KR101898666B1 - Neuron device and method of operating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 데이터를 축적함에 따라 자화 방향이 변경되는 채널부와, 상기 채널부의 양단 상에 형성되어 입력되는 복수의 데이터에 따라 상기 채널부의 자화 방향이 변경되도록 하는 제 1 및 제 2 자화 조절부와, 상기 제 1 및 제 2 자화 조절부 사이의 상기 채널부 상에 형성되며 임계값 이상의 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화시키는 제어부를 포함하는 뉴런 소자 및 그 구동 방법을 제시한다.The present invention relates to a magnetic memory device including a channel unit in which a magnetization direction is changed by accumulating a plurality of data and first and second magnetization control units for changing a magnetization direction of the channel unit according to a plurality of data formed on both ends of the channel unit, And a control unit which is formed on the channel unit between the first and second magnetization control units and which generates data accumulated in the channel unit above a threshold value, and a driving method thereof.

Description

뉴런 소자 및 그 구동 방법{Neuron device and method of operating the same}[0001] The present invention relates to a neuron device and a driving method thereof,

본 발명은 뉴로모픽 시스템(Neuromorphic System)에 관한 것으로, 특히 데이터를 축적 및 발화(integrate and fire)하는 뉴런 소자(Neuron device) 및 그 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a neuromorphic system, and more particularly to a neuron device for integrating and firing data and a driving method thereof.

최근 폰 노이만 아키텍처 기반의 집적회로에서 전력 소모가 크게 증가하고 발열 문제가 심각해지면서 동물의 신경계를 모방하려고 많이 시도되고 있다. 특히, 동물의 신경계를 모방한 기술에서는 전력 소모를 크게 줄이면서, 인지 기능이 가능하고 학습이 가능함으로써 인식 기능과 판단 기능을 개선할 수 있게 되었다. 이에 따라 기존의 폰 노이만 방식의 집적회로의 기능을 대체하거나 크게 개선할 수 있으므로 이에 대한 관심 및 연구가 증가되고 있다.In recent years, power consumption has been greatly increased and heat problems have become serious in an integrated circuit based on the Von Neumann architecture, and many attempts have been made to imitate the animal's nervous system. Especially, in the technique imitating the animal's nervous system, it is possible to improve the recognition function and the judgment function by enabling cognitive function and learning while greatly reducing power consumption. As a result, the functions of the conventional von Neumann integrated circuit can be replaced or significantly improved, and thus interest and research are increasing.

신경 세포의 원리를 이용하여 뉴로모픽 시스템(Neuromorphic System)을 구현할 수 있다. 뉴모로픽 시스템은 인간의 뇌를 구성하는 뉴런을 복수의 소자를 이용하여 구현함으로써 뇌가 데이터를 처리하는 것을 모방한 시스템을 말한다. 따라서, 뉴런 소자를 포함하는 뉴로모픽 시스템을 이용함으로써 뇌와 유사한 방식으로 데이터를 처리하고 학습할 수 있다. 즉, 뉴런 소자는 뉴런 소자의 시냅스를 통하여 다른 뉴런 소자와 연결되고, 시냅스를 통하여 다른 뉴런 소자로부터 데이터를 수신할 수 있다. 이때, 뉴런 소자는 수신된 데이터를 축적 및 통합하고 임계값(Vt) 이상일 경우 이를 발화하여 출력한다. 즉, 뉴런 소자는 데이터의 축적 및 발화(integrate and fire) 기능을 한다. 또한, 시냅스 소자는 입력값에 따라 선별적으로 출력한다. 즉, 시냅스 소자는 입력되는 데이터를 누적(potentiation)하거나 감소(depression)시켜 뉴런 소자에 전달한다.The neuromorphic system can be implemented using the principle of nerve cell. New morphic system refers to a system that imitates brain processing of data by implementing a neuron constituting a human brain using a plurality of elements. Thus, by using a neurocompic system that includes neuron elements, data can be processed and learned in a manner similar to the brain. That is, the neuron element is connected to another neuron element through the synapse of the neuron element, and can receive data from the other neuron element through the synapse. At this time, the neuron element accumulates and integrates the received data, and if it exceeds the threshold value (Vt), it outputs the generated data. That is, the neuron element functions to integrate and fire data. In addition, the synapse device outputs selectively according to the input value. That is, the synaptic element potentiates or depresses input data and transmits it to the neuron element.

종래에는 이러한 뉴런 소자를 C-MOSFET 기반으로 제작하였다. C-MOSFET 기반의 뉴런 소자는 데이터의 축적(integrate) 기능을 담당하는 캐패시터, 특정 임계값 이상의 신호가 인가되면 발화하는 비교기(comparator)가 필요하고, 그 이외에 딜레이, 안정성 확보를 위한 부가 회로들로 구성된다. 그런데, 캐패시터가 차지하는 면적이 상당히 크므로 뉴런 소자의 전체 면적이 매우 커지고, 전력 소모 또한 매우 크게 된다. 이러한 구조적 한계로 인해 뉴모로픽 시스템의 구성이 복잡해지고, 정밀도가 제한되는 등 다양한 문제를 가지게 된다.Conventionally, these neuron elements are fabricated on the basis of C-MOSFETs. The C-MOSFET-based neuron device requires a capacitor for integrating data, a comparator for generating a signal when a signal of a predetermined threshold value or more is applied, and additional circuits for securing stability and delay. . However, since the area occupied by the capacitor is considerably large, the total area of the neuron device becomes very large, and the power consumption becomes very large. These structural limitations lead to various problems such as the complexity of the configuration of the new morphic system and the limited precision.

한편, Kaushik Roy 등은 MRAM 기반의 뉴런 소자을 제작할 경우 C-MOSFET 기반의 뉴런 소자보다 소비 전격을 1/100로 절감할 수 있음을 발표하였다. 그러나, 이론적 계산을 통해 메커니즘을 보고하였을 뿐 MRAM 기반의 뉴런 소자를 설계하거나 제작하지는 않았다.On the other hand, Kaushik Roy et al. Have shown that the MRAM-based neuron device can reduce the power consumption to 1/100 of that of the C-MOSFET based neuron device. However, we have reported the mechanism through theoretical calculations and have not designed or manufactured MRAM-based neuron devices.

한국특허공개 제2016-0056779호Korean Patent Publication No. 2016-0056779 한국특허공개 제2016-0019682호Korean Patent Publication No. 2016-0019682 한국특허공개 제2016-0061966호Korean Patent Publication No. 2016-0061966

Kaushik Roy et al. Energy-Efficient Non-Boolean Computing With Spin Neurons and Resistive Memory. 2014. 01, IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY, VOL. 13, NO. 1, pp. 23-34Kaushik Roy et al. Energy-Efficient Non-Boolean Computing with Spin Neurons and Resistive Memory. 2014. 01, IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY, VOL. 13, NO. 1, pp. 23-34

본 발명은 C-MOSFET 기반의 뉴런 소자의 문제점을 해결할 수 있는 뉴런 소자 및 그 구동 방법을 제공한다.The present invention provides a neuron element and a driving method thereof that can solve the problem of a C-MOSFET based neuron element.

본 발명은 전력 소모를 줄일 수 있고 정밀도를 향상시킬 수 있는 뉴런 소자 및 그 구동 방법을 제공한다.The present invention provides a neuron element and a driving method thereof that can reduce power consumption and improve precision.

본 발명은 자기터널접합 기반의 뉴런 소자 및 그 구동 방법을 제공한다.The present invention provides a magnetic tunnel junction-based neuron element and a driving method thereof.

본 발명의 일 양태에 따른 뉴런 소자는 복수의 데이터를 축적함에 따라 자화 방향이 변경되는 채널부; 상기 채널부의 상에 형성되며 입력되는 복수의 데이터에 따라 상기 채널부의 자화 방향이 변경되도록 하는 제 1 및 제 2 자화 조절부; 및 상기 제 1 및 제 2 자화 조절부 사이의 상기 채널부 상에 형성되며 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화시키는 제어부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a neuron device comprising: a channel unit in which a magnetization direction is changed by accumulating a plurality of data; First and second magnetization control units formed on the channel unit and adapted to change a magnetization direction of the channel unit according to a plurality of input data; And a control unit formed on the channel unit between the first and second magnetization control units and for igniting data accumulated in the channel unit.

상기 채널부는 기판과, 상기 기판 상에 형성되며 자성층을 구비하는 채널층을 포함한다.The channel portion includes a substrate and a channel layer formed on the substrate and having a magnetic layer.

상기 채널부는 상기 기판과 상기 채널층 사이에 형성된 버퍼층 및 시드층과, 상기 채널층 상에 형성된 분리층을 더 포함한다.The channel portion further includes a buffer layer and a seed layer formed between the substrate and the channel layer, and a separation layer formed on the channel layer.

상기 채널층은 초기 상태에서 자화 방향이 일 방향으로 고정되고, 상기 복수의 데이터가 순차적으로 입력됨에 따라 상기 자화 방향이 일 방향과 반대인 타 방향으로 순차적으로 변경된다.The magnetization direction of the channel layer is fixed in one direction in the initial state, and the magnetization direction is sequentially changed in the other direction opposite to the one direction as the plurality of data are sequentially inputted.

상기 제 1 및 제 2 자화 조절부를 통해 상기 채널부의 데이터가 입출력된다.Data of the channel section is input / output through the first and second magnetization control sections.

상기 제 1 및 제 2 자화 조절부는 서로 다른 자화 방향을 갖는다.The first and second magnetization control sections have different magnetization directions.

상기 제 1 및 제 2 자화 조절부는 각각 상기 채널부 상에 제 1 자성층, 비자성층 및 제 2 자성층의 적층 구조로 형성되며, 상기 제 1 및 제 2 자성층의 두께가 서로 다르다.The first and second magnetization control sections are respectively formed in a laminated structure of a first magnetic layer, a nonmagnetic layer and a second magnetic layer on the channel section, and the thicknesses of the first and second magnetic layers are different from each other.

상기 제 2 자화 조절부에 의해 상기 채널부의 초기 자화 방향이 결정되고, 상기 제 1 자화 조절부를 통해 데이터가 입력되어 상기 채널부의 자화 방향이 순차적으로 변경된다.The initial magnetization direction of the channel section is determined by the second magnetization control section, and the magnetization direction of the channel section is sequentially changed by inputting data through the first magnetization control section.

상기 제 1 자화 조절부와 상기 제어부 사이의 상기 채널부에 상기 데이터가 축적된다.And the data is stored in the channel section between the first magnetization control section and the control section.

상기 제어부는 자유층, 터널링 배리어 및 고정층이 적층된 자기터널접합과, 상기 자기터널접합 상에 형성된 캐핑층과, 상기 캐핑층 상에 형성되며 상기 고정층의 자화 방향을 고정하는 합성 교환 반자성층을 포함한다.The control unit includes a magnetic tunnel junction in which a free layer, a tunneling barrier and a pinned layer are stacked, a capping layer formed on the magnetic tunnel junction, and a synthetic exchange ferromagnetic layer formed on the capping layer and fixing the magnetization direction of the pinning layer do.

상기 제어부는 상기 고정층의 자화 방향이 고정되고, 상기 자유층의 자화 방향은 상기 채널층의 자화 방향에 따라 변경된다.The magnetization direction of the pinned layer is fixed and the magnetization direction of the free layer is changed according to the magnetization direction of the channel layer.

상기 자유층과 상기 고정층은 초기 상태에서 반대 방향의 자화를 가지며, 상기 채널부의 자화에 의해 상기 자유층과 상기 고정층의 자화 방향이 동일할 때 상기 채널부에 축적된 데이터가 발화된다.The free layer and the pinned layer have magnetizations opposite to each other in the initial state, and when the magnetization directions of the free layer and the pinned layer are the same due to the magnetization of the channel portion, the data accumulated in the channel portion is ignited.

상기 제어부는 상기 제 1 및 제 2 자화 조절부 사이의 상기 채널부 길이의 1/5 내지 1/10의 폭을 갖는다.The control section has a width of 1/5 to 1/10 of the length of the channel section between the first and second magnetization control sections.

상기 제 1 자화 조절부와 상기 제어부 사이의 상기 채널부의 길이, 상기 제어부의 폭, 그리고 데이터를 입력하기 위해 인가되는 펄스 폭 및 높이 중 적어도 어느 하나에 따라 데이터의 축적량이 조절된다.The accumulation amount of data is adjusted according to the length of the channel portion between the first magnetization control portion and the control portion, the width of the control portion, and the pulse width and height applied to input data.

상기 채널부는 21 내지 210의 데이터를 축적한다.The channel unit accumulates 2 1 to 2 10 data.

본 발명의 다른 양태에 따른 뉴런 소자는 복수의 데이터가 입력되어 축적됨에 따라 도메인월이 이동하는 채널부; 입력되는 복수의 데이터에 따라 상기 채널부의 상기 도메인월이 이동되도록 하는 제 1 자화 조절부; 상기 제 1 자화 조절부와 서로 다른 자화 방향을 가지며, 상기 채널부의 자화 방향이 일 방향으로 고정되도록 하는 제 2 자화 조절부; 및 적어도 일부가 상기 채널부와 커플링되어 자화 방향이 변경되며, 상기 도메인월이 그 하부를 지나면 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화시키는 제어부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a neuron device comprising: a channel unit in which a domain wall moves as a plurality of data are input and accumulated; A first magnetization control unit for moving the domain wall of the channel unit according to a plurality of input data; A second magnetization control unit having magnetization directions different from those of the first magnetization control unit and fixing the magnetization direction of the channel unit in one direction; And a control unit for causing the magnetization direction to change when at least a part of the domain wall is coupled with the channel unit, and to fire data accumulated in the channel unit when the domain wall passes the lower part.

