一種基于磁性隧道結的人工神經元器件及應用的制作方法

1.本技術屬于人工神經元器件技術領域，具體涉及一種基于磁性隧道結的人工神經元器件及應用。


背景技術：

2.當前，射頻(rf)信號被廣泛應用于無線通訊等領域，改變了人類的工作和生活方式。而伴隨著以物聯網為代表的新一輪產業革命，射頻應用范圍更進一步擴展，對其準確、快速分析的需求也越來越強烈。近年來，人工神經網絡在射頻相關的應用領域展現出優勢，例如醫學、指紋識別、手指感應、雷達應用以及飛行器檢測和識別等。并且，當人工神經網絡在實際環境中應用時，其性能往往優于那些依賴復雜分析工具的傳統算法。
3.然而，目前使用人工神經網絡對于射頻信號進行處理時，首先需要對天線感應的信號進行數字化，然后在基于cmos的硬件(如中央處理器cpu、圖形處理器gpu、現場可編程陣列fpga或專用集成電路asic等)上進行處理運行。該過程的兩個階段都需要大量的計算，因而導致較高的延遲和較大的能耗，限制了射頻技術的進一步應用和發展。


技術實現要素：

4.本技術的目的在于提供一種基于磁性隧道結的人工神經元器件及應用，以解決現現有技術中的人工神經網絡具有較高的延遲和較大的能耗，限制了射頻技術的進一步應用和發展的技術問題。
5.為實現上述目的，本技術采用的一個技術方案是：
6.提供了一種磁性隧道結的人工神經元器件，包括：
7.磁性隧道結，用于響應于驅動電信號發射射頻電信號，所述磁性隧道結包括依次層疊設置的蓋帽層、磁性自由層、勢壘層、釘扎層以及反鐵磁層，所述磁性自由層具有沿所述勢壘層指向所述蓋帽層方向的磁各向異性，所述蓋帽層用于調節所述磁性自由層的磁各向異性，且蓋帽層的厚度被配置成使所述射頻電信號的發射頻率與所述驅動電信號無關；
8.第一電極層，布置在所述磁性隧道結一側；
9.第二電極層，布置在所述磁性隧道結另一側，所述第二電極層用于和所述第一電極層配合向所述磁性隧道結輸入所述驅動電信號。
10.在一個或多個實施方式中，所述驅動電信號為直流電流，以驅動所述磁性電流層的磁矩振蕩。
11.在一個或多個實施方式中，所述驅動電信號的電壓的絕對值大于0v且小于10v。
12.在一個或多個實施方式中，所述磁性自由層的材料為cofeb、py、co、cofe、fept、co/ni、feb中的一種或多種組合。
13.在一個或多個實施方式中，所述蓋帽層的材料為mgo；和/或，所述蓋帽層的厚度為0.5～1nm。
14.在一個或多個實施方式中，所述磁性自由層的厚度為0.1～10nm。
15.在一個或多個實施方式中，所述勢壘層的厚度為1～5nm。
16.在一個或多個實施方式中，還包括磁電耦合裝置，所述磁電耦合裝置用于響應于控制電信號生成應力，以調控所述磁性自由層的磁各向異性。
17.優選的，所述磁電耦合裝置包括布置在所述第一電極層背離所述磁性隧道結一側面或布置在所述第二電極層背離所述磁性隧道結一側面的壓電薄膜。
18.在一個或多個實施方式中，還包括磁性金屬層，所述磁性金屬層布置在所述蓋帽層背離所述磁性自由層一側面，且磁性金屬層用于提供外磁場，以調控所述磁性自由層的磁化方向。
19.為實現上述目的，本技術采用的另一個技術方案是：
20.提供了上述任一實施方式所述的基于磁性隧道結的人工神經元器件在基于射頻的人工神經網絡中的應用。
21.區別于現有技術，本技術的有益效果是：
22.本技術人工神經元器件通過蓋帽層調節磁性自由層的磁各向異性，通過改變蓋帽層厚度能夠使射頻電信號的發射頻率與驅動電信號無關，從而實現射頻電信號的固定發射頻率；
23.本技術人工神經元器件的磁性自由層具有較低的翻轉勢壘，因此功耗較低，有效降低了人工神經網絡對射頻信號進行處理時的能耗；
24.本技術人工神經元器件整體尺寸可以做的很小，能夠實現高集成度；
25.本技術人工神經元器件可模擬人工神經網絡中的人工神經元工作特性，可以作為自旋振蕩器應用于基于射頻的人工神經網絡，實現人工神經元器件的微波探測，作為執行乘法計算的單元器件，通過器件互連實現累加計算。
