CN113193110B - 基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器，包括：自旋轨道耦合层，用于产生自旋轨道矩；铁磁自由层，形成在所述自旋轨道耦合层上，用于提供磁畴壁运动轨道；非磁性势垒层，形成在所述铁磁自由层上；铁磁参考层，形成在所述非磁性势垒层上；顶电极，形成在所述铁磁参考层上；反铁磁钉扎层，形成在所述铁磁自由层两端上；左电极和右电极，分别形成在所述反铁磁钉扎层上的两个位置处。本发明还提供了一种如上所述的激活函数发生器的制备方法。

Description

基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器及制备方法

技术领域

本发明涉及人工智能领域中的人工神经网络技术领域，尤其涉及一种基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器及制备方法。

背景技术

随着大数据时代的到来，人工智能、类脑计算等相关领域受到研究者们广泛关注。虽然人类对于自身大脑的认知仍十分有限，但目前研究者们已经明确人脑的核心要素是神经元和突触：神经元受到输入刺激释放相应的输出信号，而突触则根据神经元信号调节神经元间互联强度。人工神经网络(ANN)的核心就是模仿人脑的突触和神经元的激活函数功能，其在模式识别领域有着突出优势。

2014年，IBM制造了CMOS神经突触和CMOS神经元。然而普通硅晶体管一般只能实现挥发性的二值切换，并不是仿生神经元和突触的优选。基于CMOS电路，冯诺依曼架构的硬件神经网络处理复杂问题时甚至需要数百层，每层又包括大量的互连，因此在功耗、电路复杂度等方面都难以有效推广应用。现有技术主要利用磁畴运动产生的磁隧道结(MTJ)磁阻线性变化来仿真突触功能，鲜少有用于实现神经元非线性激活函数功能的报导。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器及制备方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器，包括：

自旋轨道耦合层，用于产生自旋轨道矩；

铁磁自由层，形成在所述自旋轨道耦合层上，用于提供磁畴壁运动轨道；

非磁性势垒层，形成在所述铁磁自由层上；

铁磁参考层，形成在所述非磁性势垒层上；

顶电极，形成在所述铁磁参考层上；

反铁磁钉扎层，形成在所述铁磁自由层两端上；

左电极和右电极，分别形成在所述反铁磁钉扎层上的两个位置处。

其中，所述自旋轨道耦合层材料为W、Pt、Pd、Ta中的一种、多种或相关合金；所述铁磁自由层和铁磁参考层为具有垂直各向异性的CoFeB、CoFe、Co/Pt、Ni/Co材料的一种或多种；所述铁磁参考层选择合成反铁磁层或亚铁磁层，以消除参考层杂散场对磁畴壁运动的影响；所述非磁性势垒层为MgO、HfOx、AlOx中的一种或多种。

其中，所述铁磁自由层两端通过反铁磁耦合将磁矩方向分别被钉扎在+z和-z方向，作为磁畴壁成核区；脉冲电流作用下磁畴壁在钉扎区域成核，并在自由层中运动；磁隧道结器件的磁电阻变化与磁畴壁在自由层中运动距离线性相关。

其中，在制造过程中通过氧气在自由层界面的化学吸附定量调控对应区域自由层与自旋轨道耦合层界面的DMI强度。

其中，所述激活函数发生器通过改变钉扎区的间距来实现不同的激活函数功能。

其中，通过重金属自旋轨道耦合层表面或界面对气体的吸附，增强自旋轨道耦合层有效自旋混合电导和自旋透明度。

其中，将非均匀分布的钉扎区组合替换为均匀分布的钉扎区组合，以实现突触器件功能。

作为本发明的另一方面，提供了一种如上所述的激活函数发生器的制备方法，包括以下步骤：

分别在铁磁自由层两端通过反铁磁耦合形成局部钉扎区，两个局部钉扎区磁矩方向分别被钉扎在+z/-z方向，作为磁畴壁的成核区；施加脉冲电流，在钉扎区形成磁畴壁，磁畴壁在脉冲电流产生的自旋轨道矩作用下在自由层中运动；