상기 채널부, 상기 제 1 및 제 2 자화 조절부 및 상기 제어부는 각각 적어도 일부가 자성 물질을 포함한다.The channel portion, the first and second magnetization control portions, and the control portion each include at least a magnetic material.

상기 제어부는 제 1 영역의 자화 방향이 고정되고 그 하부의 제 2 영역의 자화 방향이 상기 채널부의 자화 방향에 따라 변경되며, 상기 제 2 영역과 상기 제 1 영역의 자화 방향이 동일할 때 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화시킨다.Wherein the magnetization direction of the first region is fixed and the magnetization direction of the second region below the first region is changed in accordance with the magnetization direction of the channel portion, and when the magnetization direction of the second region and the first region is the same, And the data accumulated in the portion is ignited.

본 발명의 또다른 양태에 따른 뉴런 소자의 구동 방법은 제어부의 자유층과 고정층의 자화 방향이 반대가 되도록 채널부의 자화 방향을 설정하는 과정; 복수의 데이터를 순차적으로 입력하여 상기 채널부의 자화 방향을 순차적으로 변경시키는 과정; 및 상기 제어부와 중첩된 상기 채널부의 자화 방향이 상기 자유층의 자화 방향과 동일할 때 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a neuron device, comprising: setting a magnetization direction of a channel portion such that a magnetization direction of a free layer and a pinned layer of a control portion are opposite; Sequentially changing a magnetization direction of the channel unit by inputting a plurality of data sequentially; And firing data accumulated in the channel portion when the magnetization direction of the channel portion overlapped with the control portion is the same as the magnetization direction of the free layer.

상기 채널부의 길이, 상기 제어부의 폭, 그리고 데이터를 입력하기 위해 인가되는 펄스 폭 및 높이 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 채널부의 자화 방향의 변경 폭이 조절된다.The width of the magnetization direction of the channel portion is adjusted according to at least one of the length of the channel portion, the width of the control portion, and the pulse width and height applied for inputting data.

본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자는 MRAM 기반으로 구현될 수 있다. 즉, 자성 물질로 이루어진 적층 구조와 자기터널접합 구조를 이용하여 자화 방향의 변경과 그에 따른 도메인월 이동에 의해 데이터를 축적 및 발화하는 뉴런 소자를 제작할 수 있다. 따라서, 본 발명의 뉴런 소자는 기존 C-MOSFET 기반의 뉴런 소자에 비해 에너지 절감 및 고직접화가 가능하다. 또한, 본 발명의 뉴런 소자를 이용하여 뉴모로픽 시스템을 구현함으로서 데이터를 처리하기 전에 학습하며 논리적인 사고를 할 수 있는 인공지능 발전에 이바지할 수 있을 것이다.The neuron device according to an embodiment of the present invention can be implemented based on MRAM. That is, a neuron device that accumulates and fires data by changing the magnetization direction and the domain wall movement by using the laminated structure and the magnetic tunnel junction structure made of the magnetic material can be manufactured. Therefore, the neuron device of the present invention can reduce energy and direct the neuron device compared to the conventional C-MOSFET based neuron device. In addition, by implementing the neuronal system using the neuron device of the present invention, it can contribute to artificial intelligence development that can learn logical thinking before data is processed.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 단면 개략도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 제 1 및 제 2 자화 조절부의 자화 특성을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 제어부의 자화 특성을 도시한 그래프.
도 6 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 구동 방법을 설명하기 위한 개략도.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 구동에 따른 입력 및 출력 파형도.
1 is a cross-sectional view of a neuron device according to an embodiment of the present invention;
2 is a schematic cross-sectional view of a neuron device according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 and 4 are graphs showing magnetization characteristics of the first and second magnetization control units of the neuron device according to an embodiment of the present invention. FIG.
5 is a graph showing magnetization characteristics of a control unit of a neuron device according to an embodiment of the present invention.
6 to 13 are schematic views for explaining a method of driving a neuron device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is an input and output waveform diagram for driving a neuron device according to an embodiment of the present invention; FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of other various forms of implementation, and that these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know completely.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 단면도이고, 도 2는 개략 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view of a neuron device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자는 입력되는 데이터에 따라 자화 방향이 변경되며 복수의 데이터를 축적하는 채널부(100)와, 채널부(100)의 양단 상에 형성되며 채널부(100)의 초기 자화 방향을 고정하고 데이터를 입출력하는 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)와, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300) 사이의 채널부(100) 상에 형성되며 채널부(100)에 축적된 데이터가 임계값(Vth) 이상일 경우 이를 출력하는 제어부(400)을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, a neuron device according to an embodiment of the present invention includes a channel unit 100 having a magnetization direction changed according to input data and storing a plurality of data, First and second magnetization control units 200 and 300 that are formed on the first and second magnetization control units 200 and 300 and fix the initial magnetization direction of the channel unit 100 and input and output data, And a controller 400 that is formed on the channel unit 100 and outputs the data stored in the channel unit 100 when the data stored in the channel unit 100 is equal to or greater than a threshold value Vth.

채널부(100)는 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)에 의해 자화 방향이 고정되고, 복수의 데이터가 입력됨에 따라 자화 방향이 순차적으로 변경되고, 그에 따라 데이터를 축적(integrate)하게 된다. 즉, 채널부(100)는 자화 방향이 순차적으로 변경됨에 따라 도메인월(domain wall)이 자화 방향이 변경되는 방향을 따라 이동하게 되고, 그에 따라 데이터를 축적하게 된다. 여기서, 도메인월(domain wall)은 서로 다른 방향의 자화 사이의 경계로서, 데이터가 축적됨에 따라 채널부(100)의 자화 방향이 변경됨으로써 일 방향으로 이동하게 된다. 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 서로 다른 방향의 자화를 가지며, 초기 상태에서 채널부(100)의 자화 방향을 일 방향으로 고정한다. 또한, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 어느 하나를 통해 채널부(100)로 데이터를 입력하고, 제어부(400)의 제어에 따라 다른 하나를 통해 채널부(100)에 축적된 데이터를 출력한다. 이때, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)의 어느 하나를 통해 데이터가 입력됨으로써 채널부(100)의 자화 방향은 변경된다. 제어부(400)는 적어도 일부가 채널부(100)의 자화와 커플링되어 자화 방향이 변경되며, 채널부(100)에 축적된 데이터가 임계값 이상일 경우 자화 방향이 변경되어 채널부(100)에 축적된 데이터를 출력한다. 즉, 제어부(400)는 제어부(400)와 중첩되는 채널부(100)의 일 영역과 이와 인접하는 영역의 자화 방향이 동일할 때 채널부(100)에 축적된 데이터를 출력할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 뉴런 소자는 채널부(100)가 데이타를 축적(tntegrate)하는 기능을 하고, 제어부(400)가 채널부(100)에 축적된 데이터를 발화(fire) 기능을 함으로써 기본적인 뉴런 구동이 가능하게 된다. The magnetization direction of the channel unit 100 is fixed by the first and second magnetization control units 200 and 300 and the magnetization direction is sequentially changed as a plurality of data are input, . That is, as the magnetization direction is sequentially changed, the channel unit 100 moves along the direction in which the domain wall is changed in the magnetization direction, thereby storing data. Here, domain walls are boundaries between magnetizations in different directions, and as the data is accumulated, the magnetization direction of the channel section 100 is changed to move in one direction. The first and second magnetization control units 200 and 300 have magnetizations in different directions and fix the magnetization direction of the channel unit 100 in one direction in the initial state. The first and second magnetization control units 200 and 300 may receive data from the channel unit 100 through any one of the first and second magnetization control units 200 and 300, And outputs the data. At this time, data is input through any one of the first and second magnetization control units 200 and 300 so that the magnetization direction of the channel unit 100 is changed. At least a part of the control unit 400 is coupled with the magnetization of the channel unit 100 to change its magnetization direction. When the data stored in the channel unit 100 is equal to or more than the threshold value, the magnetization direction is changed, And outputs the accumulated data. That is, the control unit 400 can output the data stored in the channel unit 100 when the magnetization direction of one region of the channel unit 100 and the region adjacent thereto overlap with the control unit 400. Therefore, the neuron device according to the present invention has a function that the channel unit 100 functions to tntegrate data, and the control unit 400 performs a fire function on the data accumulated in the channel unit 100, Driving is enabled.

1. One. 채널부Channel portion

채널부(100)는 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)의 적어도 어느 하나를 통해 입력되는 데이터를 축적한다. 이때, 채널부(100)는 데이터가 입력되기 이전의 초기 상태, 즉 리셋(reset) 상태에서 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)에 의해 자화 방향이 고정되며, 입력되는 데이터에 따라 자화 방향이 변경된다. 자화 방향이 변경됨에 따라 도메인월이 일 방향으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 채널부(100)는 초기 상태에서 제 2 자화 조절부(300)의 자화 방향과 동일 자화 방향을 가지며, 입력되는 데이터가 축적됨에 따라 제 1 자화 조절부(200)의 자화 방향으로 일 방향을 따라 순차적으로 변경되고, 그에 따라 도메인월이 일 방향으로 이동하게 된다. 따라서, 채널부(100)는 채널 영역의 폭에 따라 축적할 수 있는 데이터의 양이 결정될 수 있다. 물론, 채널부(100)는 제어부(400)의 폭(w)에 따라 축적되는 데이터의 양이 결정될 수도 있다. 이때, 데이터가 축적되는 채널 영역의 폭은 제 1 자화 조절부(200)를 통해 데이터가 입력되는 경우 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 자화 조절부(200)와 제어부(400) 사이의 거리(a)로 정의할 수 있다. 이러한 채널부(100)는 기판(110) 상에 형성되며 입력되는 데이터에 따라 자화 방향이 변경되는 채널층(140)을 포함할 수 있다. 또한, 기판(110)과 채널층(140) 사이에 형성된 버퍼층(120) 및 시드층(130)과, 채널층(140) 상에 형성된 분리층(150)을 더 포함할 수 있다.The channel unit 100 stores data input through at least one of the first and second magnetization control units 200 and 300. In this case, the magnetization direction of the channel unit 100 is fixed by the first and second magnetization adjusting units 200 and 300 in an initial state before the data is input, that is, in a reset state, The magnetization direction is changed. The domain wall can be moved in one direction as the magnetization direction is changed. For example, in the initial state, the channel unit 100 has the same magnetization direction as the magnetization direction of the second magnetization control unit 300, and when the input data is accumulated, the channel unit 100 moves in the magnetization direction of the first magnetization control unit 200 Are sequentially changed along one direction, and the domain wall moves in one direction accordingly. Therefore, the channel unit 100 can determine the amount of data that can be accumulated according to the width of the channel region. Of course, the amount of data accumulated according to the width w of the controller 400 may be determined. 2, when the data is inputted through the first magnetization control unit 200, the width of the channel region where the data is accumulated is the distance between the first magnetization control unit 200 and the control unit 400 It can be defined as a). The channel unit 100 may include a channel layer 140 formed on the substrate 110 and having a magnetization direction changed according to input data. The buffer layer 120 and the seed layer 130 formed between the substrate 110 and the channel layer 140 and the separation layer 150 formed on the channel layer 140 may be further included.

기판(110)은 반도체 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 실리콘 기판, 갈륨 비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 실리콘 산화막 기판 등을 이용할 수 있는데, 본 실시 예에서는 실리콘 기판을 이용한다. 이러한 기판(110) 상에는 절연층이 형성될 수 있다. 절연층은 비정질 구조의 실리콘 산화막(SiO2) 등을 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 기판(110)은 실리콘 산화막 등의 절연층이 형성된 반도체 기판을 이용할 수 있다.The substrate 110 may be a semiconductor substrate. For example, the substrate 110 may be a silicon substrate, a gallium arsenide substrate, a silicon germanium substrate, a silicon oxide film substrate, or the like. In this embodiment, a silicon substrate is used. An insulating layer may be formed on the substrate 110. The insulating layer can be formed using an amorphous silicon oxide film (SiO 2 ) or the like. That is, the substrate 110 may be a semiconductor substrate on which an insulating layer such as a silicon oxide film is formed.

