CN111933789A - 一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器，该多态存储器具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、第一交换偏置层、绝缘材料层、第二交换偏置层和上电极；其中，自旋流产生层用于产生对磁矩施加自旋轨道力矩的自旋流；第一交换偏置层用于存储数据；绝缘材料层用于提供垂直磁各向异性；第二交换偏置层用于读取隧穿磁电阻；自旋流产生层的两端分别设置为第一电极和第二电极，第一电极和第二电极间施加写电流，以存储数据；第二电极和上电极间施加读电流，以读取数据。本发明有效提升多态存储器的存储密度、存储稳定性、并降低存储功耗、提高存储器的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及信息存储和半导体领域，特别地，涉及一种基于反铁磁和铁磁材料构成的两个交换偏置层的多态存储器、其制备方法和多态存储方法及人工突触器。
背景技术
随着信息时代的快速发展，大数据时代已经到来，这就需要提高目前存储器的数据存储密度，因此多态存储被广泛研究。相比于传统的计算机二进制存储，多态存储是在一个存储单元里实现多个字节的存储，这样可以极大地增加信息存储密度。另一方面，基于“冯·诺依曼”构型的计算机虽然在数据运算方面表现出极大的优势，然而在图片识别、学习能力等方面还远远不及人脑；并且在同等计算的情况下，计算机的功耗也远远大于人脑的功耗。为此，基于模拟人脑计算模式的神经计算也开始被广泛研究。神经计算网络的最基本的运算器是人工突触，利用其多态存储特性来模拟生物突触的塑性行为和学习行为。因此研究多态存储器对于大数据时代的数据高密度存储和神经计算网络的发展具有重要的应用前景。
近些年来，在自旋电子学领域涌现了对于多态存储的研究。对于单一反铁磁来说，虽然可以实现多态存储功能，且存储态很稳定，但是由于反铁磁对外不表现磁性，所以基于反铁磁的多态存储目前的信号读取主要是依赖于各向异性磁电阻，这对于实际应用来说信号很弱。而基于铁磁材料的多态存储，是利用铁磁畴的变化就会引起电阻变化的特点来实现多态存储，由于外磁场对于铁磁畴的运动会有影响，所以这样的多态存储不稳定。另外，现有的利用自旋流驱动磁化强度翻转或磁畴运动的方法，都需要一个辅助磁场来破坏对称性，才能实现电流驱动下的磁矩翻转，这不利于该效应的实际应用。
发明内容
针对现有技术的不足和改进需求，本发明提供了一种无需磁场辅助的全电驱动的基于反铁磁和铁磁材料构成的两个交换偏置层的多态存储器及多态存储方法，其目的在于，有效提升存储器的存储密度、存储的稳定性、并降低存储功耗、提高存储器的抗干扰能力。
为了实现上述目的，根据本发明第一方面，提供了一种多态存储器，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、第一交换偏置层、绝缘材料层、第二交换偏置层和上电极；
其中，所述自旋流产生层用于产生对磁矩施加自旋轨道力矩的自旋流；所述第一交换偏置层的磁畴状态在所述自旋流的作用下发生改变，用于存储数据；所述绝缘材料层用于提供垂直磁各向异性，使得所述第一交换偏置层和第二交换偏置层的易磁化方向分别垂直于其膜面；所述第二交换偏置层用于读取隧穿磁电阻；
所述自旋流产生层的两端分别设置为第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极间施加写电流，以存储数据；所述第二电极和所述上电极间施加读电流，以读取数据。
进一步的，所述第一交换偏置层从下至上依次包括下反铁磁层和下铁磁层，所述第二交换偏置层从下至上依次包括上铁磁层和上反铁磁层；
其中，所述下铁磁层和所述上铁磁层均具有垂直磁各向异性；所述下反铁磁层和所述下铁磁层间具有垂直交换偏置；所述上铁磁层和所述上反铁磁层间具有垂直交换偏置；
所述下反铁磁层和所述下铁磁层的磁畴由于交换相互作用耦合在一起，所述磁畴状态在所述自旋流的作用下会发生变化，进而导致多态存储器的电阻值发生改变；所述上铁磁层用于读取所述隧穿磁电阻；所述上反铁磁层用于保证所述上铁磁层的磁化方向不发生变化。
