁磁钉扎层，实现磁畴壁的注入与钉扎，使磁畴壁在两边界钉扎区域之间的范围内运动而不湮灭；

在铁磁自由层下方沉积重金属层，引入DM反对称作用，产生非均匀磁化纹理，避免磁畴壁处于平衡状态而静止；

在铁磁自由层周围沉积非磁性金属层，并调制非磁性金属层的形状，以调制流经铁磁自由层的电流密度为均匀；

在MTJ中的铁磁参考层上贴设顶电极，以及在上述非磁性金属层上的两端分别贴设左电极和右电极。

当制备得到该神经元器件后，向右电极施加直流电流，实现磁畴壁在自旋转移矩、形状各向异性与DM反对称交换等作用下相互竞争的振荡现象。而在施加不同的直流电流密度的情况下，结合MTJ及外部电路，可以输出不同的高频微波信号。

值得注意的是，上述对器件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，器件及其中各层尺寸可以根据工艺进行微缩。

图2所示为该技术方案的全电控自旋纳米振荡器神经元器件的振荡特性曲线及傅里叶频域分析。图2(a)为经过直流滤波后y方向归一化磁化分量的振荡曲线，本实施例在直流电流密度为5×10⁷A/cm²的情况下，表现出了均匀、稳定的振荡特性。图2(b)为图2(a)中振荡曲线的傅里叶频域分析，施加5×10⁷A/cm²的直流电流密度，可以得到3.04GHz的振荡信号。

图4所示为该技术方案的全电控自旋纳米振荡器神经元器件的阈值电流与DM反对称作用的变化关系，在STT的驱动下，DM反对称作用会引入不均匀的磁化纹理，导致角动量传递受阻，增加阈值电流密度，从图5也可以看出，DM反对称作用强度增加，阈值电流密度随之增加。

由于自旋纳米振荡器神经元器件可以实现在全电场情况下，使畴壁周期性的振荡，使自由层磁化方向在面内高速进动，结合MTJ及外部电路，可以产生出高频的微波信号，模拟出人脑神经元的振荡特性。故基于同一发明构思，本发明实施例公开了一种电路，用于输出稳定的微波信号，图1(b)所示为该技术方案的全电控自旋纳米振荡器神经元器件的读出电路。包括：上述实施例描述的全电控自旋纳米振荡器神经元器件和外围电路。在外围电路中，微波放大器和电容串联，直流电源和电感串联；电容电感共同接入神经元器件中的顶电极，直流电源和微波放大器共同接入神经元器件中的右电极，其中，该神经元器件结合三通(电容、电感)和微波放大器用于输出稳定的微波信号。进一步的，微波放大器连接示波器。

图3所示为该技术方案的全电控自旋纳米振荡器神经元器件的振荡频率变量调制曲线。其中，图3(a)所示为该自旋纳米振荡器振荡频率与饱和磁化强度的关系，随着饱和磁化强度的增加，振荡频率会随之减小；图3(b)所示为该自旋纳米振荡器振荡频率与垂直磁各向异性的关系，随着垂直磁各向异性的增加，振荡频率会随之增加；图3(c)所示为该自旋纳米振荡器振荡频率与交换强度的关系，随着交换强度的增加，振荡频率会随之增加；图3(d)所示为该自旋纳米振荡器振荡频率与阻尼系数的关系，随着阻尼系数的增加，振荡频率会随之增加；图3(e)所示为该自旋纳米振荡器振荡频率与圆心角的关系，随着圆心角的增加，振荡频率会随之减小。根据上述关系，可以调制合适的材料及器件参数，以获得适当的振荡频率。

可见，通过调制自由层的饱和磁化强度、垂直磁各向异性、交换强度、阻尼系数、DM反对称作用强度以及器件圆心角等参数可以实现具有不同振荡特性及阈值电流的自旋纳米振荡器。

基于同一发明构思，本发明实施例公开了一种自旋纳米振荡器，包括如上述实施例描述的全电控自旋纳米振荡器神经元器件；其中，通过调制神经元器件中的铁磁自由层的饱和磁化强度、垂直磁各向异性、交换强度、阻尼系数、DM反对称作用强度以及器件圆心角的一种或者多种参数，可以实现自旋纳米振荡器的振荡特性及阈值电流可调。