设计磁畴壁钉扎区；

通过重金属自旋轨道耦合层表面或界面对气体的吸附，大幅增强自旋轨道耦合层有效自旋混合电导和自旋透明度；

通过脉冲数的累计将磁畴驱动到不同的位置，实现磁隧道结的不同阻态切换。

其中，改变所述脉冲电流的极性，以实现磁畴壁的成核与驱动。

其中，磁畴壁运动型磁隧道结的磁阻表示为：

其中x₀是磁畴壁最终运动距离，L则是磁隧道结的总长度，RP是铁磁自由层和参考层磁化方向平行时对应的磁电阻，即最小磁电阻；R_AP是铁磁自由层和参考层磁化方向反平行时的磁电阻，即最大磁电阻。

在所述铁磁自由层和非磁性势垒层之间插入DMI增强层。

基于上述技术方案可知，本发明的基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：

(1)该激活函数发生器通过调制脉冲电流的数目实现磁畴壁的精确控制，实现神经元Sigmoid激活函数功能，避免了对脉冲电流的复杂调制，具有较低的功耗、较高的器件速率、较高的可靠性与电路兼容性。

(2)该激活函数发生器通过自由层、重金属自旋轨道耦合层表/界面对气体(如O2或H2)的吸附高效地调控自由层与自旋轨道耦合层界面DMI强度、SOT驱动磁畴壁运动效率，避免了对相应材料非均匀形状的加工，提高器件稳定性。

(3)通过相同技术方案，只需要简单地将非均匀分布的钉扎区组合替换为均匀分布的钉扎区组合就可以实现突触器件功能，有利于构建神经网络，降低集成难度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的MTJ基激活函数发生器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的自由层钉扎区域分布示意图；

图3是本发明实施例提供的磁畴壁运动速度与脉冲幅值和DMI强度关系图像；

图4是本发明实施例提供的磁畴壁位置随脉冲数的变化关系；

图5是本发明实施例提供的基于本发明技术方案构建用于演示的3×3简神经网络；

图6是本发明实施例提供的4×4神经网络电路仿真结果。

上述附图中，附图标记含义如下：

100、激活函数发生器；101、上电极；102、铁磁参考层；

103、非磁性势垒层；104、左电极；105、反铁磁钉扎层；

106、铁磁自由层；107、自旋轨道耦合层；108、右电极；

109、反铁磁钉扎层；200、自由层钉扎区；

201、人为设置的磁畴壁钉扎区；202、磁畴壁成核区。

具体实施方式

非易失存储器和基于非易失存储器的存算一体技术为研究者们提供了一种新思路和可能性。在仿生神经元和突触功能方面，基于磁畴壁运动的MRAM具有超出其他种类非易失存储器的优势。其可以通过全电学方法调制畴壁运动，而磁畴壁的运动引起自由层磁矩变化，直接反映在MTJ的隧穿磁阻效应(TMR)上。因此通过电学手段调制畴壁运动、钉扎、退钉扎过程可以有效实现多阻态调制。根据磁畴壁运动距离和TMR的关系进一步可以实现突触权重线性调节和神经元激活函数功能。

为此，本发明公开了一种基于磁畴壁驱动型磁隧道结Sigmoid激活函数发生器的制备技术及其集成应用。在全电场调控下，脉冲电流实现磁畴壁的可控成核、运动和钉扎，通过自旋轨道矩有效调制隧道结器件磁阻变化。所述器件包括自旋轨道耦合层、铁磁自由层、非磁性势垒层、铁磁参考层。通过O2在自由层界面的局域吸附处理可有效调控自由层与自旋轨道耦合层界面处反对称交换相互作用(DMI)强度，进而形成磁畴壁的钉扎区。通过调控DMI强度和设置钉扎区的间距，可以实现器件阻态与脉冲数的非线性Sigmoid激活函数特性关系。本发明阐述了该激活函数发生器的结构、制备技术及操作方法和集成应用，且该器件结构简单，材料体系与CMOS工艺兼容，利于大规模制备和实用化。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示为本技术方案激活函数发生器结构示意图，主要分为MTJ、自旋轨道耦合层和电极接触三部分。该激活函数发生器为三端器件，包括上电极101、左电极104和右电极108。铁磁参考层102、非磁性势垒层103、铁磁自由层106构成MTJ，利用隧穿磁阻效应(TMR)读取器件阻态。反铁磁钉扎层105和109通过反铁磁耦合效应将铁磁自由层106两端磁矩分别钉扎在相反方向(+z/-z)，作为磁畴壁的成核区。该激活函数发生器操作方法：写脉冲电流由左/右电极注入自旋轨道耦合层107，自旋轨道耦合层107通过自旋轨道耦合效应(SOC)产生自旋轨道矩(SOT)驱动磁畴壁成核和在自由层中运动；读脉冲电流由顶电极流经MTJ，通过TMR效应读取器件的阻态信息。