进一步的，所述下反铁磁层、所述下铁磁层、所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极为大小相同的多边形或椭圆形；
所述下反铁磁层和所述下铁磁层沿所述自旋流产生层长度方向的两端分别设置有成核区域，所述成核区域的磁各向异性场相较于所述成核区域外的区域的磁各向异性场低。
进一步的，所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极为大小相同的多边形或椭圆形；
所述下反铁磁层和所述下铁磁层为沿所述自旋流产生层长度方向宽于所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极的多边形或椭圆形；
所述下反铁磁层和所述下铁磁层宽于所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极的两端分别设置有成核区域，所述成核区域的磁各向异性场相较于所述成核区域外的区域的磁各向异性场低。
进一步的，所述多态存储器为磁性隧道结结构；
所述自旋流产生层为重金属材料或拓扑绝缘材料；
所述下反铁磁层和所述上反铁磁层为反铁磁材料；
所述下铁磁层和所述上铁磁层为铁磁材料；
所述绝缘材料层为氧化物材料；
所述上电极为导电金属材料。
根据本发明的第二方面，提供一种多态存储器的制备方法，所述多态存储器加工为磁性隧道结结构，所述方法包括：
采用薄膜生长技术依次生长自旋流产生层、下反铁磁层、下铁磁层和绝缘材料层；
采用微纳米加工技术将所述自旋流产生层的膜面加工为长条形，将所述下反铁磁层、所述下铁磁层和所述绝缘材料层加工为大小相同的多边形或椭圆形；
采用辐照技术对所述下反铁磁层、所述下铁磁层和所述绝缘材料层沿所述自旋流产生层的长度方向的两端进行辐照，以将所述两端制备为成核区域；
采用薄膜生长技术依次在所述绝缘材料层上面生长上铁磁层、上反铁磁层和上电极；
采用微纳米加工技术将所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极加工为与所述下反铁磁层、所述下铁磁层和所述绝缘材料层大小相同的多边形或椭圆形；
其中，所述自旋流产生层的长度方向的两端分别为第一电极和第二电极。
根据本发明的第三方面，提供一种多态存储器的制备方法，所述多态存储器加工为磁性隧道结结构，所述方法包括：
采用薄膜生长技术依次生长自旋流产生层、下反铁磁层、下铁磁层、绝缘材料层、上铁磁层、上反铁磁层和上电极；
采用微纳米加工技术将所述自旋流产生层的膜面加工为长条形，将所述下反铁磁层和所述下铁磁层加工为多边形或椭圆形，所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极加工为沿所述自旋流产生层的长条方向窄于下反铁磁层和所述下铁磁层的膜面的多边形或椭圆形；
采用辐照技术对所述下反铁磁层和所述下铁磁层沿所述自旋流产生层的长度方向且超出所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极的两端进行辐照，以将所述两端制备为成核区域；
其中，所述自旋流产生层的长度方向的两端分别为第一电极和第二电极。
根据本发明的第四方面，提供一种多态存储器的存储方法，用于上述任一项所述的多态存储器，在第一电极和第二电极间施加预设大小的定值写电流，使得下反铁磁层和下铁磁层的磁矩在成核区域被翻转，以形成反向磁畴；
固定所述写电流的脉冲时间，改变写电流的大小，读出每一所述写电流对应的隧穿电阻值；
获取多个所述写电流与多个所述隧穿电阻值的映射关系，以得到多个所述写电流与多个存储数据之间的映射关系。
根据本发明的第五方面，提供一种人工突触器，用于上述任一项所述多态存储器，该人工突触器在第一电极与第二电极间施加写电流，所述第二电极和上电极间探测隧穿磁电阻的大小；通过改变所述写电流的脉冲宽度、幅值、极性和个数，得到不同大小的隧穿磁电阻的对应关系，进而模拟突触在不同刺激下的响应，实现人工突触的功能。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
