[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

本公開提供一種基于離子門調控的可重構神經元器件及其制備方法，涉及人工神經元存儲器件技術領域。該器件包括：由下至上依次層疊的合成反鐵磁層、金屬氧化物層、離子液體層和頂電極層，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，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；其中，金屬氧化物層、離子液體層和頂電極層構成離子門，離子液體層包括正離子和負離子，當頂電極層施加輸入電壓時，金屬氧化物層中的氧離子隨著離子液體層中的正離子和負離子的分布而移動，以調整合成反鐵磁層頂部界面的電荷積累，從而通過RKKY作用調控合成反鐵磁層底部的磁疇壁的泄露運動速度。

技術領域

本公開涉及人工神經元存儲器件技術領域，具體涉及一種基于離子門調控的可重構神經元器件及其制備方法。

背景技術

隨著社會發展和技術進步，存儲裝置的讀寫速度以及功耗大小日益受到人們的重視。存儲器需要有較高的讀寫速度和較低的操作電壓，為滿足此種要求，磁存儲器由于其非易失性、反應速度較快的特點，被認為是下一代新型存儲器的理想選擇。

但是，當前基于磁存儲結構模擬生物特性的神經元器件都存在著無法模擬神經元泄露特性，無法調控泄露特性，且不易于集成的問題；而基于傳統電路實現的神經元器件，也存在著器件占用面積大，能耗高的缺點。故而，當前基于磁存儲器的神經元特性進行設計的存儲器，都存在著各種各樣的缺陷。

為了進一步提高神經元器件集成度，減小神經元器件能耗，更好的模擬、調控神經元的泄露特性，研發一種電路設計的復雜度低，泄露特性可控的人工神經元存儲器件勢在必行。然而，現有的人工神經元存儲器件主要存在以下缺陷：(1)無法模擬出神經元的不斷積累后輸出尖峰信號的特性；(2)無法實現神經元的泄露特性；(3)不易于器件對現有CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)工藝的集成：(4)泄露占用面積大，能耗高；(5)雜散場抑制范圍有限，無法實現對神經元器件的全局抑制。

發明內容

鑒于上述問題，本公開提供了一種基于離子門調控的可重構神經元器件及其制備方法。

本公開的第一個方面提供了一種基于離子門調控的可重構神經元器件，包括：由下至上依次層疊的合成反鐵磁層、金屬氧化物層、離子液體層和頂電極層，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，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；其中，金屬氧化物層、離子液體層和頂電極層構成離子門，離子液體層包括正離子和負離子，當頂電極層施加輸入電壓時，金屬氧化物層中的氧離子隨著離子液體層中的正離子和負離子的分布而移動，以調整合成反鐵磁層頂部界面的電荷積累，從而通過RKKY作用調控合成反鐵磁層底部的磁疇壁的泄露運動速度。

進一步地，頂電極層為透明導電材料，透明導電材料包括摻錫氧化銦；離子液體層中的正離子和負離子分別為EMI+離子和TFSI-離子；金屬氧化物層的材料包括HfZrO。

進一步地，合成反鐵磁層包括由上至下依次層疊的第一鐵磁層、耦合層和鐵磁自由層；其中，第一鐵磁層連接金屬氧化物層，第一鐵磁層和鐵磁自由層通過耦合層的RKKY作用構成反鐵磁耦合。

進一步地，第一鐵磁層和鐵磁自由層具有垂直磁各向異性，其材料各自包括Co/Pt或者CeFeB；耦合層的材料包括Ru或Ta中的至少一種。

進一步地，磁性隧道結包括由上至下依次層疊的勢壘層、鐵磁參考層和底電極層，其中，勢壘層與鐵磁自由層連接。

進一步地，勢壘層的材料包括Al₂O₃或MgO；鐵磁參考層具有垂直磁各向異性，其材料包括Co/Pt或CeFeB；底電極層的材料包括Cu或Au。