附圖說明
26.圖1是本技術基于磁性隧道結的人工神經元器件一實施方式的結構示意圖；
27.圖2是本技術磁性隧道結中功率p與直流電流和交流電流之比i
dc
/i
th
的關系圖；
28.圖3是本技術基于磁性隧道結的人工神經元器件另一實施方式的結構示意圖；
29.圖4是本技術基于磁性隧道結的人工神經元器件又一實施方式的結構示意圖。
具體實施方式
30.以下將結合附圖所示的各實施方式對本技術進行詳細描述。但該等實施方式并不限制本技術，本領域的普通技術人員根據該等實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本技術的保護范圍內。
31.目前使用人工神經網絡對于射頻信號進行處理時，首先需要對天線感應的信號進行數字化，然后在基于cmos的硬件(如中央處理器(cpu)、圖形處理器(gpu)、現場可編程陣列(fpga)或專用集成電路(asic)等)上進行處理運行。該過程的兩個階段都需要大量的計算，因而導致較高的延遲和較大的能耗，限制了射頻技術的進一步應用和發展。
32.如今，自旋電子器件因其能耗較低、可以通過自旋電流和微波信號跨距離傳輸信息而逐漸受到重視。然而，自旋振蕩器作為自旋二極管突觸所對應的神經器件時，其信息僅由注入的直流電流表示的，不同的信息對應不同的直流電流，因此需要保證自旋振蕩器發
射的射頻電信號的發射頻率不能隨輸入電流發生變化，從而實現人工神經元器件的微波探測，作為執行乘法計算的單元器件，通過器件互連實現累加計算。
33.為此，申請人開發了一種基于磁性隧道結的人工神經元器件，該人工神經元器件具有低能耗和高集成性，并且其輸出的射頻電信號的發射屏蔽不受其輸入電信號影響，從而能夠在應用至基于射頻的人工神經網絡中作為自旋振蕩器提供固定發射頻率的射頻電信號。
34.具體地，請參閱圖1，圖1是本技術基于磁性隧道結的人工神經元器件一實施方式的結構示意圖。
35.該人工神經元器件包括磁性隧道結30和用于配合為磁性隧道結30輸入驅動電信號的第一電極層10和第二電極層20。
36.具體地，第一電極層10布置在磁性隧道結30一側，第二電極層20布置在磁性隧道結30另一側，第一電極層10和第二電極層20電連接有電源40，從而為磁性隧道結30輸入驅動電信號。
37.具體地，驅動電信號可以為直流電流，其電壓的絕對值可以為大于0v且小于10v。
38.磁性隧道結30用于響應于驅動電信號發射射頻電信號，其包括依次層疊設置的蓋帽層31、磁性自由層32、勢壘層33、釘扎層34以及反鐵磁層35。
39.其中，磁性自由層32具有沿蓋帽層31指向勢壘層33方向的磁各向異性，即垂直磁各向異性，磁性自由層32可以采用cofeb材質，厚度可以為1nm，在其他實施方式中，磁性自由層32也可以采用其他材質，例如磁性自由層32的材料可以為cofeb、py、co、cofe、fept、co/ni、feb中的一種或多種組合，磁性自由層32的厚度可以為0.1～10nm，均能夠實現本實施方式的效果。
40.蓋帽層31用于調節磁性自由層32的磁各向異性，以使射頻電信號的發射頻率與驅動電信號無關。
41.具體地，蓋帽層31可以采用mgo材質，蓋帽層31的厚度可以為0.5nm，在其他實施方式中，蓋帽層31的厚度也可以為0.5～1nm。值得注意的是，蓋帽層31的厚度應當基于磁性自由層32的垂直磁各向異性調節，從而實現為磁性自由層32的垂直磁各向異性的調控，以實現磁性隧道結30的射頻電信號發射頻率與驅動電信號無關。
42.勢壘層33允許電荷載流子在磁性自由層32和釘扎層34之間隧穿，勢壘層33可以采用mgo材質，厚度可以為2nm，在其他實施方式中，勢壘層33的厚度也可以為1～5nm，勢壘層33也可以采用其他能夠允許電荷載流子在磁性自由層32和釘扎層34之間隧穿的材質，均能夠實現本實施方式的效果。