(1)本发明所提供的多态存储器，是利用反铁磁和铁磁耦合的磁畴变化实现多态存储的，本质上是通过控制多态存储器中反铁磁材料和铁磁材料内磁畴壁的移动使得多态存储器处于不同的电阻态，其中铁磁畴受到反铁磁畴的钉扎，而反铁磁畴对于外磁场免疫，所以每一个存储状态都非常稳定，因此可以确保存储态稳定的情况下有效提高存储器的存储密度；
(2)本发明所提供的多态存储器的信息写入是基于自旋流产生的自旋轨道力矩效应，但是不需要外磁场的辅助，信息的读取是基于隧穿磁电阻效应，所以信息的读取速度快，功耗低；
(3)本发明所提供的多态存储器的存储方法，利用多态存储器中磁性材料内电子的自旋内禀属性来存储数据，因此能够提高多态存储的抗干扰能力，并且信息可以无限次地擦写。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1示出了本发明一实施例的多态存储器的结构示意图；
图2示出了本发明另一实施例的多态存储器的结构示意图。
【符号说明】
1：自旋流产生层、11：第一电极、12：第二电极、2：第一交换偏置层、21：下反铁磁层、22：下铁磁层、3：绝缘材料层、4：第二交换偏置层、41：上铁磁层、42：上反铁磁层、5：上电极、6：成核区域
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器的具体实施方式及其功效，详细说明如后。
本发明实施例提供了一种多态存储器，如图1和图2所示，该多态存储器为基于两个交换偏置层的多态存储器，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层1、第一交换偏置层2、绝缘材料层3、第二交换偏置层4以及上电极5。
其中，第一交换偏置层2从下至上依次包括下反铁磁层21和下铁磁层22；第二交换偏置层4从下至上依次包括上铁磁层41和上反铁磁层42。其中，下铁磁层22和上铁磁层41均具有垂直磁各向异性，下反铁磁层21和下铁磁层22间还具有垂直交换偏置，上铁磁层41和上反铁磁层42间也具有垂直交换偏置。
其中，自旋流产生层1由重金属材料或拓扑绝缘体材料制成，可以为Ta、Pt、W以及他们的合金、Bi2Se3或Sb2Te3，但本发明并不限制于此。自旋流产生层1用于产生自旋流，自旋流会对下反铁磁层21和下铁磁层22里的磁矩施加自旋轨道力矩作用。下反铁磁层21和下铁磁层22用于存储数据的存储媒介，二者的磁畴由于交换相互作用耦合在一起，其磁畴状态会在所述自旋轨道力矩的作用下发生改变，从而使得多态存储器的电阻值发生改变。绝缘材料层3由氧化物材料制成，可以为MgO或Al2O3，但本发明并不限制于此。绝缘材料层3用于提供垂直磁各向异性，使得上铁磁层41和下铁磁层22的易磁化方向垂直于其膜面，并且绝缘材料层3同时作为隧道结的隔离层；上铁磁层41用于读出隧穿磁电阻；上反铁磁层42用于保证上铁磁层41的磁化方向不发生变化。下铁磁层22和上铁磁层41由铁磁材料制成，可以为Co、CoFeB或Py，但本发明并不限制于此。下反铁磁层21和上反铁磁层42由反铁磁材料制成，可以为IrMn、PtMn、FeMn或PdMn，但本发明并不限制于此。上电极5由导电金属材料制成，可以为Pt、Ta、Cu或Ti，但本发明并不限制于此。上电极5用于读出隧穿磁电阻的一个电极。
为了实现无磁场辅助的自旋流驱动的磁畴运动，在下反铁磁层21和下铁磁层22设置了两个成核区域6。利用离子辐照技术在下反铁磁层21和下铁磁层22所在的多边形区域的两端(沿着自旋流产生层1的长度方向)进行辐照。受到辐照后的区域磁各向异性场会减弱，这样在和相邻区域的边界处破坏了样品的磁化强度的对称性，所以自旋流可以在无需外加磁场的辅助下驱动磁矩的翻转。
在下反铁磁层21和下铁磁层22制备两个成核区域6，是为了保证当写电流的极性改变时，磁畴壁仍然会运动。因为在自旋流驱动的磁畴壁运动过程中，磁畴壁的运动方向与电流的方向有关，例如施加电流如果驱动磁畴壁沿着电流方向运动，那么只有一端的成核区域6的磁畴壁会运动，另一端的磁畴壁不会运动。制备两个磁畴成核区域6可以确保当改变电流的极性时，施加合适大小的电流值，仍然有磁畴壁会运动，磁电阻仍会变化。