버퍼층(120) 및 시드층(130)은 채널층(140)의 수직 자화를 형성하기 위해 채널층(140) 하부에 형성될 수 있다. 즉, 입력되는 데이터에 따라 자화 방향이 명확하게 변경되는 것이 바람직하고, 이를 위해 채널층(140)이 수직 자화를 갖도록 하기 위해 버퍼층(120) 및 시드층(130)을 형성할 수 있다. 버퍼층(120)은 탄탈륨(Ta)을 이용하여 형성할 수 있으며, 예를 들어 2㎚∼10㎚의 두께로 형성할 수 있다. 시드층(130)은 다결정 물질로 형성할 수 있는데, 예를 들어 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 실리콘 질화물(SiNx) 또는 알루미늄 질화물(AlNx) 등으로 형성될 수 있다. 바람직하게, 시드층(130)은 마그네슘 산화물로 형성할 수 있으며, 예를 들어 1㎚∼1.5㎚의 두께로 형성할 수 있다. 이렇게 시드층(130)을 형성함으로써 그 상부에 형성되는 채널층(140)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)와 제어부(400)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 시드층(130)이 다결정의 물질로 형성되면, 그 상부에 형성되는 비정질의 채널부(140) 및 적층 구조들(200, 300, 400)이 시드층(130)의 결정 방향을 따라 성장하게 된다.The buffer layer 120 and the seed layer 130 may be formed under the channel layer 140 to form a vertical magnetization of the channel layer 140. That is, it is preferable that the magnetization direction is changed clearly according to the input data. To this end, the buffer layer 120 and the seed layer 130 may be formed so that the channel layer 140 has vertical magnetization. The buffer layer 120 may be formed using tantalum (Ta), for example, with a thickness of 2 nm to 10 nm. The seed layer 130 may be formed of a polycrystalline material, such as magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3), silicon oxide (SiO 2), tantalum oxide (Ta 2 O 5), silicon nitride (SiNx) or aluminum nitride (AlNx). Preferably, the seed layer 130 may be formed of magnesium oxide, for example, to a thickness of 1 nm to 1.5 nm. By forming the seed layer 130 in this way, the crystallinity of the channel layer 140 formed thereon can be improved. Also, the crystallinity of the first and second magnetization control units 200 and 300 and the control unit 400 can be improved. That is, when the seed layer 130 is formed of a polycrystalline material, the amorphous channel portion 140 and the stacked structures 200, 300, and 400 formed thereon grow along the crystal direction of the seed layer 130, .

채널층(140)은 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)의 적어도 어느 하나로 입력되는 데이터에 따라 자화 방향이 변경되고, 그에 따라 도메인월이 이동되도록 한다. 즉, 채널층(140)은 자화가 한 방향으로 고정되지 않고 일 방향에서 이와 대향되는 타 방향으로 변경될 수 있다. 다시 말하면, 채널층(140)은 자화 방향이 기판(110) 방향(즉, 하측 방향)에서 적층체 방향(즉, 상측 방향)으로 변화될 수 있고, 이와 반대로 적층체 방향에서 기판(110) 방향으로 변화될 수 있다. 따라서, 채널층(140)은 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)의 적어도 어느 하나를 통해 반복적으로 데이터가 입력되면, 자화 방향이 순차적으로 변경되면서 도메인월이 이동하게 되고, 이러한 과정을 통해 복수의 데이터가 축적된다. 예를 들어, 채널층(140)은 초기 상태, 즉 리셋(reset) 상태에서 하측 방향으로 자화되고, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 입력되는 데이터에 따라 제 1 자화 조절부(200)로부터 제어부(400) 방향으로 소정 폭으로 자화 방향이 변경되고, 이에 따라 도메인월이 제어부(400) 방향으로 이동하게 된다. 이러한 채널층(140)은 강자성체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널층(140)은 풀-호이슬러(Full-Heusler) 반금속 계열의 합금, 비정질계 희토류 원소 합금, 자성 금속(ferromagnetic metal)과 비자성 금속(nonmagnetic matal)이 교대로 적층된 다층 박막, L10형 결정 구조를 갖는 합금 또는 코발트계 합금 등의 강자성체 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 풀-호이슬러 반금속 계열의 합금으로는 CoFeAl, CoFeAlSi 등이 있고, 비정질계 희토류 원소 합금으로는 TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCo 등의 합금이 있다. 또한, 비자성 금속과 자성 금속이 교대로 적층된 다층 박막으로는 Co/Pt, Co/Pd, CoCr/Pt, Co/Ru, Co/Os, Co/Au, Ni/Cu, CoFeAl/Pd, CoFeAl/Pt, CoFeB/Pd, CoFeB/Pt 등이 있다. 그리고, L10형 결정 구조를 갖는 합금으로는 Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Fe30Ni20Pt50, Co30Ni20Pt50 등이 있다. 또한, 코발트계 합금으로는 CoCr, CoPt, CoCrPt, CoCrTa, CoCrPtTa, CoCrNb, CoFeB 등이 있다. 이러한 물질들 중에서 CoFeB 단일층은 CoFeB와 Co/Pt 또는 Co/Pd의 다층 구조에 비해 두껍게 형성할 수 있고, Pt 또는 Pd 등과 같은 금속보다 식각이 용이하므로 Pt 또는 Pd 등이 함유된 다층 구조에 비해 제조 공정이 용이하다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 CoFeB 단일층을 이용하여 채널층(140)을 형성하며, CoFeB는 비정질로 형성된 후 열처리에 의해 BCC(100)으로 텍스처링(texturing)될 수 있다.The channel layer 140 changes the magnetization direction according to data input to at least one of the first and second magnetization control units 200 and 300, thereby moving the domain wall. That is, the channel layer 140 can be changed from one direction to the opposite direction in which the magnetization is not fixed in one direction. In other words, the channel layer 140 can change the direction of magnetization in the direction of the substrate 110 (i.e., the lower direction) to the direction of the laminate (that is, the upper direction) . ≪ / RTI > Accordingly, when data is repeatedly input through at least one of the first and second magnetization controllers 200 and 300, the domain wall is shifted while the magnetization direction is sequentially changed, A plurality of data are accumulated. For example, the channel layer 140 may be magnetized in an initial state, that is, in a downward direction from a reset state, and may be magnetized from the first magnetization controller 200 according to data input through the first magnetization controller 200 The magnetization direction is changed to a predetermined width in the direction of the control unit 400, and thus the domain wall moves in the direction of the control unit 400. The channel layer 140 may be formed of a ferromagnetic material. For example, the channel layer 140 may be formed of any one of a full-Heusler semimetal alloy, an amorphous rare-earth alloy, a ferromagnetic metal and a nonmagnetic matal alternately stacked A multi-layer thin film, an alloy having an L10 type crystal structure, or a cobalt-based alloy. Examples of the alloys of the full-Hoesler semi-metal series include CoFeAl and CoFeAlSi, and amorphous rare earth element alloys include alloys such as TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo and GdTbCo. Co / Pt, Co / Ru, Co / Os, Co / Au, Ni / Cu, CoFeAl / Pd, and CoFeAl as the multilayered thin film in which the nonmagnetic metal and the magnetic metal are alternately stacked. / Pt, CoFeB / Pd, CoFeB / Pt, and the like. Examples of alloys having an L10 type crystal structure include Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Fe30Ni20Pt50, Co30Ni20Pt50, and the like. Examples of the cobalt-based alloys include CoCr, CoPt, CoCrPt, CoCrTa, CoCrPtTa, CoCrNb and CoFeB. Among these materials, the CoFeB monolayer can be formed thicker than the CoFeB, Co / Pt or Co / Pd multi-layer structure, and is easier to etch than metals such as Pt or Pd. The manufacturing process is easy. Therefore, the embodiment of the present invention forms a channel layer 140 using a CoFeB single layer, and CoFeB can be formed into amorphous and then textured into a BCC 100 by heat treatment.

분리층(150)은 채널층(140) 상에 형성되어 채널부(100)와 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)를 자기적으로 상호 분리시킨다. 즉, 분리층(150)이 형성됨으로써 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)와 채널층(140)의 자화는 서로 독립적으로 발생된다. 또한, 분리층(150)은 채널부(100)과 제어부(400)의 적어도 일부를 커플링시킬 수 있다. 즉, 제어부(400)는 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ)으로 형성될 수 있는데, 분리층(150)이 형성됨으로써 자기터널접합의 자유층과 채널층(140)의 커플링시켜 자유층의 자화 방향을 조절할 수 있다. 이러한 분리층(150)은 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)와 제어부(400)가 결정 성장할 수 있도록 하는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 분리층(150)은 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)와 제어부(400)가 원하는 결정 방향으로 성장할 수 있도록 한다. 예를 들어, 분리층(150)은 면심 입방 격자(Face Centered Cubic: FCC)의 (111) 방향 또는 육방 밀집 구조(Hexagonal Close-Packed Structure: HCP)의 (001) 방향으로 결정의 성장을 용이하게 하는 금속으로 형성될 수 있다. 이러한 분리층(150)은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분리층(150)은 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W)의 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 즉, 분리층(150)은 탄탈륨(Ta) 또는 텅스텐(W)으로 형성될 수도 있으며, Ta/W의 적층 구조로 형성할 수도 있다. 본 발명의 실시 예는 분리층(150)이 탄탈륨으로 형성된다. 한편, 분리층(150)은 0.3㎚∼0.6㎚의 두께로 형성할 수 있는데, Ta를 이용하는 경우 0.4㎚∼0.6㎚의 두께로 형성할 수 있고, W을 이용하는 경우 0.35㎚∼0.55㎚의 두께로 형성할 수 있다.The isolation layer 150 is formed on the channel layer 140 to magnetically isolate the channel portion 100 and the first and second magnetization control portions 200 and 300 from each other. That is, since the separation layer 150 is formed, the magnetizations of the first and second magnetization control parts 200 and 300 and the channel layer 140 are generated independently of each other. In addition, the separation layer 150 may couple at least a part of the channel section 100 and the control section 400. That is, the control unit 400 may be formed of a magnetic tunnel junction (MTJ). By forming the isolation layer 150, the free layer of the magnetic tunnel junction is coupled with the channel layer 140, The magnetization direction can be adjusted. The isolation layer 150 may be formed of a material that allows the first and second magnetization control units 200 and 300 and the control unit 400 to grow and grow. That is, the separation layer 150 allows the first and second magnetization control units 200 and 300 and the control unit 400 to grow in a desired crystal direction. For example, the separation layer 150 may facilitate crystal growth in a (111) direction of a face centered cubic (FCC) or a (001) direction of a hexagonal close-packed structure As shown in FIG. The isolation layer 150 may be formed of tantalum, ruthenium, titanium, palladium, platinum, magnesium, cobalt, aluminum and tungsten, ), Or an alloy thereof. For example, the isolation layer 150 may be formed of at least one of tantalum (Ta) and tungsten (W). That is, the isolation layer 150 may be formed of tantalum (Ta), tungsten (W), or a stacked structure of Ta / W. In an embodiment of the present invention, the isolation layer 150 is formed of tantalum. On the other hand, the separating layer 150 can be formed to a thickness of 0.3 nm to 0.6 nm. When Ta is used, the separating layer 150 can be formed to a thickness of 0.4 nm to 0.6 nm. When W is used, the separating layer 150 has a thickness of 0.35 nm to 0.55 nm .

2. 2. 제 11st  And 제 2Second 자화 조절부 The magnetization control unit

제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 채널부(100)의 양단에 서로 이격되도록 형성된다. 즉, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 채널부(100)의 양 끝으로부터 채널부(100)의 방향으로 소정 길이로 형성될 수 있고, 채널부(100)의 방향과 직교하는 방향으로 소정의 폭으로 형성될 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 동일한 길이 및 폭으로 형성될 수 있으며, 5㎚ 이하의 길이 및 폭으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 1㎚∼5㎚의 길이 및 폭으로 형성될 수 있으며, 길이 및 폭이 동일할 수도 있고, 어느 하나가 더 크거나 작을 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 서로 반대 방향의 자화를 갖도록 형성된다. 예를 들어, 제 1 자화 조절부(200)는 하측 방향(즉, 기판(110) 방향)의 자화를 가지며, 제 2 자화 조절부(200)는 상측 방향의 자화를 가진다. 또한, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 어느 하나가 데이터를 입력하고 다른 하나가 데이터를 출력한다. 즉, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 어느 하나가 채널층(140)에 전자를 주입하고 다른 하나가 채널층(140)에 축적된 전자를 출력한다. 예를 들어, 제 1 자화 조절부(200)가 데이터를 입력하여 채널층(140)에 축적되도록 하며, 제 2 자화 조절부(300)가 채널층(140)에 축적된 데이터를 출력한다. 이러한 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 초기 상태, 즉 리셋 상태에서 채널부(100)가 제 2 자화 조절부(300)의 자화 방향, 즉 상측 방향의 자화를 갖도록 하고, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 반복적으로 입력되는 데이터에 따라 채널부(100)가 순차적으로 하측 방향의 자화를 갖도록 할 수 있다. The first and second magnetization control units 200 and 300 are spaced apart from each other at both ends of the channel unit 100. That is, the first and second magnetization control units 200 and 300 may be formed to have a predetermined length in the direction of the channel unit 100 from both ends of the channel unit 100, As shown in Fig. At this time, the first and second magnetization control units 200 and 300 may be formed to have the same length and width, and may have a length and a width of 5 nm or less. For example, the first and second magnetization control units 200 and 300 may be formed to have a length and a width of 1 nm to 5 nm, and may have the same length and width, have. Also, the first and second magnetization control units 200 and 300 are formed to have magnetizations opposite to each other. For example, the first magnetization control unit 200 has magnetization in the downward direction (i.e., the substrate 110 direction) and the second magnetization control unit 200 has magnetization in the upward direction. Also, one of the first and second magnetization control units 200 and 300 inputs data and the other outputs data. That is, one of the first and second magnetization control units 200 and 300 injects electrons into the channel layer 140, and the other outputs electrons accumulated in the channel layer 140. For example, the first magnetization control unit 200 receives data and stores the data in the channel layer 140, and the second magnetization control unit 300 outputs the data stored in the channel layer 140. The first and second magnetization control units 200 and 300 may be configured such that the channel unit 100 has the magnetization in the magnetization direction of the second magnetization control unit 300 in the initial state, The channel unit 100 can sequentially have downward magnetization according to data repeatedly input through the one-magnetization control unit 200. [