43.釘扎層34可以采用cofeb材質，其厚度可以為1nm，在其他實施方式中，釘扎層34的厚度也可以為0.1～10nm。釘扎層34的磁化方向可以為面內去向，在其他實施方式中，釘扎層34的磁化方向也可以為垂直面內去向，均能夠實現本實施方式的效果。其中，面內取向具體為：其磁矩沿釘扎層34所在平面內排列，磁化方向被反鐵磁層35固定，且在器件的工作條件下不會發生明顯的變化；垂直面內取向具體為：其磁矩垂直于釘扎層34所在平面排列的結構。
44.可以理解的，由于本實施方式中的人工神經元器件的磁性自由層32具有較低的翻轉勢壘，因此功耗較低；同時整體結構尺寸可以做的很小，因此可以時間神經元器件的高集
成度。
45.本實施方式的具體原理如下：
46.考慮磁性隧道結30無外部驅動力時，其自洽動力學方程可表示為：
[0047][0048]
其中c為振蕩幅度，ω(p)為諧振元件的諧振頻率，γ
+
(p)為自然能量耗散的阻尼率(自然阻尼或者正阻尼)，γ-(p)為負阻尼率，其描述有源器件的有效作用。
[0049]
為了找到方程(1)的常定解，將其改寫為兩個關于功率p＝|c|2和相位φ＝arg(c)的方程組：
[0050][0051][0052]
其中，方程(2)表示磁性隧道結30中振蕩功率p的動力學方程，方程(3)表示振蕩相位φ的動力學方程。而方程(2)與振蕩相位φ無關，即可以優先只考慮振蕩功率p。
[0053]
對于方程(2)，存在兩種可能的穩態解(dp/dt＝0)。
[0054]
第一種穩態解：p＝0，即不存在振蕩時，在零功率解(p
→
0)附近線性化，得到方程：
[0055][0056]
其中，當γ
+
(0)》γ-(0)時，零功率解是穩定且物理上可以實現的。因此，可以通過第一種穩態解，由γ
+
(0)＝γ-(0)，確定磁性隧道結30中非零功率振蕩產生的閾值。
[0057]
第二種穩態解：當γ
+
(p0)＝γ-(p0)時，得到非零解p＝p0。其物理意義為在靜態條件下，由于自然能量損耗(γ
+
(p0))引起的能量損失應該完全被有源器件所提供的能量(γ-(p0))恰好補償，即總的有效阻尼γ
+
(p0)-γ-(p0)恰好等于0。
[0058]
對于大多數器件而言，正阻尼(γ
+
(p0))與振蕩功率p成正比(即dγ
+
(p0)/p》0)，且負阻尼(γ-(p0))與振蕩功率p成反比(即dγ-(p0)/p《0)，這種情況下方程γ
+
(p0)＝γ-(p0)的解是唯一的。
[0059]
進一步地，其磁性隧道結30的結構中頻率ω(p)、阻尼率γ
±
(p0)和功率p的關系用弱非線性(p＜＜1)的泰勒展開式進行表達：
[0060]
ω(p)≈ω0+n
p
??
(5a)
[0061]
γ
+
(p)≈γg(1+q
p
)
??
(5b)
[0062]
γ-(p)≈σi(1-p)
??
(5c)
[0063]
其中，ω0為鐵磁共振頻率，n
p
是幅相耦合引起的非線性頻移系數，σ是自旋傳輸效率，i是直流電流；
[0064]
進一步地，使用近似值(5)代入得到磁性隧道結30的靜態功率p0：
[0065][0066]
其中，q為非線性阻尼系數。將無量綱超臨界參數ζ定義為：
[0067][0068]
其中，i
th
為閾值電流。
[0069]
將式(7)代入式(6)可得
[0070][0071]
其中，i
dc
為直流電流。
[0072]
進一步地，由式(8)可得磁性隧道結30中功率p與直流電流和交流電流之比i
dc
/i
th
的關系，如圖2所示，圖2是本技術磁性隧道結30中功率p與直流電流和交流電流之比i
dc
/i
th
的關系圖。
[0073]
由圖2可知，微波發射功率與注入的直流驅動電流之間恰好是類似于線性整流單元激活函數的關系，因此可以將其作為非線性激活單元。
[0074]
進一步地，由于信息是由注入的直流電流表示的，因此要求微波的發射頻率隨電流不能發生變化，所以，要真正實現自旋振蕩器人工神經元，開發固定發射頻率的振蕩器是必須的。根據理論，微波發射頻率隨電流的關系為：
[0075][0076]