多态存储器具有第一电极11、第二电极12和上电极5三个电极。其中第一电极11和第二电极12间施加写电流，第二电极12和上电极5间施加读电流，用于读出隧穿磁电阻。这样信号的写入与读取路线不同，不会相互干扰。
写电流流经自旋流产生层1会产生自旋流，然后自旋流注入到下反铁磁层21和下铁磁层22中，会使得铁磁畴和反铁磁畴的状态发生变化。其中铁磁畴的状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例，并且磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴具有不同的钉扎方向。因为反铁磁层的磁畴状态不会因为外磁场改变，只有在施加电流后受到自旋轨道力矩作用才会改变，而铁磁畴受到邻近反铁磁畴的钉扎，铁磁畴在受到自旋轨道力矩作用是和反铁磁畴同时改变的，所以当去掉写电流后，铁磁畴的状态不变，存储态很稳定。
上铁磁层41在上反铁磁层42的钉扎作用下，其磁化状态始终不变。下铁磁层22的磁畴状态在加入写电流后会发生变化，为此读出的隧穿磁电阻会发生变化，即多态存储的电阻值发生改变。
本发明还提供了一种多态存储器的制备方法。该方法包括：通过微纳米加工技术，制备成磁性隧道结(MTJ)结构的器件。先生长自旋流产生层1、下反铁磁层21、下铁磁层22和绝缘材料层3；然后利用微纳米加工技术将自旋流产生层1的膜面做成长条形，下反铁磁层21、下铁磁层22和绝缘材料层3做成大小相同的多边形或椭圆形；然后利用离子辐照技术在下反铁磁层21和下铁磁层22和绝缘材料层3的多边形或椭圆形区域的两端(沿着自旋流产生层1的长度方向)进行辐照，制备成核区域6；然后生长上铁磁层41、上反铁磁层42以及上电极5，做成大小相同的多边形或椭圆形，依次重叠于所述绝缘材料层3的上方；所述长条形状的自旋流产生层1的膜面凸出两端即为第一电极11与第二电极12。
在一具体实施例中，该多态存储器的结构是如图1所示的磁性隧道结(MTJ)结构。其制备方法包括以下步骤：
(1)利用薄膜生长技术生长自旋流产生层1、下反铁磁层21、下铁磁层22和绝缘材料层3；
(2)利用光学曝光技术和离子束刻蚀技术将自旋流产生层1的膜面做成长条形状，下反铁磁层21、下铁磁层22和绝缘材料层3做成大小相同的多边形或椭圆形，其中自旋流产生层1凸出的两端作为第一电极11和第二电极12；
(3)利用光学曝光技术在下反铁磁层21、下铁磁层22和绝缘材料层3组成的大小相同的多边形或椭圆形的上方正曝一个区域，使得下反铁磁层21、下铁磁层22和绝缘材料层3在沿着自旋流产生层1长条方向露出两端，上面没有光刻胶的附着；自旋流产生层1的长条形状和多边形或椭圆形的中间区域上面附着有光刻胶；
(4)利用离子辐照技术对于样品膜面进行辐照，控制好离子辐照的能量与剂量；因为在此多边形区域的两端(沿着自旋流产生层1的长条方向)，没有光刻胶保护，所以受到辐照后磁各向异性场会减弱；而在其余有光刻胶保护的区域，样品受到辐照的影响很小；这样就破坏了样品的磁化强度的对称性；然后去除光刻胶；
(5)利用光学曝光技术在下反铁磁层21、下铁磁层22和绝缘材料层3组成的大小相同的多边形或椭圆形的上方反曝一个具有相同大小的多边形或椭圆形区域；
(6)利用薄膜生长技术再制备上铁磁层41、上反铁磁层42以及上电极5，然后利用溶脱剥离法(lift-off)工艺，生长做成大小相同的多边形或椭圆形，依次重叠于所述绝缘材料层3的上方。
对于上述提到的离子辐照技术，特别地，一种简便的实行方法为：直接在离子束刻蚀机里进行操作，控制好Ar+的能量和剂量，进行Ar+辐照。由于离子与样品表面碰撞会有能量的传递，最终使得没有光刻胶保护的区域，受到辐照后的磁各向异性场降低，作为成核区域6。
本发明还提供了另一种多态存储器的制备方法：通过微纳米加工技术，制备成磁性隧道结(MTJ)结构的器件。其中自旋流产生层1的膜面做成长条形；下反铁磁层21和下铁磁层22的膜面相同做成多边形或椭圆形，依次重叠在自旋流产生层1的膜面中部；绝缘材料层3、上铁磁层41、上反铁磁层42以及上电极5做成大小相同沿自旋流产生层1的长条方向窄于下反铁磁层21和下铁磁层22的膜面的多边形或椭圆形，依次重叠于所述下铁磁层22的中部；下反铁磁层21和下铁磁层22超出隧道结中间的两端(沿着自旋流产生层1的长度方向)，利用离子辐照技术进行辐照，制备成核区域6；所述长条形状的自旋流产生层1的膜面凸出两端即为第一电极11与第二电极12。
