基于斯格明子的自旋忆阻突触器件
阅读说明：本技术 基于斯格明子的自旋忆阻突触器件 (Spin memristor synapse device based on sigermin ) 是由 曾中明 李荣鑫 张宝顺 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于斯格明子的自旋忆阻突触器件,其包括：两端口存在自旋霍尔角的重金属层；位于重金属层上的磁性自由层,所述磁性自由层被划分为隧道结区和斯格明子存储区域,所述隧道结区和所述斯格明子存储区之间设置有阻碍斯格明子自由移动的阻隔件；依次设置于隧道结区上的绝缘势垒层、磁性钉扎层和金属顶电极；其中,所述金属顶电极被配置为连接初始化电流以在所述隧道结区产生斯格明子,所述重金属层被配置为连接写入电流以驱动斯格明子在所述隧道结区和所述斯格明子存储区之间移动,所述金属顶电极还被配置为连接读出电流以读取所述隧道结区的电导。本发明提供的自旋忆阻突触器件具有读写能耗低、稳定性高、电导态数目相对多的优点。(The invention discloses a spinmemristor synapse device based on a siganus, which comprises: two ports of the heavy metal layer have spinning Hall angles; the magnetic free layer is positioned on the heavy metal layer and is divided into a tunnel junction area and a skullam storage area, and a barrier piece for blocking the free movement of skullam is arranged between the tunnel junction area and the skullam storage area; the insulating barrier layer, the magnetic pinning layer and the metal top electrode are sequentially arranged on the tunnel junction region; wherein the metal top electrode is configured to connect an initialization current to generate a sggmen in the tunneling junction region, the heavy metal layer is configured to connect a write current to drive the sggmen to move between the tunneling junction region and the sggmen storage region, and the metal top electrode is further configured to connect a readout current to read a conductance of the tunneling junction region. The spin memristor synapse device provided by the invention has the advantages of low read-write energy consumption, high stability and relatively large number of electric conduction states.)
技术领域
本发明属于磁性元件
技术领域
，具体涉及一种利用拓扑保护的基于斯格明子的自旋忆阻突触器件。背景技术