其中，f
fmr
為隧道結自由層的本征鐵磁共振頻率，n為非線性因子，p為歸一化發射功率。
[0077]
由式(6)、(9)可得
[0078][0079]
由式(10)可得，非線性因子n決定了頻率可調性。因此，要實現發射頻率不隨電流變化(即df/dζ＝0)的目標，需要使n為0。
[0080]
進一步地，根據實驗條件推導非線性因子n的表達式：
[0081][0082][0083]
其中γ為電子磁旋比。
[0084]
由式(11)、(12)可得，n與磁各向異性、磁場等因素有關，其中磁各向異性包括形狀各向異性、磁晶各向異性以及垂直磁各向異性等，即可以通過改變結構調控磁各向異性特性實現n為0，從而使微波發射頻率與電流無關，即射頻電信號的發射頻率與驅動電信號無
關。
[0085]
由于，蓋帽層31和磁性自由層32形成的mgo/cofeb存在著垂直磁各向異性中的界面各向異性，其主要源于co/fe的d軌道與o的p軌道雜交引起的。因此，在磁性自由層32上增加一層mgo蓋帽層31，通過改變mgo厚度，可以調控界面各向異性的大小，從而使得微波發射頻率不隨電流發生變化。
[0086]
在一個應用場景中，可以通過制備一系列不同蓋帽層31厚度的人工神經元器件，并進行功率密度圖測試，通過數據分析，找到隨著輸入電流變化，其輸出頻率不改變的器件，從而確定蓋帽層31的最優厚度。
[0087]
為了防止人工神經元器件制造過程中造成的器件不一致對非線性因子n的值造成影響，在另一個實施方式中，人工神經元器件還包括磁電耦合裝置，磁電耦合裝置用于響應于控制電信號生成應力，以調控磁性自由層32的磁各向異性，從而保證磁性自由層32的磁各向異性與設計保持一致，從而使蓋帽能能夠按設計調控磁性自由層32的磁各向異性，實現射頻電信號的發射頻率與驅動電信號無關。
[0088]
具體地，請參閱圖3，圖3是本技術基于磁性隧道結30的人工神經元器件另一實施方式的結構示意圖。磁電耦合裝置可以包括布置在第二電極層20背離磁性隧道結30一側面的壓電薄膜50。壓電薄膜50用于根據輸入的控制電信號生成應力，壓電薄膜50材料可以選用壓電材料或者鐵電材料。
[0089]
在本實施例中，壓電薄膜50主要是利用應變傳遞機制實現電壓對磁各向異性調控。通過施加電壓產生電場作用于壓電薄膜50上，根據壓電材料或鐵電材料所具有的逆壓電效應，壓電薄膜50產生壓電力，并將壓電力通過界面傳遞到磁性隧道結30的磁性自由層32上，由于磁致伸縮效應，進一步改變磁性自由層32的磁各向異性，從而使磁性自由層32的磁各向異性與原設計相同。
[0090]
為了使磁性隧道結30能夠輸出高頻射頻電信號，在另一個實施方式中，人工神經元器件還包括磁性金屬薄膜60，磁性金屬薄膜60用于提供外加磁場，以調控磁性自由層32的磁化方向。
[0091]
具體地，請參閱圖4，圖4是本技術基于磁性隧道結30的人工神經元器件又一實施方式的結構示意圖。磁性金屬薄膜60可以布置在蓋帽層31與第一電極層10之間，磁性金屬薄膜60可以選用磁性金屬材料，例如fe、ni或co。磁性金屬薄膜60主要是通過提供外加磁場，調控磁性自由層32的磁化方向，使得磁性自由層32的磁化方向與釘扎層34的磁化方向不共線，滿足微波發射的條件。并且根據輸入的直流電信號，當自旋極化的電流產生的自旋力矩足以克服鐵磁材料本征的阻尼力矩時，可以使得磁性自由層32的磁矩產生高頻穩態進動。磁矩進動將引起磁電阻發生周期性變化，進而將直流電信號轉化為高頻微波信號輸出，此時本實施方式的人工神經元器件可以作為自旋矩納米振蕩器應用。
[0092]
本公開內容的上述描述被提供來使得本領域任何普通技術人員能夠實現或者使用本公開內容。對于本領域普通技術人員來說，對本公開內容進行的各種修改是顯而易見的，并且，也可以在不脫離本公開內容的保護范圍的情況下，將本文所對應的一般性原理應用于其它變型。因此，本公開內容并不限于本文所描述的示例和設計，而是與符合本文公開的原理和新穎性特征的最廣范圍相一致。