在一具体实施例中，该多态存储器的结构是如图2所示的磁性隧道结(MTJ)结构。其制备方法包括以下步骤：
(1)利用薄膜生长技术生长自旋流产生层1、下反铁磁层21、下铁磁层22、绝缘材料层3、上铁磁层41、上反铁磁层42和上电极5；
(2)利用光学曝光技术和离子束刻蚀技术将自旋流产生层1的膜面做成长条形状，下反铁磁层21、下铁磁层22、绝缘材料层3、上铁磁层41、上反铁磁层42和上电极5做成大小相同的多边形或椭圆形，其中自旋流产生层1凸出的两端作为第一电极11和第二电极12；
(3)利用光学曝光技术在多边形或椭圆形的上方正曝一个区域，使得多边形或椭圆形区域在沿着自旋流产生层1长条方向露出两端，上面没有光刻胶的附着；自旋流产生层1的长条形状和多边形或椭圆形的中间区域上面附着有光刻胶；然后利用离子束刻蚀技术将多边形或椭圆形区域在沿着自旋流产生层1长条方向露出的两端的多层膜结构刻蚀到下铁磁层22上表面裸露为止；
(4)利用离子辐照技术对于样品膜面进行辐照，特别地，一种简便的实行方法为直接在离子束刻蚀机里进行操作，控制好Ar+的能量和剂量，进行Ar+辐照；最终使得没有光刻胶保护的区域，受到辐照后的磁各向异性场降低，作为成核区域6；
(5)去除光刻胶，该磁性隧道结的制备完成。
在上述实施例中薄膜生长技术可以为磁控溅射法、分子束外延法、电子束蒸发或脉冲激光沉积法。但本发明并不限制于此。
在上述实施例中，多态存储器的信号的写入是基于自旋流产生的自旋轨道力矩效应。当在第一电极11和第二电极12间施加写电流时，电流会在自旋流产生层1转化为自旋流；然后自旋流会注入到下反铁磁层21和下铁磁层22中，由于自旋轨道力矩作用，下反铁磁层21和下铁磁层22的铁磁畴和反铁磁畴的状态会发生变化，从而实现信号的写入。其中铁磁畴的状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴的比例，因为铁磁层的磁畴受到反铁磁层磁畴的钉扎作用，反铁磁对外磁场免疫，所以存储的信息是很稳定的。
在上述实施例中，多态存储器的信号的读取是基于隧穿磁电阻效应。上铁磁层41的磁矩被上反铁磁层42钉扎住，所以磁化方向不变；下铁磁层22的磁矩在自旋轨道力矩的作用下会发生翻转；当下铁磁层22为单磁畴状态且磁化方向与上铁磁层41的磁化方向相同时，隧穿磁电阻达到最小值；当下铁磁层22为单磁畴状态且磁化方向与上铁磁层41的磁化方向相反时，隧穿磁电阻达到最大值；当下铁磁层22的磁畴状态为磁化方向向上的磁畴与磁化方向向下的磁畴共同存在时，隧穿磁电阻是一个中间数值。
在上述实施例中，制成的磁性隧道结器之所以制备了两个成核区域6，是因为在自旋流驱动的磁畴壁运动过程中，磁畴的运动方向与电流的方向有关。例如施加电流如果驱动磁畴壁沿着电流方向运动，那么只有一端的成核区域6的磁畴壁会运动，另一端的磁畴壁不会运动。制备两个磁畴成核区域6可以确保当改变电流的极性时，施加合适大小的电流值，仍然有磁畴壁会运动，磁电阻仍会变化。
上述用到的离子辐照技术包括用Ar+、Ga+等离子进行辐照、电子束辐照、紫外光辐照或激光辐照。
本发明还提供了一种多态存储器的存储方法，用于上述实施例的多态存储器。
该多态存储器的存储方法包括步骤如下：
(1)在第一电极11与第二电极12间施加一定大小的写电流，使下反铁磁层21和下铁磁层22的磁矩至少可以在成核区域6被翻转，形成反向磁畴；
(2)固定写电流的脉冲时间，改变写电流的大小，每施加一次写电流，在第二电极12和上电极5间读取隧穿电阻值，从而得到N个电流值以及与N个电流值一一对应的N个电阻值，这样N个电阻值作为N个存储态；
(3)对于N个写电流，通过编码获得与N个电阻值的一一映射关系；进而得到N个写电流与N个数据值间的一一映射关系；这样施加不同大小的电流，就得到不同的存储数据值，实现了多态存储的功能。
其中，N为大于1的正整数。