忆阻器是在电阻、电容和电感之后的第四种电路基本元件，近年来其非易失性、优秀的读取写入能耗比和写入速率吸引了许多研究。同时，传统的冯诺依曼架构计算机的低能耗效率运存分离体系已经愈来愈不能满足人们对高性能计算的需求，类脑神经形态计算被视为传统冯诺依曼架构最有潜力的竞争对手而得到了快速的发展。
类脑神经形态计算通过人工神经网络的构建来实现识别等高性能计算，人工神经网络包含人工神经元与人工突触两类器件，神经元有着非线性响应的特性，而突触具有储存权重的功能，是实现存算一体高能效计算的最关键器件。忆阻器是突触器件的最有利实现方式，忆阻器的非易失性可变电导可以作为可变突触权重，低的写入读取功耗又使其十分利于大集成度的网络构建。因此，忆阻器作为神经网络突触在近年来吸引了一大批研究。
自旋电子学器件具有本征可变的电阻，其不同电导态在稳定性、写入读取功耗方面具有独特的优势。但传统的自旋电子学器件，例如磁性隧道结，往往只有两种电导态而不适合作为多态突触。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，为了在自旋电子学器件中实现稳定的多态电导，即多态的突触权重，本发明旨在提供一种读写能耗低、稳定性高、电导态数目相对多的基于斯格明子的自旋忆阻突触器件。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于斯格明子的自旋忆阻突触器件，其包括：
两端口存在自旋霍尔角的重金属层；
位于所述重金属层上的磁性自由层；所述磁性自由层被划分为隧道结区和斯格明子存储区域，所述隧道结区和所述斯格明子存储区之间设置有阻碍斯格明子自由移动的阻隔件；
依次设置于所述隧道结区上的绝缘势垒层、磁性钉扎层和金属顶电极；
其中，所述金属顶电极被配置为连接初始化电流以在所述隧道结区产生斯格明子，所述重金属层被配置为连接写入电流以驱动斯格明子在所述隧道结区和所述斯格明子存储区之间移动，所述金属顶电极还被配置为连接读出电流以读取所述隧道结区的电导。
优选地，所述阻隔件为位于所述磁性自由层上的高垂直磁各向异性势垒层，所述高垂直磁各向异性势垒层在所述磁性自由层的宽度方向上的长度未完全覆盖所述磁性自由层。
具体地，所述高垂直磁各向异性势垒层的材料为CoFeB/MgO、Fe/MgO、[Co/Pt]、FeB/MgO或Co。
更具体地，所述高垂直磁各向异性势垒层的厚度为1nm～100nm。
优选地，所述阻隔件为设置于所述磁性自由层中的纳米线，所述纳米线的一端连接所述隧道结区，另一端连接所述斯格明子存储区。
具体地，所述纳米线的线宽设置为在其边界作用下只能允许单个斯格明子通过。
更具体地，所述纳米线的线宽为20nm～10μm。
其中，所述重金属层的材料为Pt或Ta；所述磁性自由层的材料为CoFeB、Fe、[Co/Pt]、FeB或Co；所述绝缘势垒层的材料为MgO、TiO2、Al2O3或MgAlO；所述磁性钉扎层包括由下至上依次设置的第一磁性层、反铁磁耦合间隔层和第二磁性层，所述第一磁性层和第二磁性层的材料分别选自Co、Fe、[Co/Pt]、CoFeB、CoFe、FeB或NiFe，所述反铁磁耦合间隔层的材料为Ru或W；所述金属顶电极的材料为Pt、Ta、Cr、Au或Ti。
其中，所述重金属层的厚度为2nm～10nm，所述磁性自由层的厚度为0.5nm～3nm，所述绝缘势垒层的厚度为0.5nm～3nm，所述磁性钉扎层的厚度为2nm～10nm，所述金属顶电极的厚度为10nm～100nm。
其中，所述重金属层与所述磁性自由层等宽，所述重金属层在长度方向上从所述磁性自由层的两端延伸出。
本发明实施例提供的基于斯格明子的自旋忆阻突触器件，利用STT(SpinTransfer Torque，自旋转移矩)电流(即初始化电流)隧道结区产生斯格明子，利用SOT(Spin Orbit Torque，自旋轨道矩)电流(即写入电流)使得斯格明子在隧道结区和存储区之间迁移，从而改变隧道结区的电导完成突触权重的更新，获得了电导态数目相对多的突触器件。其中，斯格明子的产生和电导态的读取为同一路经、SOT电流驱动斯格明子运动对电流大小的要求比驱动畴壁运动低了多个量级且初始化电流只需一次，可以大大降低突触器件权重更新和读取的能耗，其电导态也大幅增加。此外，因为斯格明子的稳定性和非易失特征，本发明提供的突触器件的稳定性极佳。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的自旋忆阻突触器件的结构示意图；