이러한 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)은 동일 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 자화 조절부(200)는 제 1 자성층(210), 제 1 비자성층(220) 및 제 2 자성층(230)과 제 1 전극(240)의 적층 구조를 가질 수 있고, 제 2 자화 조절부(200)는 제 3 자성층(310), 제 2 비자성층(320) 및 제 4 자성층(330)과 제 2 전극(340)의 적층 구조를 가질 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 자성층(210, 230)은 제 1 비자성층(220)을 매개로 반강자성적으로 결합되고, 제 3 및 제 4 자성층(310, 330)은 제 2 비자성층(320)을 매개로 반강자성적으로 결합된다. 또한, 제 1 및 제 2 자성층(210, 230)의 자화 방향은 반평행하게 배열되고, 제 3 및 제 4 자성층(310, 330)의 자화 방향 또는 반평행하게 배열된다. 예를 들어, 제 1 자성층(210)은 하측 방향(즉, 기판(110) 방향)으로 자회되고, 제 2 자성층(230)은 상측 방향(즉, 제 1 전극(240) 방향)으로 자화될 수 있다. 이에 비해, 제 3 자성층(310)은 상측 방향(즉, 제 2 전극(340) 방향)으로 자화되고, 제 4 자성층(330)은 하측 방향(즉, 기판(110) 방향)으로 자화될 수 있다. 따라서, 제 1 자화 조절부(200)는 채널부(100)의 자화 방향을 하측 방향으로 고정 또는 변경시킬 수 있으며, 제 2 자화 조절부(300)는 채널부(100)의 자화 방향을 상측 방향으로 고정 또는 변경시킬 수 있다.The first and second magnetization controllers 200 and 300 may have the same structure. For example, the first magnetization control unit 200 may have a laminated structure of the first magnetic layer 210, the first non-magnetic layer 220 and the second magnetic layer 230 and the first electrode 240, The two-magnetization control unit 200 may have a laminated structure of the third magnetic layer 310, the second nonmagnetic layer 320, the fourth magnetic layer 330, and the second electrode 340. The first and second magnetic layers 210 and 230 are antiferromagnetically coupled through the first nonmagnetic layer 220 and the third and fourth magnetic layers 310 and 330 are coupled to the second non- As shown in FIG. The magnetization directions of the first and second magnetic layers 210 and 230 are arranged antiparallel and arranged in the magnetization direction of the third and fourth magnetic layers 310 and 330 or antiparallel to each other. For example, the first magnetic layer 210 may be magnetized in a downward direction (i.e., in the direction of the substrate 110) and the second magnetic layer 230 may be magnetized in an upward direction (i.e., in the direction of the first electrode 240) have. The third magnetic layer 310 may be magnetized in the upward direction (i.e., the second electrode 340 direction) and the fourth magnetic layer 330 may be magnetized in the downward direction (i.e., in the direction of the substrate 110) . The magnetization direction of the channel section 100 may be fixed or changed in the downward direction and the magnetization direction of the channel section 100 may be changed in the upward direction As shown in FIG.

제 1 및 제 2 자성층(210, 230)과 제 3 및 제 4 자성층(310, 330)은 각각 자성 금속과 비자성 금속이 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 자성 금속으로 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금이 이용될 수 있고, 비자성 금속으로 크롬(Cr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 금(Au) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금이 이용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 자성층(210, 230)과 제 3 및 제 4 자성층(310, 330)은 각각 [Co/Pd]n, [Co/Pt]n 또는 [CoFe/Pt]n (여기서, n은 1 이상의 정수)로 형성될 수 있다. 바람직하게 제 1 및 제 2 자성층(210, 230)과 제 3 및 제 4 자성층(310, 330)은 [Co/Pt]n으로 형성될 수 있으며, 자화 방향이 수직으로 되어있어 제 1 및 제 3 자성층(210, 310)과 채널층(140)이 분리층(150)을 통해 커플링되어 채널층(140)이 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)와 동일한 자화 방향을 갖는다. 한편, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)는 [Co/Pt]n의 반복 횟수와 증착 순서를 변경하여 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)의 자화 방향이 서로 반대되도록 하여 채널부(100) 내의 자화 방향을 변경할 수 있다. 예를 들어, 제 1 자성층(210)의 [Co/Pt]n 반복 횟수를 제 3 자성층(310)보다 적게하고, 제 2 자성층(230)의 [Co/Pt]n 반복 횟수를 제 4 자성층(330)보다 많게 하여 자화 방향이 서로 반대가 되도록 할 수 있다. 즉, 제 1 자성층(210)의 [Co/Pt]n 반복 횟수를 제 2 자성층(230)보다 적게하고, 제 3 자성층(310)의 [Co/Pt]n 반복 횟수를 제 4 자성층(330)보다 많게 하여 이들 자성층들의 자화 방향을 서로 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 자성층(210)을 [Co/Pt]3으로 형성하고 제 2 자성층(230)을 [Co/Pt]6으로 형성하여 제 1 자성층(210)이 하측 방향의 자화를 갖고 제 2 자성층(230)이 상측 방향의 자화를 가질 수 있다. 또한, 제 3 자성층(310)을 [Co/Pt]6으로 형성하고 제 4 자성층(330)을 [Co/Pt]3으로 형성하여 제 3 자성층(310)이 상측 방향의 자화를 갖고 제 4 자성층(330)이 하측 방향의 자화를 가질 수 있다. 따라서, 제 1 자화 조절부(200)가 하측 방향의 자화를 갖고 제 2 자화 조절부(300)가 상측 방향의 자화를 가질 수 있다.The first and second magnetic layers 210 and 230 and the third and fourth magnetic layers 310 and 330 may be formed by alternately stacking a magnetic metal and a non-magnetic metal. As the magnetic metal, a single metal selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co) and nickel (Ni), or an alloy thereof may be used. As the nonmagnetic metal, chromium (Cr), platinum A single metal selected from the group consisting of palladium (Pd), iridium (Ir), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au) Can be used. For example, the first and second magnetic layers 210 and 230 and the third and fourth magnetic layers 310 and 330 may be formed of [Co / Pd] n, [Co / Pt] n or [CoFe / Here, n may be an integer of 1 or more). Preferably, the first and second magnetic layers 210 and 230 and the third and fourth magnetic layers 310 and 330 may be formed of [Co / Pt] n, The magnetic layers 210 and 310 and the channel layer 140 are coupled through the separation layer 150 so that the channel layer 140 has the same magnetization direction as the first and second magnetization control portions 200 and 300. Meanwhile, the first and second magnetization controllers 200 and 300 may change the number of repetitions of [Co / Pt] n and the order of deposition so that the magnetization directions of the first and second magnetization controllers 200 and 300 are opposite to each other So that the magnetization direction in the channel section 100 can be changed. For example, the number of [Co / Pt] n repetitions of the first magnetic layer 210 is made smaller than that of the third magnetic layer 310, and the number of repetitions of [Co / Pt] n of the second magnetic layer 230 is made smaller than that of the fourth magnetic layer 330) so that the magnetization directions are opposite to each other. That is, the [Co / Pt] n repetition number of the first magnetic layer 210 is made smaller than the second magnetic layer 230, and the [Co / Pt] n repetition number of the third magnetic layer 310 is set to be the fourth magnetic layer 330 The magnetization directions of these magnetic layers can be made different from each other. For example, when the first magnetic layer 210 is formed of [Co / Pt] 3 and the second magnetic layer 230 is formed of [Co / Pt] 6 so that the first magnetic layer 210 has magnetization in the downward direction 2 magnetic layer 230 can have magnetization in the upward direction. The third magnetic layer 310 is formed of [Co / Pt] 6 and the fourth magnetic layer 330 is formed of [Co / Pt] 3 so that the third magnetic layer 310 has the magnetization in the up- (330) may have magnetization in the downward direction. Therefore, the first magnetization control unit 200 has the magnetization in the lower direction and the second magnetization control unit 300 can have the magnetization in the upper direction.

제 1 비자성층(220)은 제 1 자성층(210)과 제 2 자성층(230)의 사이에 형성되며, 제 2 비자성층(320)은 제 3 자성층(310)과 제 4 자성층(330) 사이에 형성된다. 이러한 제 1 및 제 2 비자성층(220, 320)은 각각 제 1 및 제 2 자성층(210, 230)과 제 3 및 제 4 자성층(310, 330)이 반자성 결합을 할 수 있도록 하는 비자성 물질로 형성된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 비자성층(220, 320)은 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 레늄(Re) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.The first nonmagnetic layer 220 is formed between the first magnetic layer 210 and the second magnetic layer 230 and the second nonmagnetic layer 320 is formed between the third magnetic layer 310 and the fourth magnetic layer 330 . The first and second nonmagnetic layers 220 and 320 may be formed of a nonmagnetic material that allows the first and second magnetic layers 210 and 230 and the third and fourth magnetic layers 310 and 330 to perform a semi- . For example, the first and second nonmagnetic layers 220 and 320 may be formed of a single or a mixture of two or more of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), rhenium (Re) Alloy.

한편, 제 1 및 제 2 전극(240, 340)은 제 2 및 제 4 자성층(230, 330) 상에 각각 형성된다. 이러한 제 1 및 제 2 전극(240, 340)은 외부와의 데이터 입출력을 위해 외부와 연결될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 전극(240, 340)을 통해 전자가 주입되거나 출력될 수 있다. 이러한 제 1 및 제 2 전극(240, 340)은 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 금속, 금속 산화물, 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전극(240, 340)은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.Meanwhile, the first and second electrodes 240 and 340 are formed on the second and fourth magnetic layers 230 and 330, respectively. The first and second electrodes 240 and 340 may be connected to the outside for data input / output with the outside. That is, electrons may be injected or outputted through the first and second electrodes 240 and 340. The first and second electrodes 240 and 340 may be formed using a conductive material, such as a metal, a metal oxide, a metal nitride, or the like. For example, the first and second electrodes 240 and 340 may be formed of tantalum (Ta), ruthenium (Ru), titanium (Ti), palladium (Pd), platinum (Pt), magnesium (Mg) Or a single metal selected from the group consisting of alloys thereof.

3. 3. 제어부The control unit

제어부(400)는 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300) 사이의 채널부(100) 상에 형성된다. 제어부(400)는 채널부(100)의 길이 방향으로 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)의 폭보다 좁은 폭으로 형성될 수 있다. 이러한 제어부(400)는 채널부(100)에 임계값 이상이 데이터가 축적된 경우 이를 출력한다. 즉, 제어부(400)는 채널부(100)에 인가되는 전류보다 크게 증폭시켜 전류를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는 채널부(100) 길이(L)의 1/5 내지 1/10의 폭(w)으로 형성되어 도메인월 이동에 따른 전류 증폭의 임계값을 결정할 수 있다. 이러한 제어부(400)는 제어부(400)와 중첩되는 영역의 채널부(100)와 커플링되어 자화 방향이 변경되며, 설정된 양으로 데이터가 축적된 후 제어부(400)와 채널부(100)의 자화 방향이 동일하게 되어 데이터를 출력한다. 또한, 채널부(100)의 데이터 축적 횟수, 즉 데이터 축적량은 제어부(400)의 폭과, 제 1 자화 조절부(200)와 제어부(400) 사이의 거리에 의해 결정될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 자화 조절부(200) 사이의 채널부(100)의 길이, 즉 채널 길이를 L이라 하고, 제 1 자화 조절부(200)와 제어부(400) 사이의 거리를 a, 제어부(400)와 제 2 자화 조절부(300) 사이의 거리를 b, 제어부(400)의 폭을 w라 할 때 L=a+b+w일 수 있고, a는 21w 이상 210w 이하일 수 있다. 이때, 제어부(400)의 폭(w)은 1회의 입력 펄스에 의해 수직형 자기터널접합의 자유층이 스위칭될 수 있는 폭을 가져야 한다. 또한, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 데이터가 1회 입력되면 제어부(400)의 폭만큼 자화 방향이 변경되고 그에 따라 제어부(400)의 폭만큼 도메인월이 이동하므로 제어부(400)의 폭(w)과 제 1 자화 조절부(200)와 제어부(400) 사이의 거리(a)에 따라 축적되는 데이터의 양이 결정될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 뉴런 소자는 채널부(100)에 21 이상 210 이하의 데이터를 축적할 수 있다. 즉, 실질적으로 데이터가 축적되는 제 1 자화 조절부(200)와 제어부(400) 사이의 채널부(100)에는 둘 이상 210 이하의 데이터가 축적될 수 있다. 물론, 채널부(100)에 축적되는 데이터는 제 1 자화 조절부(200)를 통해 인가되는 펄스의 폭 및 높이에 따라 조절될 수도 있다. 즉, 펄스의 폭이 짧거나 높이가 낮을수록 축적되는 데이터의 수는 증가하고 이와 반대로 펄스이 폭이 길거나 높이가 높을수록 축적되는 데이터의 수는 감소하게 된다. 이때, 펄스의 폭은 10ns 이하, 펄스의 높이, 즉 전압은 1V 미만일 수 있다. 한편, 뉴런 소자는 상기한 바와 같이 전압 구동이 가능하며, 전류 구동 또한 가능할 수 있다. 전류 구동의 경우 2mA 이하로 인가될 수 있다.The control unit 400 is formed on the channel unit 100 between the first and second magnetization control units 200 and 300. The control unit 400 may be formed to have a width narrower than the width of the first and second magnetization control units 200 and 300 in the longitudinal direction of the channel unit 100. [ The control unit 400 outputs the data stored in the channel unit 100 when the data exceeds a threshold value. That is, the controller 400 amplifies the current to a greater extent than the current applied to the channel unit 100, and outputs the current. For example, the control unit 400 may be formed to have a width w of 1/5 to 1/10 of the length L of the channel unit 100 to determine the threshold value of the current amplification according to the domain wall movement. The control unit 400 is coupled with the channel unit 100 of the region overlapping with the control unit 400 to change the magnetization direction of the channel unit 100. After the data is stored in a predetermined amount, And the data is outputted in the same direction. The number of times of data accumulation in the channel unit 100, that is, the data accumulation amount may be determined by the width of the control unit 400 and the distance between the first magnetization control unit 200 and the control unit 400. That is, as shown in FIG. 2, the length of the channel unit 100 between the first and second magnetization control units 200, that is, the channel length is L, and the first magnetization control unit 200 and the control unit 400 A + b + w, where a is the distance between the control unit 400 and the second magnetization control unit 300, b is the width of the control unit 400, and a is a 2 1 w or more and 2 10 w or less. At this time, the width (w) of the control unit 400 should be such that the free layer of the vertical magnetic tunnel junction can be switched by one input pulse. If the data is inputted once through the first magnetization controller 200, the magnetization direction is changed by the width of the controller 400 and the domain wall is moved by the width of the controller 400, the amount of data accumulated according to the distance a between the first magnetization control unit 200 and the control unit 400 can be determined. Therefore, the neuron device according to the present invention can store 2 1 or more and 2 10 or less data in the channel section 100. That is, two to ten or more of data may be accumulated in the channel section 100 between the first magnetization control section 200 and the control section 400 where data is substantially accumulated. Of course, the data accumulated in the channel unit 100 may be adjusted according to the width and the height of the pulse applied through the first magnetization control unit 200. That is, the shorter the pulse width or the lower the height, the larger the number of accumulated data. On the contrary, the longer the pulse width or the higher the height, the smaller the number of accumulated data. At this time, the width of the pulse may be 10 ns or less and the height of the pulse, that is, the voltage may be less than 1 V. On the other hand, the neuron element can be voltage-driven as described above, and can also be current-driven. In case of current driving, it can be applied to 2mA or less.