本发明还提供一种人工突触器，其具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层1、下反铁磁层21、下铁磁层22、绝缘材料层3、上铁磁层41、上反铁磁层42以及上电极5。所述的人工突触器的制备工艺与制备材料和上述的多态存储器的制备工艺与制备材料相同。在第一电极11与第二电极12间施加写电流，第二电极12和上电极5间探测隧穿磁电阻的大小；通过改变所加写电流的脉冲宽度、幅值、极性和个数，得到不同大小的隧穿磁电阻的对应关系，进而模拟突触在不同刺激下的响应，实现人工突触的功能。
在一具体实施例中，本发明的基于反铁磁和铁磁材料构成的两个交换偏置层的人工突触器，其特征在于具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层1、下反铁磁层21、下铁磁层22、绝缘材料层3、上铁磁层41、上反铁磁层42以及上电极5。
该人工突触器具有多层薄膜结构，每层膜的作用为：自旋流产生层1由重金属材料或拓扑绝缘体材料制成，用于产生自旋流，自旋流会对下反铁磁层21和下铁磁层22里的磁矩施加自旋轨道力矩作用；下反铁磁层21和下铁磁层22的磁畴由于交换相互作用耦合在一起，其状态会在自旋流的作用下发生改变，从而使得人工突触器的电阻值发生改变；绝缘材料层3用于提供垂直磁各向异性，使得下铁磁层22的易磁化方向垂直于其膜面，并且绝缘材料层3同时作为隧道结的隔离层；上铁磁层41用于读出隧穿磁电阻；上反铁磁层42用于保证上铁磁层41的磁化方向不发生变化；上电极5是用于读出隧穿磁电阻的一个电极。
该人工突触器每层薄膜的制备材料与器件的制备技术和上述实施例中所述的多态存储器的制备材料与制备技术相同，即相当于，该人工突触器包括上述的多态存储器。
该人工突触器实现塑性行为的原理如下：当在第一电极11与第二电极12间施加写电流时，写电流在自旋流产生层1会转化为自旋流；自旋流产生的自旋轨道力矩作用会使得铁磁畴壁和反铁磁畴壁运动；改变电流脉冲的极性、宽度、幅值和多个脉冲串的个数，则自旋流产生的自旋轨道力矩强度不同，导致铁磁畴壁和反铁磁畴壁所在的位置不同，这样在第二电极12和上电极5间探测到的隧穿磁电阻大小是不同的；即不同的写电流会导致不同的磁畴状态，进而电阻值不同；这就如同神经突触接收到不同的电信号后，突触权重会改变一样。综上，实现了人工突触的功能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种多态存储器，其特征在于，具有多层薄膜结构，从下至上依次包括：自旋流产生层、第一交换偏置层、绝缘材料层、第二交换偏置层和上电极；
其中，所述自旋流产生层用于产生对磁矩施加自旋轨道力矩的自旋流；所述第一交换偏置层的磁畴状态在所述自旋流的作用下发生改变，用于存储数据；所述绝缘材料层用于提供垂直磁各向异性，使得所述第一交换偏置层和第二交换偏置层的易磁化方向分别垂直于其膜面；所述第二交换偏置层用于读取隧穿磁电阻；
所述自旋流产生层的两端分别设置为第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极间施加写电流，以存储数据；所述第二电极和所述上电极间施加读电流，以读取数据。
2.根据权利要求1所述的一种多态存储器，其特征在于，所述第一交换偏置层从下至上依次包括下反铁磁层和下铁磁层，所述第二交换偏置层从下至上依次包括上铁磁层和上反铁磁层；
其中，所述下铁磁层和所述上铁磁层均具有垂直磁各向异性；所述下反铁磁层和所述下铁磁层间具有垂直交换偏置；所述上铁磁层和所述上反铁磁层间具有垂直交换偏置；
所述下反铁磁层和所述下铁磁层的磁畴由于交换相互作用耦合在一起，所述磁畴状态在所述自旋流的作用下会发生变化，进而导致多态存储器的电阻值发生改变；所述上铁磁层用于读取所述隧穿磁电阻；所述上反铁磁层用于保证所述上铁磁层的磁化方向不发生变化。
3.根据权利要求2所述的多态存储器，其特征在于，所述下反铁磁层、所述下铁磁层、所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极为大小相同的多边形或椭圆形；
