[發明專利]基于磁疇壁驅動型磁隧道結的激活函數發生器及制備方法

有效

• 申請號: 202110299800.8
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113193110B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 邢國忠;劉龍;王迪;林淮;王艷;許曉欣;劉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H10N50/10
• 分類號: H10N50/10;H10N50/01
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發明提供了一種基于磁疇壁驅動型磁隧道結的激活函數發生器，包括：自旋軌道耦合層，用于產生自旋軌道矩；鐵磁自由層，形成在所述自旋軌道耦合層上，用于提供磁疇壁運動軌道；非磁性勢壘層，形成在所述鐵磁自由層上；鐵磁參考層，形成在所述非磁性勢壘層上；頂電極，形成在所述鐵磁參考層上；反鐵磁釘扎層，形成在所述鐵磁自由層兩端上；左電極和右電極，分別形成在所述反鐵磁釘扎層上的兩個位置處。本發明還提供了一種如上所述的激活函數發生器的制備方法。

技術領域

本發明涉及人工智能領域中的人工神經網絡技術領域，尤其涉及一種基于磁疇壁驅動型磁隧道結的激活函數發生器及制備方法。

背景技術

隨著大數據時代的到來，人工智能、類腦計算等相關領域受到研究者們廣泛關注。雖然人類對于自身大腦的認知仍十分有限，但目前研究者們已經明確人腦的核心要素是神經元和突觸：神經元受到輸入刺激釋放相應的輸出信號，而突觸則根據神經元信號調節神經元間互聯強度。人工神經網絡(ANN)的核心就是模仿人腦的突觸和神經元的激活函數功能，其在模式識別領域有著突出優勢。

2014年，IBM制造了CMOS神經突觸和CMOS神經元。然而普通硅晶體管一般只能實現揮發性的二值切換，并不是仿生神經元和突觸的優選。基于CMOS電路，馮諾依曼架構的硬件神經網絡處理復雜問題時甚至需要數百層，每層又包括大量的互連，因此在功耗、電路復雜度等方面都難以有效推廣應用。現有技術主要利用磁疇運動產生的磁隧道結(MTJ)磁阻線性變化來仿真突觸功能，鮮少有用于實現神經元非線性激活函數功能的報導。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于磁疇壁驅動型磁隧道結的激活函數發生器及制備方法，以期部分地解決上述技術問題中的至少之一。

為了實現上述目的，作為本發明的一方面，提供了一種基于磁疇壁驅動型磁隧道結的激活函數發生器，包括：

自旋軌道耦合層，用于產生自旋軌道矩；

鐵磁自由層，形成在所述自旋軌道耦合層上，用于提供磁疇壁運動軌道；

非磁性勢壘層，形成在所述鐵磁自由層上；

鐵磁參考層，形成在所述非磁性勢壘層上；

頂電極，形成在所述鐵磁參考層上；

反鐵磁釘扎層，形成在所述鐵磁自由層兩端上；

左電極和右電極，分別形成在所述反鐵磁釘扎層上的兩個位置處。

其中，所述自旋軌道耦合層材料為W、Pt、Pd、Ta中的一種、多種或相關合金；所述鐵磁自由層和鐵磁參考層為具有垂直各向異性的CoFeB、CoFe、Co/Pt、Ni/Co材料的一種或多種；所述鐵磁參考層選擇合成反鐵磁層或亞鐵磁層，以消除參考層雜散場對磁疇壁運動的影響；所述非磁性勢壘層為MgO、HfOx、AlOx中的一種或多種。

其中，所述鐵磁自由層兩端通過反鐵磁耦合將磁矩方向分別被釘扎在+z和-z方向，作為磁疇壁成核區；脈沖電流作用下磁疇壁在釘扎區域成核，并在自由層中運動；磁隧道結器件的磁電阻變化與磁疇壁在自由層中運動距離線性相關。

其中，在制造過程中通過氧氣在自由層界面的化學吸附定量調控對應區域自由層與自旋軌道耦合層界面的DMI強度。

其中，所述激活函數發生器通過改變釘扎區的間距來實現不同的激活函數功能。

其中，通過重金屬自旋軌道耦合層表面或界面對氣體的吸附，增強自旋軌道耦合層有效自旋混合電導和自旋透明度。

其中，將非均勻分布的釘扎區組合替換為均勻分布的釘扎區組合，以實現突觸器件功能。

作為本發明的另一方面，提供了一種如上所述的激活函數發生器的制備方法，包括以下步驟：