이러한 제어부(400)는 터널자기접합 구조로 형성될 수 있다. 즉, 제어부(400)는 자유층(410), 터널링 배리어(420) 및 고정층(430)이 적층된 자기터널접합을 포함할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 자기터널접합 상에 형성된 캐핑층(440), 합성 교환 반자성층(450) 및 제 3 전극(460)을 더 포함할 수 있다. 합성 교환 반자성층(450)은 제 5 자성층(451), 제 3 비자성층(452) 및 제 6 자성층(453을 포함할 수 있다. 특히, 자유층(410)은 터널링 배리어(420)에 의해 고정층(430)과 분리되고, 그 하부의 채널층(140)과 분리층(150)을 통해 분리되어 채널층(140)의 자화 방향과 커플링된다. 따라서, 자유층(410)은 채널층(140)의 자화 방향에 따라 자화 방향이 변경될 수 있다. 이를 통해 고정층(430)와 자유층(410)의 자화 ?항이 평행(RP)하거나 반평행(RAP)한 상태에 따라 터널자기저항비(TMR ratio)가 나타나며, 반평행 상태에서 평행 상태로 변경될 때 전류를 증폭, 즉 발화(fire)시킬 수 있다.The control unit 400 may be formed of a tunnel magnetic bonding structure. That is, the control unit 400 may include a magnetic tunnel junction in which a free layer 410, a tunneling barrier 420, and a pinned layer 430 are stacked. The control unit 400 may further include a capping layer 440 formed on the magnetic tunnel junction, a composite exchange ferromagnetic layer 450, and a third electrode 460. The composite exchange semi-magnetic layer 450 may include a fifth magnetic layer 451, a third nonmagnetic layer 452 and a sixth magnetic layer 453. Particularly, the free layer 410 is formed by a tunneling barrier 420, The free layer 410 is separated from the channel layer 140 and is separated from the channel layer 140 under the channel layer 140 and the isolation layer 150 and is coupled with the magnetization direction of the channel layer 140. Accordingly, The tunneling magnetoresistance ratio (TMR) of the fixed layer 430 and the free layer 410 can be changed according to the magnetization direction of the pinned layer 430 and the free layer 410 in parallel (RP) or antiparallel (RAP) ratio, and the current can be amplified, that is, fired, when it is changed from the antiparallel state to the parallel state.

자유층(410)은 분리층(150) 상에 형성되고, 자화가 한 방향으로 고정되지 않고 일 방향에서 이와 대향되는 타 방향으로 변화될 수 있다. 즉, 자유층(410)은 고정층(430)과 자화 방향이 동일(즉 평행)할 수 있고, 반대(즉 반평행)일 수도 있다. 또한, 자유층(410)은 분리층(150)에 의해 채널층(140)과 커플링되어 채널층(140)의 자화 방향에 따라 자유층(410)의 자화 방향이 변경될 수 있다. 따라서, 채널층(140)의 자화 방향에 따라 자유층(410)의 자화 방향이 고정층(430)과 동일할 경우 채널층(140)에 축적된 데이터를 증폭시켜 출력할 수 있다. 즉, 소정 횟수의 데이터가 채널층(140)에 축적되어 제어부(400) 하부의 채널층(140)의 자화 방향이 변경되어 자유층(410)의 자화 방향이 고정층(430)과 동일하게 되면 채널층(140)에 축적된 데이터를 제 2 자화 조절부(300)를 통해 출력하게 된다. 이러한 자유층(410)은 강자성체 물질로 형성되는데, 예를 들어 풀-호이슬러(Full-Heusler) 반금속 계열의 합금, 비정질계 희토류 원소 합금, 자성 금속(ferromagnetic metal)과 비자성 금속(nonmagnetic matal)이 교대로 적층된 다층 박막, L10형 결정 구조를 갖는 합금 또는 코발트계 합금 등의 강자성체 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 풀-호이슬러 반금속 계열의 합금으로는 CoFeAl, CoFeAlSi 등이 있고, 비정질계 희토류 원소 합금으로는 TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCo 등의 합금이 있다. 또한, 비자성 금속과 자성 금속이 교대로 적층된 다층 박막으로는 Co/Pt, Co/Pd, CoCr/Pt, Co/Ru, Co/Os, Co/Au, Ni/Cu, CoFeAl/Pd, CoFeAl/Pt, CoFeB/Pd, CoFeB/Pt 등이 있다. 그리고, L10형 결정 구조를 갖는 합금으로는 Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Fe30Ni20Pt50, Co30Ni20Pt50 등이 있다. 또한, 코발트계 합금으로는 CoCr, CoPt, CoCrPt, CoCrTa, CoCrPtTa, CoCrNb, CoFeB 등이 있다. 이러한 물질들 중에서 CoFeB 단일층은 CoFeB와 Co/Pt 또는 Co/Pd의 다층 구조에 비해 두껍게 형성될 수 있어 자기 저항비를 증가시킬 수 있다. 또한, CoFeB는 Pt 또는 Pd 등과 같은 금속보다 식각이 용이하므로 CoFeB 단일층은 Pt 또는 Pd 등이 함유된 다층 구조에 비해 제조 공정이 용이하다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 CoFeB 단일층을 이용하여 자유층(410)을 형성하며, CoFeB는 비정질로 형성된 후 열처리에 의해 BCC(100)으로 텍스처링(texturing)된다.The free layer 410 is formed on the separation layer 150 and the magnetization can be changed from one direction to the opposite direction opposite thereto without being fixed in one direction. That is, the free layer 410 may have the same (or parallel) magnetization direction as the pinned layer 430 and vice versa (i.e., antiparallel). The free layer 410 may be coupled to the channel layer 140 by the isolation layer 150 to change the magnetization direction of the free layer 410 according to the magnetization direction of the channel layer 140. Therefore, if the magnetization direction of the free layer 410 is the same as the fixed layer 430 according to the magnetization direction of the channel layer 140, the data accumulated in the channel layer 140 can be amplified and output. That is, when a predetermined number of data is accumulated in the channel layer 140 to change the magnetization direction of the channel layer 140 under the control unit 400 and the magnetization direction of the free layer 410 becomes the same as the fixed layer 430, And the data stored in the layer 140 is output through the second magnetization control unit 300. The free layer 410 is formed of a ferromagnetic material, for example, a Full-Heusler semi-metal based alloy, an amorphous rare earth element alloy, a ferromagnetic metal, and a nonmagnetic metal ) Alternately stacked multilayer thin films, alloys having an L10 type crystal structure, or cobalt-based alloys. Examples of the alloys of the full-Hoesler semi-metal series include CoFeAl and CoFeAlSi, and amorphous rare earth element alloys include alloys such as TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo and GdTbCo. Co / Pt, Co / Ru, Co / Os, Co / Au, Ni / Cu, CoFeAl / Pd, and CoFeAl as the multilayered thin film in which the nonmagnetic metal and the magnetic metal are alternately stacked. / Pt, CoFeB / Pd, CoFeB / Pt, and the like. Examples of alloys having an L10 type crystal structure include Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Fe30Ni20Pt50, Co30Ni20Pt50, and the like. Examples of the cobalt-based alloys include CoCr, CoPt, CoCrPt, CoCrTa, CoCrPtTa, CoCrNb and CoFeB. Among these materials, the CoFeB single layer can be formed thicker than the multi-layer structure of CoFeB and Co / Pt or Co / Pd, thereby increasing the magnetoresistance ratio. In addition, since CoFeB is easier to etch than metals such as Pt or Pd, the CoFeB single layer is easier to manufacture than a multilayer structure containing Pt or Pd. Thus, an embodiment of the present invention forms a free layer 410 using a CoFeB monolayer, and the CoFeB is formed into amorphous and then textured into the BCC 100 by heat treatment.

터널링 배리어(420)는 자유층(410) 상에 형성되어 자유층(410)과 고정층(430)을 분리한다. 터널링 배리어(420)는 자유층(410)과 고정층(430) 사이에 양자 기계적 터널링(quantum mechanical tunneling)이 가능하게 한다. 이러한 터널링 배리어(420)는 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 탄탈륨산화물(Ta2O5), 실리콘 질화물(SiNx) 또는 알루미늄 질화물(AlNx) 등으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 터널링 배리어(420)로 다결정의 마그네슘 산화물을 이용한다. 마그네슘 산화물은 이후 열처리에 의해 BCC(100)으로 텍스처링된다.A tunneling barrier 420 is formed on the free layer 410 to separate the free layer 410 and the pinned layer 430. The tunneling barrier 420 enables quantum mechanical tunneling between the free layer 410 and the pinned layer 430. The tunneling barrier 420 is magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3), silicon oxide (SiO 2), tantalum oxide (Ta 2 O 5), silicon nitride (SiNx) or aluminum nitride (AlNx), etc. As shown in FIG. In an embodiment of the present invention, polycrystalline magnesium oxide is used as the tunneling barrier 420. The magnesium oxide is then textured to the BCC 100 by heat treatment.

고정층(430)은 터널 배리어(420) 상에 형성된다. 고정층(430)은 소정 범위 내의 자기장에서 자화가 한 방향으로 고정되며, 강자성체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부에서 하부로 향하는 방향으로 자화가 고정될 수 있다. 이러한 고정층(430)은 예를 들어 풀-호이슬러(Full-Heusler) 반금속 계열의 합금, 비정질계 희토류 원소 합금, 자성 금속과 비자성 금속이 교대로 적층된 다층 박막 또는 L10형 결정 구조를 갖는 합금 등의 강자성체 물질로 형성될 수 있다. 이때, 고정층(430)은 자유층(410)과 동일한 강자성체로 형성될 수 있으며, 바람직하게 CoFeB 단일층으로 형성될 수 있다.The pinned layer 430 is formed on the tunnel barrier 420. The pinned layer 430 is fixed in one direction in a magnetic field in a predetermined range, and may be formed of a ferromagnetic material. For example, the magnetization may be fixed in the direction from the top to the bottom. The pinned layer 430 may be formed of, for example, a Full-Heusler semimetal alloy, an amorphous rare earth element alloy, a multilayer thin film in which a magnetic metal and a non-magnetic metal are alternately stacked, Alloy or the like. At this time, the pinned layer 430 may be formed of the same ferromagnetic material as that of the free layer 410, and may be formed of a single CoFeB layer.