所述下反铁磁层和所述下铁磁层沿所述自旋流产生层长度方向的两端分别设置有成核区域，所述成核区域的磁各向异性场相较于所述成核区域外的区域的磁各向异性场低。
4.根据权利要求2所述的多态存储器，其特征在于，所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极为大小相同的多边形或椭圆形；
所述下反铁磁层和所述下铁磁层为沿所述自旋流产生层长度方向宽于所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极的多边形或椭圆形；
所述下反铁磁层和所述下铁磁层宽于所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极的两端分别设置有成核区域，所述成核区域的磁各向异性场相较于所述成核区域外的区域的磁各向异性场低。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的多态存储器，其特征在于，所述多态存储器为磁性隧道结结构；
所述自旋流产生层为重金属材料或拓扑绝缘材料；
所述下反铁磁层和所述上反铁磁层为反铁磁材料；
所述下铁磁层和所述上铁磁层为铁磁材料；
所述绝缘材料层为氧化物材料；
所述上电极为导电金属材料。
6.一种多态存储器的制备方法，其特征在于，所述多态存储器加工为磁性隧道结结构，所述方法包括：
采用薄膜生长技术依次生长自旋流产生层、下反铁磁层、下铁磁层和绝缘材料层；
采用微纳米加工技术将所述自旋流产生层的膜面加工为长条形，将所述下反铁磁层、所述下铁磁层和所述绝缘材料层加工为大小相同的多边形或椭圆形；
采用辐照技术对所述下反铁磁层、所述下铁磁层和所述绝缘材料层沿所述自旋流产生层的长度方向的两端进行辐照，以将所述两端制备为成核区域；
采用薄膜生长技术依次在所述绝缘材料层上生长上铁磁层、上反铁磁层和上电极；
采用微纳米加工技术将所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极加工为与所述下反铁磁层、所述下铁磁层和所述绝缘材料层大小相同的多边形或椭圆形；
其中，所述自旋流产生层的长度方向的两端分别为第一电极和第二电极。
7.一种多态存储器的制备方法，其特征在于，所述多态存储器加工为磁性隧道结结构，所述方法包括：
采用薄膜生长技术依次生长自旋流产生层、下反铁磁层、下铁磁层、绝缘材料层、上铁磁层、上反铁磁层和上电极；
采用微纳米加工技术将所述自旋流产生层的膜面加工为长条形，将所述下反铁磁层和所述下铁磁层加工为多边形或椭圆形，所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极加工为沿所述自旋流产生层长度方向窄于所述下反铁磁层和所述下铁磁层膜面的多边形或椭圆形；
采用辐照技术对所述下反铁磁层和所述下铁磁层沿所述自旋流产生层的长度方向且超出所述绝缘材料层、所述上铁磁层、所述上反铁磁层和所述上电极的两端进行辐照，以将所述两端制备为成核区域；
其中，所述自旋流产生层的长度方向的两端分别为第一电极和第二电极。
8.一种多态存储器的存储方法，其特征在于，用于权利要求3-5中任一项的多态存储器，所述方法包括：
在第一电极和第二电极间施加预设大小的定值写电流，使得下反铁磁层和下铁磁层的磁矩在成核区域被翻转，以形成反向磁畴；
固定所述写电流的脉冲时间，改变写电流的大小，读出每一所述写电流对应的隧穿电阻值；
获取多个所述写电流与多个所述隧穿电阻值的映射关系，以得到多个所述写电流与多个存储数据之间的映射关系。
9.一种人工突触器，其特征在于，用于如权利要求1-5中任一项所述多态存储器，其特征在于：
在第一电极与第二电极间施加写电流，所述第二电极和上电极间探测隧穿磁电阻的大小；
通过改变所述写电流的脉冲宽度、幅值、极性和个数，得到不同大小的隧穿磁电阻的对应关系，进而模拟突触在不同刺激下的响应，实现人工突触的功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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