图2是如图1的自旋忆阻突触器件的俯视图；
图3是如图2的器件中沿A-A线的剖面示意图；
图4是本发明实施例2提供的自旋忆阻突触器件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
本实施例提供了一种基于斯格明子的自旋忆阻突触器件，参阅图1至图3，所述自旋忆阻突触器件包括：两端口存在自旋霍尔角的重金属层10；位于所述重金属层10上的磁性自由层20，所述磁性自由层20被划分为隧道结区20a和斯格明子存储区域20b；依次设置于所述隧道结区20a上的绝缘势垒层30、磁性钉扎层40和金属顶电极50。
其中，所述隧道结区20a和所述斯格明子存储区20b之间设置有阻碍斯格明子自由移动的阻隔件60。本实施例中，如图1至图3中所示，所述阻隔件60为位于所述磁性自由层20上的高垂直磁各向异性势垒层，所述高垂直磁各向异性势垒层在所述磁性自由层20的宽度方向(如图2中的Y方向)上的长度未完全覆盖所述磁性自由层20。
其中，所述磁性钉扎层40为垂直钉扎，所述高垂直磁各向异性势垒层和磁性自由层均为垂直易轴。磁性自由层20需要能使斯格明子稳定的能量环境，高垂直磁各向异性势垒层60的垂直各向异性能要明显高于磁性自由层20以达到阻碍斯格明子运动的功能。
其中，所述重金属层10与所述磁性自由层20等宽，所述重金属层10在长度方向(如图2中的X方向)上从所述磁性自由层20的两端延伸出，以形成电极从而更加方便地接入电流。
其中，所述重金属层10的材料可以选择为Pt或Ta；所述磁性自由层20的材料可以选择为CoFeB、Fe、[Co/Pt]、FeB或Co；所述绝缘势垒层30的材料可以选择为MgO、TiO2、Al2O3或MgAlO；所述磁性钉扎层40包括由下至上依次设置的第一磁性层、反铁磁耦合间隔层和第二磁性层，所述第一磁性层和第二磁性层的材料分别可以选择为Co、Fe、[Co/Pt]、CoFeB、CoFe、FeB或NiFe，所述反铁磁耦合间隔层的材料可以选择为Ru、W等；所述金属顶电极50的材料可以选择为Pt、Ta、Cr、Au或Ti。所述高垂直磁各向异性势垒层60的材料可以选择为CoFeB/MgO、Fe/MgO、[Co/Pt]、FeB/MgO或Co。
其中，所述重金属层10的厚度可以设置为2nm～10nm，所述磁性自由层20的厚度可以设置为0.5nm～3nm，所述绝缘势垒层30的厚度可以设置为0.5nm～3nm，所述磁性钉扎层40的厚度可以设置为2nm～10nm，所述金属顶电极50的厚度可以设置为10nm～100nm。所述高垂直磁各向异性势垒层60的厚度可以设置为1nm～100nm。
其中，所述金属顶电极50被配置为连接初始化电流Iint以在所述隧道结区20a产生斯格明子70，所述重金属层10被配置为连接写入电流Iwrite以驱动斯格明子70在所述隧道结区20a和所述斯格明子存储区20b之间移动，所述金属顶电极50还被配置为连接读出电流Iread以读取所述隧道结区20a的电导。其中，斯格明子的产生和电导态的读取为同一路经。
结合图1至图3，初始化电流Iint从结区注入磁性自由层20，由STT效应产生的自旋流会在特定磁矩的磁性自由层结区20a中产生斯格明子。其中，斯格明子的饱和数目与斯格明子大小、斯格明子之间的斥力、初始化电流Iint的大小有关，磁性自由层20的磁能量环境起决定性作用且自由层的面积越大，饱和数目越多。其中，初始化完成后Iint不再通入。
在初始化电流Iint于隧道结区20a产生足够数目的斯格明子后，由写入电流脉冲Iwrite来驱动斯格明子越过或者绕过高垂直磁各向异性势垒层60产生的势垒迁移到斯格明子存储区20b。因为势垒的存在和斯格明子相互之间的斥力，写入电流脉冲Iwrite的幅值和脉冲时间会影响斯格明子越过势垒区的数目，从而在隧道结区20a留下不同数目的斯格明子。同理，反方向的Iwrite能驱动斯格明子从斯格明子存储区20b迁移至隧道结区20a。