캐핑층(440)은 고정층(430) 상에 형성되어 고정층(430)과 합성 교환 반자성층(450)을 자기적으로 상호 분리시킨다. 캐핑층(440)이 형성됨으로써 합성 교환 반자성층(450)과 고정층(430)의 자화는 서로 독립적으로 발생된다. 또한, 캐핑층(440)은 자기 터널 접합의 동작을 위해 자유층(410)과 고정층(430)의 자기 저항비를 고려하여 형성할 수 있다. 이러한 캐핑층(440)은 합성 교환 반자성층(450)이 결정 성장할 수 있도록 하는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 캐핑층(440)은 합성 교환 반자성층(450)의 결정 방향으로 성장할 수 있도록 한다. 예를 들어, 면심 입방 격자(Face Centered Cubic: FCC)의 (111) 방향 또는 육방 밀집 구조(Hexagonal Close-Packed Structure: HCP)의 (001) 방향으로 결정의 성장을 용이하게 하는 금속으로 형성될 수 있다. 이러한 캐핑층(440)은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게, 캐핑층(440)은 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W)의 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 즉, 캐핑층(440)은 탄탈륨(Ta) 또는 텅스텐(W)으로 형성될 수도 있으며, Ta/W의 적층 구조로 형성할 수도 있다. 본 발명의 실시 예는 캐핑층(440)이 탄탈륨으로 형성된다. 한편, 이러한 캐핑층(440)은 0.3㎚∼0.6㎚의 두께로 형성할 수 있는데, Ta를 이용하는 경우 0.4㎚∼0.6㎚의 두께로 형성할 수 있고, W을 이용하는 경우 0.35㎚∼0.55㎚의 두께로 형성할 수 있다. The capping layer 440 is formed on the pinned layer 430 to magnetically separate the pinned layer 430 and the composite exchangeable semiconductive layer 450. By forming the capping layer 440, the magnetization of the composite exchangeable semi-magnetic layer 450 and the pinned layer 430 are generated independently of each other. The capping layer 440 may be formed in consideration of the magnetoresistance ratio of the free layer 410 and the pinned layer 430 for the operation of the magnetic tunnel junction. Such a capping layer 440 may be formed of a material that allows the synthetic exchangeable semiconductive layer 450 to undergo crystal growth. That is, the capping layer 440 allows it to grow in the crystallographic direction of the composite exchange-bismuth layer 450. For example, it may be formed of a metal that facilitates crystal growth in a (111) direction of a face centered cubic (FCC) or a (001) direction of a hexagonal close-packed structure have. The capping layer 440 may be formed of one of tantalum (Ta), ruthenium (Ru), titanium (Ti), palladium (Pd), platinum (Pt), magnesium (Mg), cobalt ), Or an alloy thereof. Preferably, the capping layer 440 may be formed of at least one of tantalum (Ta) and tungsten (W). That is, the capping layer 440 may be formed of tantalum (Ta) or tungsten (W), or may be formed of a stacked structure of Ta / W. In an embodiment of the present invention, the capping layer 440 is formed of tantalum. On the other hand, the capping layer 440 can be formed to a thickness of 0.3 nm to 0.6 nm. When Ta is used, the capping layer 440 can be formed to a thickness of 0.4 nm to 0.6 nm. When W is used, a thickness of 0.35 nm to 0.55 nm .

합성 교환 반자성층(450)은 캐핑층(440) 상에 형성된다. 합성 교환 반자성층(450)은 고정층(430)의 자화를 고정시키는 역할을 한다. 이러한 합성 교환 반자성층(450)은 제 5 자성층(451), 제 6 비자성층(452) 및 제 6 자성층(453)을 포함한다. 이러한 합성 교환 반자성층(450)은 제 5 자성층(451)과 제 6 자성층(453)이 제 3 비자성층(452)을 매개로 반강자성적으로 결합된다. 이때, 제 5 자성층(451)과 제 6 자성층(453)의 자화 방향은 반평행하게 배열된다. 예를 들어, 제 5 자성층(451)은 하측 방향(즉, 기판(110) 방향)으로 자회되고, 제 6 자성층(453)은 상측 방향(즉, 제 3 전극(460) 방향)으로 자화될 수 있다. 제 5 자성층(451) 및 제 6 자성층(453)은 자성 금속과 비자성 금속이 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 자성 금속으로 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금이 이용될 수 있고, 비자성 금속으로 크롬(Cr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 금(Au) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금이 이용될 수 있다. 예를 들어, 제 5 자성층(451) 및 제 6 자성층(453)은 [Co/Pd]n, [Co/Pt]n 또는 [CoFe/Pt]n (여기서, n은 1 이상의 정수)로 형성될 수 있다. 제 3 비자성층(452)은 제 5 자성층(451)과 제 6 자성층(453)의 사이에 형성되며, 제 5 자성층(451) 및 제 6 자성층(453)이 반자성 결합을 할 수 있도록 하는 비자성 물질로 형성된다. 예를 들어, 제 3 비자성층(452)은 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 레늄(Re) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.A composite exchangeable semi-magnetic layer 450 is formed on the capping layer 440. The composite exchangeable semi-magnetic layer 450 serves to fix the magnetization of the pinned layer 430. This composite exchangeable semi-magnetic layer 450 includes a fifth magnetic layer 451, a sixth nonmagnetic layer 452, and a sixth magnetic layer 453. In this synthetic exchange ferromagnetic layer 450, the fifth magnetic layer 451 and the sixth magnetic layer 453 are antiferromagnetically coupled via the third nonmagnetic layer 452. At this time, the magnetization directions of the fifth magnetic layer 451 and the sixth magnetic layer 453 are arranged antiparallel. For example, the fifth magnetic layer 451 may be magnetized in the downward direction (i.e., in the direction of the substrate 110) and the sixth magnetic layer 453 may be magnetized in the upward direction (i.e., in the direction of the third electrode 460) have. The fifth magnetic layer 451 and the sixth magnetic layer 453 may be formed by alternately stacking a magnetic metal and a non-magnetic metal. As the magnetic metal, a single metal selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co) and nickel (Ni), or an alloy thereof may be used. As the nonmagnetic metal, chromium (Cr), platinum A single metal selected from the group consisting of palladium (Pd), iridium (Ir), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au) Can be used. For example, the fifth magnetic layer 451 and the sixth magnetic layer 453 may be formed of [Co / Pd] n, [Co / Pt] n or [CoFe / Pt] n . The third nonmagnetic layer 452 is formed between the fifth magnetic layer 451 and the sixth magnetic layer 453 and has a nonmagnetic property that allows the fifth magnetic layer 451 and the sixth magnetic layer 453 to perform a half- Lt; / RTI > For example, the third nonmagnetic layer 452 may be formed of a single material selected from the group consisting of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), rhenium (Re), and chromium have.

한편, 제 3 전극(460)은 제 6 자성층(453) 상에 형성된다. 이러한 제 3 전극(460)은 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 금속, 금속 산화물, 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극(460)은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.On the other hand, the third electrode 460 is formed on the sixth magnetic layer 453. The third electrode 460 may be formed using a conductive material, such as a metal, a metal oxide, a metal nitride, or the like. For example, the third electrode 460 may be selected from the group consisting of tantalum (Ta), ruthenium (Ru), titanium (Ti), palladium (Pd), platinum (Pt), magnesium (Mg) A single metal, or an alloy thereof.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자는 채널부(100) 상에 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)가 소정 간격 이격되어 마련되고, 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300) 사이에 자기터널접합을 포함하는 제어부(400)가 마련된다. 이러한 뉴런 소자는 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300)가 서로 반대 방향으로 자화되고, 초기 상태에서 제어부(400)의 자유층(410)과 고정층(430)의 자화 방향이 반대가 되도록 채널부(100)의 자화 방향을 설정한다. 그리고, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 소정 펄스의 전류, 즉 데이터가 입력되면 예를 들어 제어부(400)의 폭만큼 채널부(100)의 자화 방향이 변경되고, 그에 따라 도메인월이 제어부(400) 방향으로 이동된다. 이렇게 소정 펄스의 전류, 즉 데이터가 복수 인가되어 채널부(100)에 축적(integrate)된다. 복수의 데이터가 입력된 후 제어부(400) 하부의 채널부(100)의 자화 방향이 변경되고 그에 따라 자유층(410)의 자화 방향이 고정층(430)의 자화 방향과 동일하게 되면 채널부(100)에 축적된 복수의 데이터가 제 2 자화 조절부(300)를 통해 출력된다. 즉, 제어부(400)에 의해 전류가 증폭, 즉 발화되어 출력된다. 그리고, 제 1 자화 조절부(200)와 제 2 자화 조절부(300) 사이에 소정의 전류를 인가하면 제 2 자화 조절부(300)의 자화 방향으로 채널부(100)의 자화 방향이 변경되어 초기 상태로 리셋된다.As described above, the neuron device according to an embodiment of the present invention includes the first and second magnetization control units 200 and 300 spaced apart from each other by a predetermined distance on the channel unit 100, A control unit 400 including a magnetic tunnel junction is provided between the units 200 and 300. In this neuron element, the first and second magnetization control parts 200 and 300 are magnetized in directions opposite to each other, and in the initial state, the magnetization direction of the free layer 410 and the pinned layer 430 of the control part 400 are opposite to each other The magnetization direction of the channel section 100 is set. When a predetermined pulse current, that is, data, is input through the first magnetization control unit 200, the magnetization direction of the channel unit 100 is changed by the width of the controller 400, for example, (400). In this way, a plurality of currents, i.e., data, of a predetermined pulse are applied and integrated in the channel unit 100. If the magnetization direction of the channel section 100 under the control section 400 is changed and the magnetization direction of the free layer 410 becomes equal to the magnetization direction of the fixed layer 430 after the plurality of data are inputted, Are output through the second magnetization control unit 300. The second magnetization control unit 300 generates a plurality of data. That is, the current is amplified, that is, ignited and output by the control unit 400. When a predetermined current is applied between the first magnetization control unit 200 and the second magnetization control unit 300, the magnetization direction of the channel unit 100 is changed in the magnetization direction of the second magnetization control unit 300 Reset to the initial state.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 제 1 및 제 2 자화 조절부의 자성 특성을 확인하기 위해 다음과 같은 구조를 제작하였다. 즉, SiO2 기판 상에 Ta 버퍼층, MgO 시드층, Co2Fe6B2 채널층, Ta 분리층, [Co/Pt] 하부 자성층, Ru 비자성층, [Co/Pt] 상부 자성층 및 전극을 적층하여 형성하였다. 여기서, iO2 기판 상에 형성된 Ta 버퍼층, MgO 시드층, Co2Fe6B2 채널층, Ta 분리층은 채널부(100)에 해당한다. 또한, 하부 자성층은 제 1 및 제 2 자화 조절부의 제 1 및 제 3 자성층에 각각 해당하며, 상부 자성층은 제 1 및 제 2 자화 조절부의 제 2 및 제 4 자성층에 각각 해당한다. 이때, 제 1 및 제 2 자화 조절부은 모든 조건을 동일하게 형성하고, 하부 및 상부 자성층의 두께만 다르게 형성하였다. 즉, 제 1 자화 조절부은 제 1 자성층을 [Co/Pt]3으로 형성하고 제 2 자성층을 [Co/Pt]6으로 형성하였고, 제 2 자화 조절부은 제 3 자성층을 [Co/Pt]6으로 형성하고 제 4 자성층을 [Co/Pt]3으로 형성하였다. 즉, 제 1 자화 조절부의 제 1 및 제 2 자성층은 [Co/Pt]를 3회 및 6회 반복하여 형성하였고, 제 2 자화 조절부의 제 3 및 제 4 자성층은 [Co/Pt]를 6회 및 3회 반복하여 형성하였다. 이때, 단일층의 Co는 0.4㎚로 형성하고 Pt는 0.3㎚로 형성하였다. In order to confirm the magnetic characteristics of the first and second magnetization control parts of the neuron device according to an embodiment of the present invention, the following structure was made. That is, SiO 2 [Co / Pt] lower magnetic layer, a Ru nonmagnetic layer, a [Co / Pt] upper magnetic layer, and an electrode were laminated on a substrate, on which a Ta buffer layer, an MgO seed layer, a Co 2 Fe 6 B 2 channel layer, a Ta separation layer, Here, iO 2 The Ta buffer layer, the MgO seed layer, the Co 2 Fe 6 B 2 channel layer, and the Ta separation layer formed on the substrate correspond to the channel portion 100. The lower magnetic layer corresponds to the first and third magnetic layers of the first and second magnetization control sections, respectively, and the upper magnetic layer corresponds to the second and fourth magnetic layers of the first and second magnetization control sections, respectively. At this time, the first and second magnetization control parts formed all the same conditions, and the thicknesses of the lower and upper magnetic layers were different. That is, in the first magnetization control part, the first magnetic layer is formed of [Co / Pt] 3 and the second magnetic layer is formed of [Co / Pt] And the fourth magnetic layer was formed of [Co / Pt] 3. That is, the first and second magnetic layers of the first magnetization control portion were formed by repeating [Co / Pt] three times and six times, and the third and fourth magnetic layers of the second magnetization controlling portion were formed by repeating [Co / And repeated three times. At this time, Co of a single layer was formed at 0.4 nm and Pt was formed at 0.3 nm.

