[發明專利]一種基于斯格明子的神經元突觸的存儲器件

在審

• 申請號: 202110252399.2
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN113161476A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 徐家偉;孟德全;趙陽;程沖;蘇玉榮;楊昌平;梁世恒
• 申請（專利權）人: 湖北大學
• 主分類號: H01L43/02
• 分類號: H01L43/02;H01L43/12;G06N3/063
• 代理公司: 武漢世躍專利代理事務所(普通合伙) 42273
• 代理人: 倪婭

本發明公開了一種基于斯格明子的神經元突觸的存儲器件，包括由下至上依次設置的襯底、重金屬層、絕緣勢壘層和電極層組成，為三明治結構。本發明有望實現神經元突觸中的多態神經遞質，為人工智能中的人工神經網絡領域里新型神經元突觸存儲器件開發提供物理基礎。

技術領域

本發明具體是一種基于斯格明子的神經元突觸的存儲器件及其實現方法，屬于人工智能之人工神經網絡技術領域。

背景技術

人工神經網絡是在研究人腦的奧秘中得到啟發，試圖用大量的處理單元(人工神經元、處理元件、電子元件等)模仿人腦神經系統工程結構和工作機理的一種算法。本發明是屬于人工神經元器件。

磁性斯格明子是具有拓撲保護性質的納米尺度渦旋磁結構。斯格明子主要存在于非中心對稱的手性磁性材料以及界面鏡面對稱性破缺的磁性薄膜材料中。因具有實空間的非平庸拓撲性，磁性斯格明子展現出豐富新奇的物理學特性，例如拓撲霍爾效應,新興電磁動力學等,為研究拓撲自旋電子學提供了新的平臺.

同時，隨著人工智能等發展需求，國內外學者對斯格明子給予了極大的關注。由于其出色的磁穩定性，超緊湊的尺寸以及納米軌道內極低成本的驅動力，因此磁性斯格明子有望作為自旋電子信息載體的下一代邏輯和存儲設備。而單個斯格明子有些類似單個神經遞質，因此根據不同的激發產生相似而略有差別的多個斯格明子可以達到和神經元中神經遞質傳遞信息相同的作用，這將對人工神經網絡的發展起到很大的奠基作用。

目前國際上已經公開過一些基于斯格明子的憶阻器等存儲器，但這些存儲器要么是以電阻為測量標準，要么是以電子的變化為測量標準，從而模擬神經元特性的。而本發明研究是根據磁矩的變化來模擬神經元內的突觸特性的，以斯格明子模擬神經元內的突觸遞質的。相比已有的斯格明子存儲器，本發明則更微觀化、細致化，在人工神經元上更為基礎。

發明內容

本發明旨在提供一種基于斯格明子的神經元突觸的存儲器件及其實現方法，以物理器件中的斯格明子實現人工神經元中多態的神經遞質。

本發明提供的一種基于斯格明子的神經元突觸的存儲器件，包括由下至上依次設置的襯底、重金屬層、絕緣勢壘層和電極層組成，為三明治結構；所述存儲器件的每一層的形狀均相同，該形狀為多個幾何圖形順序相連，幾何圖形依次為小正方形，長條形，梯形，大長條形，細條形，設有一個三角形缺口的大正方形，半圓形；小正方形連接長條形的一個短邊，兩者中心對齊，長條形另一個短邊連接梯形的上底邊，梯形的下底邊連接大長條形的一個短邊，大長條形的一個長邊還設有一個小的突出的方塊，大長條形的另一個長邊連接細條形的一端，細條形的另一端連接大正方形的三角形缺口最深處，所述大正方形的三角形為等腰直角三角形且直角過大正方形的中心點，大正方形上與三角形缺口相對的側邊連接半圓形的弧形中點。

優選地，所述襯底為Si襯底，通用的高純硅片即可。

可選地，所述重金屬層為具有較大自旋極化率的重金屬，選自鐵磁性單質Co、Pt、Ta中的一種?？梢詫⑺龅闹亟饘貱o/Pt/Ta材料通過磁控濺射鍍膜法沉積于襯底上。磁控濺射是指在真空中將涂層材料作為靶陰極，利用氬離子轟擊靶材，產生陰極濺射，把靶材原子濺射到工件上形成沉積層的一種鍍膜技術。本發明選用磁控濺射法是由于此方法制備的薄膜厚度易于控制、薄膜重復一致性好、薄膜與基片的結合能力強、制備材料范圍廣、純度高以及表面平整。其中，重金屬濺射靶材是Co/Pt/Ta靶，工作氣壓為3mTorr，濺射功率為30W，濺射時間為30min。

優選地，所述絕緣勢壘層為氧化鋁薄膜層。同樣的，本發明在重金屬層上鍍氧化鋁仍然是采用磁控濺射法，只是和渡重金屬時的操作略有差別。本發明鍍氧化鋁薄膜時以高純鋁靶為靶材，用氬離子轟擊鋁靶并通入氧氣，濺射出的鋁離子和電離得到的氧離子沉積到重金屬層上形成氧化鋁薄膜層，工作氣壓為2mTorr，濺射功率為100W，濺射時間為40min。