由于自旋纳米振荡器神经元器件的振荡特性可用来构建振荡网络，完成语音、图像识别等任务。故基于同一发明构思，本实施例公开了一种基于全电控自旋纳米振荡器神经元器件的二维振荡网络，其特征在于，包括：自旋纳米振荡器神经元二维阵列、微波条带和写入电路；

其中，自旋纳米振荡器神经元二维阵列包括：二维排布的多个上述实施例描述的全电控自旋纳米振荡器神经元器件；

写入电路用于为神经元器件注入电流；

微波条带中具有待处理信号编码得到的微波信号；

其中，微波条带施加在自旋纳米振荡器神经元二维阵列上，调节每个神经元注入的电流，使其注入锁定的相图与微波信号的频率匹配，实现对待处理信号的识别。

图5所示为该技术方案的全电控自旋纳米振荡器神经元器件的振荡网络结构示意图及原理图。图5(a)所示为基于电控自旋纳米振荡器神经元器件的二维振荡网络结构原理图，其中，f_A+f_B为将图像、语音等信号(待处理信号)编码为f_A和f_B两种频率的微波信号，其与自旋纳米振荡器神经元器件振荡频率接近，并通过条带施加在二维自旋纳米振荡器神经元阵列。根据注入锁定的原理，当施加的外部微波信号与自旋纳米振荡器的振荡频率足够接近时，二者耦合作用非常强，导致自旋纳米振荡器的振荡频率被限制与外部的微波信号频率相同。当阵列中自旋纳米振荡器分别通入不同的直流电流，会产生不同的振荡频率，并与不同的外部微波信号形成注入锁定，就会产生不同情况注入锁定的相图。将图像或与语音信号编码成的微波信号固定，训练并调整不同自旋纳米振荡器神经元通入的直流电流，使注入锁定的相图向指定信号偏移。最终，各个注入锁定区域分别对应特定的图像、语音信号，实现对图像、语音等信号的识别，即振荡网络的功能。

基于同一发明构思，本发明实施例公开了一种基于全电控自旋纳米振荡器神经元器件的三维振荡网络，其特征在于，包括：自旋纳米振荡器神经元三维阵列、微波条带、写入电路；

其中，自旋纳米振荡器神经元三维阵列包括：三维排布的多个上述实施例描述的全电控自旋纳米振荡器神经元器件；在三维阵列中，各神经元器件相互耦合；

写入电路用于为神经元器件注入电流；

微波条带中具有待处理信号编码得到的微波信号；

其中，微波条带施加在自旋纳米振荡器神经元三维阵列上，调节每个神经元注入的电流，使其注入锁定的相图与微波信号的频率匹配，实现对待处理信号的识别。

图5(b)所示为基于电控自旋纳米振荡器神经元器件的三维振荡网络结构原理图，其原理与二维振荡网络类似，故在此不再赘述，而随着实现的功能更复杂、分类的数量越多、振荡网络越庞大，构建三维的三维自旋纳米振荡器神经元阵列的意义更为显著，不仅可以降低面积开销，还可以使神经元之间构成良好的空间耦合，有望展现更出众的性能与准确性。值得注意的是，可以将图像、语音等待处理信号编码为三种乃至更多种频率的微波信号，以构建更复杂、多样的振荡网络。

由于自旋纳米振荡器神经元器件的非线性特性及器件间的相互耦合的特性，可以用来构建分时复用的储备池计算或物理储备池计算等任务。故基于同一发明构思，本发明实施例公开了一种基于全电控自旋纳米振荡器神经元器件的二维储备池计算结构，其特征在于，包括：输入层、自旋纳米振荡器神经元二维阵列构成的储备池、输出层；