도 3 및 도 4는 제 1 및 제 2 자화 조절부의 자화 특성을 각각 도시한 그래프로서, 외부 자기장에 따른 자화 특성과 자화 방향을 나타내고 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 자화 조절부은 3가지의 화살표, 즉 자화 방향을 나타낸다. 위로부터 첫번째 화살표는 상부 자성층(즉, 제 2 및 제 4 자성층)의 자화 방향을 나타내고, 두번째 화살표는 하부 자성층(즉, 제 1 및 제 3 자성층)의 자화 방향을 나타내며, 세번째 화살표는 채널층의 자화 방향을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 자화 조절부은 외부 자기장이 없는 평형 상태, 즉 0kOe에서 채널층의 자화 방향은 제 1 자성층의 자화 방향에 따라 하측으로 고정된다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 자화 조절부은 제 1 자화 조절부과 반대로 외부 자기장이 없는 평형 상태에서 채널층의 자화 방향은 제 3 자성층의 자화 방향에 따라 상측으로 고정된다.FIGS. 3 and 4 are graphs showing the magnetization characteristics of the first and second magnetization control sections, respectively, and show magnetization characteristics and magnetization directions according to an external magnetic field. As shown in FIGS. 3 and 4, the first and second magnetization control sections represent three arrows, that is, magnetization directions. The first arrow indicates the magnetization direction of the upper magnetic layer (i.e., the second and fourth magnetic layers), the second arrow indicates the magnetization direction of the lower magnetic layer (i.e., the first and third magnetic layers) Indicates the direction of magnetization. As shown in FIG. 3, the first magnetization control portion is fixed to the lower side according to the magnetization direction of the first magnetic layer in an equilibrium state in which there is no external magnetic field, that is, at 0 kOe. However, as shown in FIG. 4, in a state where the second magnetization control unit is in an equilibrium state in which there is no external magnetic field as opposed to the first magnetization control unit, the magnetization direction of the channel layer is fixed upward according to the magnetization direction of the third magnetic layer.

이로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 뉴런 소자는 제 1 및 제 2 자화 조절부이 서로 다른 방향으로 자화될 수 있고, 그에 따라 채널층의 자화 방향을 변경시킬 수 있다.As can be seen from the above, the neuron elements of the present invention can magnetize the first and second magnetization control portions in different directions, thereby changing the magnetization direction of the channel layer.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 제어부의 자화 특성을 확인하기 위해 다음과 같은 구조를 제작하였다. 즉, SiO2 기판 상에 Ta 버퍼층, MgO 시드층, Co2Fe6B2 채널층, Ta 분리층, CoFeB 자유층, MgO 터널링 배리어, CoFeB 고정층, Ta 캐핑층, [Co/Pt] 제 5 자성층, Ru 제 3 비자성층, [Co/Pt] 제 6 자성층 및 전극을 적층하여 형성하였다. 여기서, SiO2 기판 상에 Ta 버퍼층, MgO 시드층, Co2Fe6B2 채널층, Ta 분리층은 채널부(100)에 해당하고, CoFeB 자유층, MgO 터널링 배리어, CoFeB 고정층은 자기터널접합 구조이며, [Co/Pt] 제 5 자성층, Ru 제 3 비자성층, [Co/Pt] 제 6 자성층은 합성 교환 반자성층이다. 또한, 제 5 자성층은 [Co/Pt]3으로 형성하고 제 6 자성층은 [Co/Pt]6으로 형성하였다. 즉, 제 5 자성층은 [Co/Pt]를 3회 반복하여 형성하고 제 6 자성층은 [Co/Pt]를 6회 반복하여 형성하였다. 물론, 제 5 자성층을 [Co/Pt]6으로 형성하고 제 6 자성층을 [Co/Pt]3으로 형성할 수도 있다. MgO 시드층은 Co2Fe6B2 채널층의 수직 스핀 방향을 형성하는데 도움을 주며 전류가 하부로 누설되지 못하게 하는 절연막 역할을 하고, MgO 터널링 배리어는 Co2Fe6B2 자유층과 고정층의 자화 방향에 따라 터널자기저항비를 발생한다.In order to confirm the magnetization characteristics of the control unit of the neuron device according to an embodiment of the present invention, the following structure was made. That is, SiO 2 [Co / Pt] fifth magnetic layer, a third Ru layer, and a third Ru layer were formed on a substrate, and a Ta buffer layer, a MgO seed layer, a Co 2 Fe 6 B 2 channel layer, a Ta separation layer, a CoFeB free layer, a MgO tunneling barrier, a CoFeB pinning layer, A non-magnetic layer, a [Co / Pt] sixth magnetic layer and an electrode were laminated. Here, SiO 2 On the substrate, the Ta buffer layer, the MgO seed layer, the Co 2 Fe 6 B 2 channel layer, the Ta separation layer correspond to the channel portion 100, the CoFeB free layer, the MgO tunneling barrier and the CoFeB fixed layer have a magnetic tunnel junction structure [ Co / Pt] fifth magnetic layer, the Ru third nonmagnetic layer, and the [Co / Pt] sixth magnetic layer are synthetic exchangeable semiconductive layers. Further, the fifth magnetic layer was formed of [Co / Pt] 3 and the sixth magnetic layer was formed of [Co / Pt] 6. That is, the fifth magnetic layer was formed by repeating [Co / Pt] three times and the sixth magnetic layer was formed by repeating [Co / Pt] six times. Of course, the fifth magnetic layer may be formed of [Co / Pt] 6 and the sixth magnetic layer may be formed of [Co / Pt] 3. The MgO seed layer serves to form the vertical spin direction of the Co 2 Fe 6 B 2 channel layer and serves as an insulating film that prevents the current from leaking to the bottom. The MgO tunneling barrier is formed by the Co 2 Fe 6 B 2 free layer and the fixed layer And a tunnel magnetoresistance ratio is generated in accordance with the magnetization direction.

도 5의 (a)는 제어부의 자화 특성을 도시한 그래프로서, 외부 자기장에 따른 자화 특성과 자화 방향을 나타내고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 화살표는 위로부터 제 6 자성층, 제 5 자성층, 고정층, 자유층 및 채널층의 자화 방향을 나타낸다. 그런데, -500Oe 내지 +500Oe 구간에서 자기 특성 그래프를 확대하였을 때, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 외부 자기장이 +에서 -로 변하거나 -에서 +로 변함에 따라 자유층과 채널층은 Ta 분리층에 의해 커플링되어 자화 방향이 항상 동일한 방향으로 변경된다. 이때, 고정층은 제 5 자성층에 의해 자화 방향이 변경되지 않고 고정된다.FIG. 5A is a graph showing the magnetization characteristics of the control section, and shows magnetization characteristics and magnetization directions according to an external magnetic field. As shown in Fig. 5, arrows indicate magnetization directions of the sixth magnetic layer, the fifth magnetic layer, the pinned layer, the free layer and the channel layer from above. However, when the magnetic characteristic graph is enlarged in the interval of -500 Oe to +500 Oe, as the external magnetic field changes from + to - as shown in FIG. 5 (b) Ta separation layer so that the magnetization direction always changes in the same direction. At this time, the pinned layer is fixed by the fifth magnetic layer without changing the magnetization direction.

이로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 뉴런 소자는 제어부의 자유층이 채널층과 커플링되어 채널층의 자화 방향에 따라 변경됨을 알 수 있다.As can be seen from this, it can be seen that the neuron element of the present invention is changed in accordance with the magnetization direction of the channel layer by coupling the free layer of the control part with the channel layer.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 구동 방법을 설명하면 다음과 같다. 도 6 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 뉴런 소자의 구동 방법을 설명하기 위한 개략도로서, 데이터 입력(즉, 전자 주입)에 따른 채널부(100), 제 1 및 제 2 자화 조절부(200, 300), 그리고 제어부(400)의 자화 방향을 나타낸다. 이때, 제 1 자화 조절부(200)는 하측 방향으로 자화가 고정되고, 제 2 자화 조절부(300)는 상측 방향으로 자화가 고정되며, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 데이터가 입력되고 제 2 자화 조절부(300)를 통해 데이터가 출력된다. 또한, 제어부(400)는 하측이 자유층의 자화 방향이고 상측이 고정층의 자화 방향으로서, 고정층의 자화 방향은 합성 교환 반자성층에 의해 하측 방향으로 고정된다. 그리고, 도 14는 뉴런 소자의 구동에 따른 각 단계에서 입력되는 전압 펄스(도 14의 (a)) 및 출력되는 전류를 각각 나타낸다(도 14의 (b)). 여기서, 도 14의 (b)는 제어부에 예를 들어 0.1V의 읽기 전압을 인가하였을 때 제 2 자화 조절부를 통해 검출되는 전류를 나타내는데, 단위 면적, 즉 1㎠의 면적에 검출되는 전류를 나타낸다. 이러한 실시 예를 채널부가 6개의 데이터를 입력하여 축적할 수 있음을 예로 들어 설명한다.A method of driving the neuron device according to an embodiment of the present invention will now be described. 6 to 13 are schematic views for explaining a method of driving a neuron device according to an embodiment of the present invention. The channel portion 100, the first and second magnetization control portions 100, (200, 300), and the control unit (400). At this time, magnetization is fixed in the downward direction of the first magnetization control unit 200, magnetization is fixed in the upward direction of the second magnetization control unit 300, data is input through the first magnetization control unit 200 Data is output through the second magnetization control unit 300. In addition, the control unit 400 is fixed in the lower direction by the composite exchange ferromagnetic layer in the magnetization direction of the pinned layer, while the lower side is the magnetization direction of the free layer and the upper side is the magnetization direction of the pinned layer. 14A and 14B show voltage pulses (FIG. 14A) and output currents (FIG. 14B) that are input at each step of the driving of the neuron elements. 14 (b) shows the current detected through the second magnetization control unit when a reading voltage of 0.1 V is applied to the control unit, which represents a current detected in a unit area, that is, an area of 1 cm 2. An example of such an embodiment is described in which the channel unit can store and store 6 pieces of data.

도 6 및 도 14를 참조하면, 제 2 자화 조절부(300)로부터 제 1 자화 조절부(200)로 전자를 주입하여 채널부(100)의 자화 방향을 리셋시킨다(도 14(a)의 ①). 이에 따라, 채널부(100)는 제 2 자화 조절부(300)의 자화 방향을 따라 예를 들어 상측 방향으로 자화가 고정된다. 이때, 제어부(400)를 통해 읽기 신호를 인가하면 제 2 자화 공정부(300)를 통해 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 낮은 레벨의 전류가 검출된다.6 and 14, electrons are injected from the second magnetization control unit 300 to the first magnetization control unit 200 to reset the magnetization direction of the channel unit 100 (see (1) in FIG. 14 (a) ). Thus, the magnetization of the channel section 100 is fixed in the upward direction along the magnetization direction of the second magnetization control section 300, for example. At this time, when a read signal is applied through the control unit 400, a low level current is detected through the second magnetizing unit 300 as shown in FIG. 14 (b).

도 7 및 도 14를 참조하면, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 예를 들어 0.2V의 펄스 신호를 인가하여 채널부(100)에 전자를 1회 주입한다(도 14(a)의 ②). 즉, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 채널부(100)에 데이터를 1회 입력한다. 따라서, 채널부(100)의 자화 방향이 일부 변경된다. 즉, 제 1 자화 조절부(200)로부터 채널부(100)의 자화 방향이 하측 방향으로 변경된다. 이때, 하측 방향의 자화와 상측 방향의 자화 사이의 영역이 도메인월(10)이며, 자화 방향이 변경됨에 따라 도메인월이 제어부(400) 방향으로 이동된다. 이때, 제어부(400)를 통해 읽기 신호를 인가하면 제 2 자화 조절부(300)를 통해 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 낮은 레벨의 전류가 검출된다.7 and 14, a pulse signal of, for example, 0.2 V is applied through the first magnetization control unit 200 to inject electrons once into the channel unit 100 (see (2) in FIG. 14 (a) ). That is, the data is input to the channel unit 100 through the first magnetization control unit 200 once. Therefore, the magnetization direction of the channel section 100 is partially changed. That is, the magnetization direction of the channel unit 100 is changed from the first magnetization control unit 200 to the lower direction. At this time, the domain wall 10 is between the magnetization in the lower direction and the magnetization in the upper direction, and the domain wall is moved toward the control unit 400 as the magnetization direction is changed. At this time, when a read signal is applied through the control unit 400, a low level current is detected through the second magnetization control unit 300 as shown in FIG. 14 (b).

도 8 및 도 14를 참조하면, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 예를 들어 0.2V의 펄스 신호를 인가하여 채널부(100)에 전자를 2회 주입한다(도 14(a)의 ③). 즉, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 채널부(100)에 데이터가 2회 입력되어 축적된다. 따라서, 채널부(100)의 자화 방향이 하측 방향으로 다시 변경된다. 즉, 제 1 데이터 입력 시보다 더 넓은 폭으로 자화 방향이 변경된다. 이때, 제어부(400)를 통해 읽기 신호를 인가하면 제 2 자화 조절부(300)를 통해 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 낮은 레벨의 전류가 검출된다.8 and 14, a pulse signal of, for example, 0.2 V is applied through the first magnetization control unit 200 to inject electrons into the channel unit 100 twice (see (3) in FIG. 14 (a) ). That is, data is input to the channel unit 100 through the first magnetization control unit 200 twice. Therefore, the magnetization direction of the channel section 100 is changed again to the lower direction. That is, the magnetization direction is changed to a wider width than in the first data input. At this time, when a read signal is applied through the control unit 400, a low level current is detected through the second magnetization control unit 300 as shown in FIG. 14 (b).

