[發明專利]基于離子門調控的可重構神經元器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202210205501.8
• 申請日: 2022-03-03
• 公開（公告）號: CN114649468A
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 趙雪峰;邢國忠;王迪;王紫崴;劉龍;林淮;張昊
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L43/00
• 分類號: H01L43/00;H01L43/08;H01L43/12;G06N3/063
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周天宇

1.一種基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，包括：

由下至上依次層疊的合成反鐵磁層、金屬氧化物層(103)、離子液體層(102)和頂電極層(101)，所述合成反鐵磁層的底端相對的兩個邊緣上設置有磁化方向相反的左邊界反鐵磁層和右邊界反鐵磁層，所述合成反鐵磁層的底端中部還設置用于輸出尖峰信號的磁性隧道結(109)；

其中，所述金屬氧化物層(103)、離子液體層(102)和頂電極層(101)構成離子門，所述離子液體層(102)包括正離子和負離子，當所述頂電極層(101)施加輸入電壓(Vg)時，所述金屬氧化物層(103)中的氧離子隨著所述離子液體層(102)中的正離子和負離子的分布而移動，以調整所述合成反鐵磁層頂部界面的電荷積累，從而通過RKKY作用調控所述合成反鐵磁層底部的磁疇壁的泄露運動速度。

2.根據權利要求1所述的基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，

所述頂電極層(101)為透明導電材料，所述透明導電材料包括摻錫氧化銦；

所述離子液體層(102)中的正離子和負離子分別為EMI+離子和TFSI-離子；

所述金屬氧化物層(103)的材料包括HfZrO。

3.根據權利要求1所述的基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，所述合成反鐵磁層包括由上至下依次層疊的第一鐵磁層(104)、耦合層(105)和鐵磁自由層(106)；

其中，所述第一鐵磁層(104)連接所述金屬氧化物層(103)，所述第一鐵磁層(104)和鐵磁自由層(106)通過所述耦合層(105)的RKKY作用構成反鐵磁耦合。

4.根據權利要求3所述的基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，所述第一鐵磁層(104)和鐵磁自由層(106)具有垂直磁各向異性，其材料各自包括Co/Pt或者CeFeB；

所述耦合層(105)的材料包括Ru或Ta中的至少一種。

5.根據權利要求3所述的基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，所述磁性隧道結(109)包括由上至下依次層疊的勢壘層(BL)、鐵磁參考層(RL)和底電極層(BE)，其中，所述勢壘層(BL)與鐵磁自由層(106)連接。

6.根據權利要求5所述的基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，所述勢壘層(BL)的材料包括Al₂O₃或MgO；

所述鐵磁參考層(RL)具有垂直磁各向異性，其材料包括Co/Pt或CeFeB；

所述底電極層(BE)的材料包括Cu或Au。

7.根據權利要求5所述的基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，所述左邊界反鐵磁層包括依次層疊的左釘扎層(110)和左電極層(111)，所述右邊界反鐵磁層包括依次層疊的右釘扎層(107)和右電極層(108)，其中：

所述左釘扎層(110)和右釘扎層(107)各自具有反鐵磁性且連接所述鐵磁自由層(106)，所述左釘扎層(110)與右釘扎層(107)的磁化方向相反。

8.根據權利要求7所述的基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，所述左釘扎層(110)和右釘扎層(107)的材料各自包括IrMn，所述左電極層(111)和右電極層(108)的材料各自包括Cu或Au。

9.根據權利要求7所述的基于離子門調控的可重構神經元器件，其特征在于，所述鐵磁參考層(RL)與第一鐵磁層(104)的磁化方向均為Z軸負向；

所述左釘扎層(110)和右釘扎層(107)的磁化方向分別為Z軸正向和Z軸負向。

10.一種基于離子門調控的可重構神經元器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

在鐵磁自由層的底端相對的兩個邊緣生長磁化方向相反的左邊界反鐵磁層和右邊界反鐵磁層，在所述左邊界反鐵磁層和右邊界反鐵磁層的底部生長電極層；

在鐵磁自由層的底端中部生長磁性隧道結(109)；

在鐵磁自由層上依次生長耦合層和第一鐵磁層，使第一鐵磁層、耦合層和鐵磁自由層構成合成反鐵磁層；

在所述合成反鐵磁層上依次生長金屬氧化物層、離子液體層和頂電極層，其中，所述金屬氧化物層、離子液體層和頂電極層構成離子門，所述磁性隧道結(109)用于輸出尖峰信號。