其中，自旋纳米振荡器神经元二维阵列包括：二维排布的多个上述实施例描述的全电控自旋纳米振荡器神经元器件；

将待处理信号编码构成的脉冲序列注入自旋纳米振荡器神经元二维阵列构成的储备池中，产生具有时间动态特性的输出序列。

可选的，针对每个全电控自旋纳米振荡器神经元器件，该神经元器件连接检波电路。检波电路包括电容、电感、直流电源、二极管。

其中，直流电源的一端连接右电极，直流电源的另一端连接电感，而顶电极引出的连接线路和电感共同连接电容的一端，电容的另一端连接二极管。

图6所示为该技术方案的全电控自旋纳米振荡器神经元器件的储备池计算的结构示意图及原理图。图6(a)所示为基于自旋纳米振荡器神经元器件的二维储备池计算的结构原理图，将语音，或图像信号，或视频等信号采样、编码为幅值一定的脉冲序列，每个脉冲序列，自旋纳米振荡器神经元器件都会做出相应的响应，并通过三通(电容、电感)及二极管检波电路输出微波电压信号，之后，自旋纳米振荡器神经元器件会进入短时记忆阶段，当下一个脉冲到来时，就会包含一定的前置脉冲信号的特征，产生具有时间动态特性的输出序列。在训练阶段，我们根据期望输出，不断调整储备池中各神经元到输出层的线性权重，直到其可以产生准确的输出，从而使其可以针对特定的动态非线性预测任务，产生正确的输出。我们只需要简单的训练自旋纳米振荡器神经元到输出序列的线性映射的权重，即可获得良好的预测值。而对于一些动态问题，如语音处理任务，通过训练储备池到输出层的权重，使整个储备池最终可以直接输出处理后的信号。而不必将输入信号进行分解、复杂计算等等，这样可以减少运算带来的延时、功耗等问题。

基于同一发明构思，本发明实施例公开了一种基于全电控自旋纳米振荡器神经元器件的三维储备池计算结构，其特征在于，包括：输入层、自旋纳米振荡器神经元三维阵列构成的储备池、输出层；

其中，自旋纳米振荡器神经元三维阵列包括：三维排布的多个上述实施例描述的全电控自旋纳米振荡器神经元器件；在三维阵列中，各神经元器件相互耦合；

将待处理信号编码构成的脉冲序列注入自旋纳米振荡器神经元三维阵列构成的储备池中，产生具有时间动态特性的输出序列。

可选的，针对每个全电控自旋纳米振荡器神经元器件，该神经元器件连接检波电路。检波电路包括电容、电感、直流电源、二极管。

其中，直流电源的一端连接右电极，直流电源的另一端连接电感，而顶电极引出的连接线路和电感共同连接电容的一端，电容的另一端连接二极管。

图6(b)所示为基于自旋纳米振荡器神经元器件的三维物理储备池计算结构原理图，其基本原理与图6(a)类似，故不再赘述。在此基础上，将自旋纳米振荡器神经元器件构建成三维阵列，器件结构、位置及各种材料参数可以相对随机调制，使自旋纳米振荡器神经元之间通过杂散场进行物理层面的耦合，提升储备池的复杂度，有望展现更出众的性能与准确性。此外，在一定程度上，工艺波动对三维物理储备池计算结构是有利的，因此这降低了工艺的难度。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

(1).本发明公开了一种全电控自旋纳米振荡器神经元器件，包括：左电极、右电极、顶电极、重金属层、非磁性金属层、左反铁磁钉扎层、右反铁磁钉扎层和MTJ；MTJ包括由下至上的铁磁自由层、势垒隧穿层和铁磁参考层；在全电场调控下，直流电流产生的自旋转移矩与形状各向异性、DM反对称交换作用相互竞争，驱动磁畴壁往复运动实现磁化分量周期性振荡；该器件具有两种振荡模式，可产生稳定、均匀微波信号以实现神经元的振荡特性。可见，该器件可在全电场的情况下实现周期性振荡，无需依靠外部磁场。

(2).该自旋纳米振荡器神经元器件可以实现在全电场情况下，使畴壁周期性的振荡，使自由层磁化方向在面内高速进动，结合MTJ及外部电路，可以产生出高频的微波信号，模拟出人脑神经元的振荡特性；

(3).该自旋纳米振荡器神经元器件的振荡特性可用来构建振荡网络，完成语音、图像识别等任务；

(4).该自旋纳米振荡器神经元器件的非线性特性及器件间的相互耦合的特性，可以用来构建分时复用的储备池计算或物理储备池计算等任务。

(5).该自旋纳米振荡器神经元器件可用于硬盘磁头辅助写入、高频的微波信号发生器、通信等领域。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通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申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。