도 9 내지 도 11과 도 14를 참조하면, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 예를 들어 0.2V의 펄스 신호가 5회 반복적으로 인가될 수 있다(도 14(a)의 ④, ⑤, ⑥). 따라서, 채널부(100)에 5회의 데이터가 입력되어 축적되고, 그에 따라 채널부(100)의 자화 방향이 제어부(400) 방향으로 순차적으로 변경될 수 있고, 도메인월 또한 이동될 수 있다. 그러나, 이러한 상태에서 제어부(400)를 통해 읽기 신호를 인가하면 제 2 자화 공정부(300)를 통해 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 낮은 레벨의 전류가 검출된다.9 to 11 and 14, a pulse signal of, for example, 0.2 V may be repeatedly applied five times through the first magnetization controller 200 (see (4), (5), ⑥). Accordingly, the magnetization direction of the channel unit 100 can be sequentially changed toward the control unit 400, and the domain wall can also be moved. However, when a read signal is applied through the control unit 400 in this state, a low level current is detected through the second magnetizing unit 300 as shown in FIG. 14 (b).

도 12 및 도 14를 참조하면, 제 1 자화 조절부(200)를 통해 예를 들어 0.2V의 펄스 신호가 6번째로 인가되면 제어부(400) 하부의 채널부(100)의 자화 방향이 하측으로 변경되고, 그에 따라 자유층의 자화 방향이 하측으로 변경된다(도 14(a)의 ⑦). 즉, 자유층은 자유층 하부의 채널부와 커플링되어 자화 방향이 변경될 수 있는데, 자유층 하부의 채널부(100)의 자화 방향이 하측으로 변경됨으로써 자유층의 자화 방향 또한 하측으로 변경될 수 있다. 이렇게 자유층의 자화 방향이 하측으로 변경되면 고정층과 자유층의 자화 방향이 동일하게 되는 평형 상태를 유지하게 되고, 그에 따라 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 채널부(100)에 축적된 데이터를 발화하게 된다. 즉, 채널부(100)로 인가되는 전류보다 높게 전류를 증폭하여 출력할 수 있다.12 and 14, when a pulse signal of, for example, 0.2 V is applied for the sixth time through the first magnetization control unit 200, the magnetization direction of the channel unit 100 under the control unit 400 is shifted downward So that the magnetization direction of the free layer is changed to the lower side (⑦ in Fig. 14 (a)). That is, the free layer is coupled with the channel portion under the free layer to change the magnetization direction. The magnetization direction of the channel portion 100 under the free layer is changed to the lower side, so that the magnetization direction of the free layer also changes downward . As a result, when the magnetization direction of the free layer is changed to the lower side, the magnetization direction of the fixed layer and the free layer are maintained to be equal to each other. As a result, as shown in FIG. 14 (b) The data is ignited. That is, it is possible to amplify and output the current higher than the current applied to the channel unit 100.

도 13 및 도 14를 참조하면, 이렇게 채널부(100)에 복수의 데이터를 축적 및 발화시킨 후 제 2 자화 조절부(300)로부터 소정의 전류를 인가하여 채널층(100)의 자화 방향을 모두 하측으로 변경시켜 리셋하게 된다(도 14(a)의 ⑧).13 and 14, after a plurality of data are accumulated and fired in the channel unit 100, a predetermined current is applied from the second magnetization control unit 300 so that all the magnetization directions of the channel layer 100 are all And is reset to the lower side ((8) in Fig. 14 (a)).

본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be embodied in various forms. In other words, the above-described embodiments are provided so that the disclosure of the present invention is complete, and those skilled in the art will fully understand the scope of the invention, and the scope of the present invention should be understood by the appended claims .

100 : 채널부 200 : 제 1 자화 조절부
300 : 제 2 자화 조절부 400 : 제어부
100: channel unit 200: first magnetization control unit
300: second magnetization control unit 400: control unit

Claims (20)

복수의 데이터를 축적함에 따라 자화 방향이 변경되는 채널부;
상기 채널부의 상에 형성되며 입력되는 복수의 데이터에 따라 상기 채널부의 자화 방향이 변경되도록 하는 제 1 및 제 2 자화 조절부; 및
상기 제 1 및 제 2 자화 조절부 사이의 상기 채널부 상에 형성되며 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화시키는 제어부를 포함하고,
상기 채널부는 기판과, 상기 기판 상에 형성되며 자성층을 구비하는 채널층과, 상기 채널층 상에 형성된 분리층과, 상기 기판과 상기 채널층 사이에 형성된 버퍼층 및 시드층을 더 포함하는 뉴런 소자.
A channel unit in which a magnetization direction is changed by accumulating a plurality of data;
First and second magnetization control units formed on the channel unit and adapted to change a magnetization direction of the channel unit according to a plurality of input data; And
And a control unit formed on the channel unit between the first and second magnetization control units and for generating data stored in the channel unit,
Wherein the channel portion further comprises a substrate, a channel layer formed on the substrate and having a magnetic layer, a separation layer formed on the channel layer, and a buffer layer and a seed layer formed between the substrate and the channel layer.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 채널층은 초기 상태에서 자화 방향이 일 방향으로 고정되고, 상기 복수의 데이터가 순차적으로 입력됨에 따라 상기 자화 방향이 일 방향과 반대인 타 방향으로 순차적으로 변경되는 뉴런 소자.The neuron element according to claim 1, wherein the magnetization direction of the channel layer is fixed in one direction in an initial state, and the magnetization direction is sequentially changed in another direction opposite to one direction as the plurality of data are sequentially inputted. 복수의 데이터를 축적함에 따라 자화 방향이 변경되는 채널부;
상기 채널부 상에 형성되며 입력되는 복수의 데이터에 따라 상기 채널부의 자화 방향이 변경되도록 하는 제 1 및 제 2 자화 조절부; 및
상기 제 1 및 제 2 자화 조절부 사이의 상기 채널부 상에 형성되며 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화시키는 제어부를 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 자화 조절부를 통해 상기 채널부의 데이터가 입출력되는 뉴런 소자.
A channel unit in which a magnetization direction is changed by accumulating a plurality of data;
First and second magnetization control units formed on the channel unit to change a magnetization direction of the channel unit according to a plurality of input data; And
And a control unit formed on the channel unit between the first and second magnetization control units and for generating data stored in the channel unit,
And the data of the channel unit is input / output through the first and second magnetization control units.
청구항 5에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자화 조절부는 서로 다른 자화 방향을 갖는 뉴런 소자.The neuron device of claim 5, wherein the first and second magnetization control sections have different magnetization directions. 청구항 6에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자화 조절부는 각각 상기 채널부 상에 제 1 자성층, 비자성층 및 제 2 자성층의 적층 구조로 형성되며, 상기 제 1 및 제 2 자성층의 두께가 서로 다른 뉴런 소자. [7] The method of claim 6, wherein the first and second magnetization control portions are formed in a laminated structure of a first magnetic layer, a non-magnetic layer, and a second magnetic layer on the channel portion, device. 청구항 6에 있어서, 상기 제 2 자화 조절부에 의해 상기 채널부의 초기 자화 방향이 결정되고, 상기 제 1 자화 조절부를 통해 데이터가 입력되어 상기 채널부의 자화 방향이 순차적으로 변경되는 뉴런 소자.7. The neuron element of claim 6, wherein an initial magnetization direction of the channel section is determined by the second magnetization control section, data is input through the first magnetization control section, and the magnetization direction of the channel section is sequentially changed. 청구항 8에 있어서, 상기 제 1 자화 조절부와 상기 제어부 사이의 상기 채널부에 상기 데이터가 축적되는 뉴런 소자.The neuron element according to claim 8, wherein the data is accumulated in the channel section between the first magnetization control section and the control section. 청구항 1 또는 청구항 9에 있어서, 상기 제어부는 자유층, 터널링 배리어 및 고정층이 적층된 자기터널접합과,
상기 자기터널접합 상에 형성된 캐핑층과,
상기 캐핑층 상에 형성되며 상기 고정층의 자화 방향을 고정하는 합성 교환 반자성층을 포함하는 뉴런 소자.
10. The method of claim 1 or claim 9, wherein the control unit includes a magnetic tunnel junction in which a free layer, a tunneling barrier,
A capping layer formed on the magnetic tunnel junction,
And a composite exchangeable semi-magnetic layer formed on the capping layer and fixing the magnetization direction of the pinned layer.
청구항 10에 있어서, 상기 제어부는 상기 고정층의 자화 방향이 고정되고, 상기 자유층의 자화 방향은 상기 채널부의 자화 방향에 따라 변경되는 뉴런 소자.11. The neuron element according to claim 10, wherein the magnetization direction of the pinned layer is fixed and the magnetization direction of the free layer is changed in accordance with the magnetization direction of the channel portion. 청구항 11에 있어서, 상기 자유층과 상기 고정층은 초기 상태에서 반대 방향의 자화를 가지며, 상기 채널부의 자화에 의해 상기 자유층과 상기 고정층의 자화 방향이 동일할 때 상기 채널부에 축적된 데이터가 발화되는 뉴런 소자.12. The method of claim 11, wherein the free layer and the pinned layer have magnetizations in opposite directions in an initial state, and when the magnetization directions of the free layer and the pinned layer are the same by the magnetization of the channel portion, Gt; 청구항 12에 있어서, 상기 제어부는 상기 제 1 및 제 2 자화 조절부 사이의 상기 채널부 길이의 1/5 내지 1/10의 폭을 갖는 뉴런 소자.The neuron device according to claim 12, wherein the control section has a width of 1/5 to 1/10 of the length of the channel section between the first and second magnetization control sections. 청구항 13에 있어서, 상기 제 1 자화 조절부와 상기 제어부 사이의 상기 채널부의 길이, 상기 제어부의 폭, 그리고 데이터를 입력하기 위해 인가되는 펄스 폭 및 높이 중 적어도 어느 하나에 따라 데이터의 축적량이 조절되는 뉴런 소자.[14] The method of claim 13, wherein the accumulation amount of data is adjusted according to at least one of a length of the channel portion between the first magnetization control portion and the control portion, a width of the control portion, and a pulse width and height applied for inputting data Neuron element. 청구항 14에 있어서, 상기 채널부는 21 내지 210의 데이터를 축적하는 뉴런 소자.The method according to claim 14, wherein the channel portion 2 neurons device for storing data of 1 to 2 10. 복수의 데이터가 입력되어 축적됨에 따라 도메인월이 이동하는 채널부;
입력되는 복수의 데이터에 따라 상기 채널부의 상기 도메인월이 이동되도록 하는 제 1 자화 조절부;
상기 제 1 자화 조절부와 서로 다른 자화 방향을 가지며, 상기 채널부의 자화 방향이 일 방향으로 고정되도록 하는 제 2 자화 조절부; 및
적어도 일부가 상기 채널부와 커플링되어 자화 방향이 변경되며, 상기 도메인월이 그 하부를 지나면 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화시키는 제어부를 포함하는 뉴런 소자.
A channel unit in which a domain wall moves as a plurality of data are input and stored;
A first magnetization control unit for moving the domain wall of the channel unit according to a plurality of input data;
A second magnetization control unit having magnetization directions different from those of the first magnetization control unit and fixing the magnetization direction of the channel unit in one direction; And
At least a part of which is coupled with the channel part to change the magnetization direction, and to fire data accumulated in the channel part when the domain wall passes the lower part.
청구항 16에 있어서, 상기 채널부, 상기 제 1 및 제 2 자화 조절부 및 상기 제어부는 각각 적어도 일부가 자성 물질을 포함하는 뉴런 소자.17. The neuron device of claim 16, wherein the channel portion, the first and second magnetization control portions, and the control portion each include at least a magnetic material. 청구항 17에 있어서, 상기 제어부는 제 1 영역의 자화 방향이 고정되고 그 하부의 제 2 영역의 자화 방향이 상기 채널부의 자화 방향에 따라 변경되며, 상기 제 2 영역과 상기 제 1 영역의 자화 방향이 동일할 때 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화시키는 뉴런 소자.[18] The method of claim 17, wherein the controller controls the magnetization direction of the first region to be fixed and the magnetization direction of the second region below the magnetization direction of the first region to be changed according to the magnetization direction of the channel portion, And the data accumulated in the channel portion is ignited when they are identical. 제어부의 자유층과 고정층의 자화 방향이 반대가 되도록 채널부의 자화 방향을 설정하는 과정;
복수의 데이터를 순차적으로 입력하여 상기 채널부의 자화 방향을 순차적으로 변경시키는 과정; 및
상기 제어부와 중첩된 상기 채널부의 자화 방향이 상기 자유층의 자화 방향과 동일할 때 상기 채널부에 축적된 데이터를 발화하는 과정을 포함하는 뉴런 소자의 구동 방법.
Setting a magnetization direction of the channel portion such that the magnetization direction of the free layer and the pinned layer of the control portion are opposite to each other;
Sequentially changing a magnetization direction of the channel unit by inputting a plurality of data sequentially; And
And generating data in the channel portion when the magnetization direction of the channel portion overlapped with the control portion is the same as the magnetization direction of the free layer.
청구항 19에 있어서, 상기 채널부의 길이, 상기 제어부의 폭, 그리고 데이터를 입력하기 위해 인가되는 펄스 폭 및 높이 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 채널부의 자화 방향의 변경 폭이 조절되는 뉴런 소자의 구동 방법.



The driving method of a neuron device according to claim 19, wherein a width of the magnetization direction of the channel portion is adjusted according to at least one of a length of the channel portion, a width of the control portion, and a pulse width and height applied for inputting data.



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