Iwrite的方向与斯格明子的运动方向由斯格明子的微磁结构和重金属层10的自旋霍尔角决定。例如，对于相同磁结构的斯格明子，在Pt和Ta重金属层中通入同样的电流，两种情况的斯格明子运动方向相反。
留在隧道结区20a的斯格明子的数目决定了结区的电导，不同数目的斯格明子会有不同电导可由Iread读出，由此实现了可由突触写入电流Iwrite控制的可变突触权重。
以下将结合斯格明子的运动规律及隧道结电导的原理对本发明实施例作进一步的说明。
对于单个斯格明子来说，其磁结构在SOT产生的自旋流作用下的运动情况可通过LLG方程求得：
其中，m为约化磁矩，γ是旋磁比，Heff为总有效场，α为磁性自由层20阻尼系数，Ms为饱和磁矩，μB为波尔磁子，θSH和tf分别为重金属层10自旋霍尔角和磁性自由层20厚度，je为SOT电流。通过对材料体系的计算得到SOT效应会使斯格明子沿着或逆着SOT电流方向运动，且驱动斯格明子运动的阈值电流密度在106A/m2量级，比驱动畴壁的1010A/m2量级低得多。斯格明子的运动速率会在10～100m/s之间，自旋霍尔角会决定其方向。故利用斯格明子作为电导态的基础的能耗要比利用畴壁的情况低得多，因此，基于斯格明子忆阻器突出器件的电导改变(即突触权重的更新)消耗的能量会比传统忆阻器低得多。
假定初始化之前的磁性自由层20与磁性钉扎层40完全反平行，其电导率G1，斯格明子内部磁矩与磁性钉扎层40平行，斯格明子的面积S，结区内斯格明子数目n，结区面积S0，磁性自由层20与磁性钉扎层40完全平行时电导为G2(G2＞G1)。并且，在斯格明子壁的面积较小情况下，隧道结区20a总电导视为面积为nS的磁矩平行区域与面积S0-nS的磁矩反平行区域并联。则，隧道结区20a总电导根据以下公式计算：
从以上公式可以获知，隧道结区20a总电导可由斯格明子数目控制，因此，通过选用合适的Iwrite幅值和宽度控制斯格明子数目，进而控制电导即更新自旋忆阻突触器件的突触权重，由此获得电导态数目相对更多的突触器件。
实施例2
本实施例提供了另一种基于斯格明子的自旋忆阻突触器件，与实施例1相比，本实施例中的位于隧道结区20a和斯格明子存储区20b之间阻隔件60与实施例1中的不同，其余部件均相同，因此相同的部分在本实施例中不再赘述。
参阅图4，本实施例中，位于隧道结区20a和斯格明子存储区20b之间阻隔件60为设置于磁性自由层20中的纳米线60，所述纳米线60的一端连接所述隧道结区20a，另一端连接所述斯格明子存储区20b。其中，在制备完成磁性自由层20之后，例如是通过图案化刻蚀工艺在磁性自由层20中制备形成纳米线60。
所述纳米线60的线宽需要根据产生的斯格明子70的大小而定，其边界作用只能允许单斯格明子通过，斯格明子会排列着在纳米线70中移动。同时，因为斯格明子之间斥力的存在，斯格明子进入纳米线是受阻的。优选的方案中，所述纳米线的线宽可以设置为20nm～10μm。
与实施例1同理，由写入电流脉冲Iwrite来驱动斯格明子通过纳米线70在隧道结区20a和斯格明子存储区20b之间迁移，从而在隧道结区20a留下不同数目的斯格明子。留在隧道结区20a的斯格明子的数目决定了结区的电导，不同数目的斯格明子会有不同电导可由Iread读出，由此实现了可由突触写入电流Iwrite控制的可变突触权重。
本发明以上实施例提供的两种基于斯格明子的自旋忆阻突触器件，均为区分了隧道结区域和斯格明子存储区域，利用STT电流完成斯格明子的产生，利用SOT电流完成斯格明子的迁移即突触权重的更新，获得了电导态数目相对多的突触器件。其中，斯格明子的产生和电导态的读取为同一路经、SOT电流驱动斯格明子运动对电流大小的要求比驱动畴壁运动低了多个量级且初始化电流只需一次，可以大大降低突触器件权重更新和读取的能耗，其电导态也大幅增加。本发明实施例的自旋忆阻器突触器件具有非易失性和高稳定性，还具有极低的写入读取能耗、电导态数目多、易于控制的特点，其作为神经网络突触器件有很大优势。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。