本发明公开了一种气体辅助的基于磁畴壁驱动型磁隧道结(MTJ)Sigmoid激活函数发生器，包括：用于产生自旋轨道矩的自旋轨道耦合层；形成在所述自旋轨道耦合层上的提供磁畴壁运动赛道的铁磁自由层；形成在所述铁磁自由层上的非磁性势垒层；形成在所述非磁性势垒层上磁化方向被钉扎的铁磁参考层；形成在所述参考层上的顶电极；以及形成在自由层两端上的反铁磁钉扎层和形成在所述反铁磁钉扎层上的左/右电极。.本发明中以磁畴壁作为信息载体，钉扎就是指使磁畴壁停留并保持在预设的位置，磁畴壁停留在不同的位置就代表不同的状态。

根据本发明进一步的实施例，所述自旋轨道耦合层材料为W、Pt、Pd、Ta中的一种、多种或相关合金；所述铁磁自由层和参考层为具有垂直各向异性的CoFeB、CoFe、Co/Pt、Ni/Co等材料的一种或多种，优选的，所述参考层可以选择合成反铁磁层(SAF)或亚铁磁层以消除参考层杂散场对磁畴壁运动的影响；所述非磁性势垒层为MgO、HfOx、AlOx等中的一种或多种。

根据本发明进一步的实施例，自由层两端通过反铁磁耦合将磁矩方向分别被钉扎在+z/-z方向，作为磁畴壁成核区。脉冲电流作用下磁畴壁在钉扎区域成核，并在自由层中运动。MTJ器件的磁电阻变化与磁畴壁在自由层中运动距离线性相关。

根据本发明进一步的实施例，在制造过程中通过氧气在自由层界面的化学吸附定量调控对应区域自由层与自旋轨道耦合层界面的DMI强度。DMI强度大的区域对于磁畴壁相当于势阱，势阱深度合适时可作为磁畴壁的有效钉扎区域。其中，DMI是自旋之间的一种反对称相互作用，可用来调制磁畴壁能量，可用来形成能量势阱使磁畴壁困在势阱中无法挣脱，达到钉扎的效果。

根据本发明进一步的实施例，根据所要实现的函数功能合理设计钉扎区的间距可以实现脉冲数与MTJ隧穿磁阻的非线性Sigmoid函数关系，实现神经元激活函数的功能。

根据本发明进一步的实施例，气体(如O₂或H2)在自旋轨道耦合层表/界面的吸附，可以大幅增强自旋轨道耦合层有效自旋混合电导和自旋透明度，进一步提升电子电荷流-自旋流转化效率即SOT驱动磁畴壁运动效率，从而进一步提高器件工作速度和降低能耗。

根据本发明进一步的实施例，将非均匀分布的钉扎区组合简单替换为均匀分布的钉扎区组合即可实现突触器件功能。相同技术方案和工艺条件下制作的激活函数发生器和突触器件，利于直接构建神经网络，降低了集成难度。

本发明还公开了一种如上所述的激活函数发生器的制备方法，具体包括如下步骤：

首先，分别在自由层两端通过反铁磁耦合形成一个局部钉扎区，这两个局部钉扎区磁矩方向分别被钉扎在+z/-z方向，作为磁畴壁的成核区。施加脉冲电流，可以在钉扎区形成磁畴壁，磁畴壁在脉冲电流产生的自旋轨道矩作用下在自由层中运动。改变脉冲电流极性，也可以实现磁畴壁的成核与驱动。

其次，设计磁畴壁钉扎区。磁畴壁运动型MTJ的磁阻可以表示为：

其中x₀是磁畴壁最终运动距离，L则是MTJ的总长度。因此可以合理设计相邻钉扎区距离实现脉冲数与磁畴壁位置的非线性Sigmoid函数关系。通过气体辅助实现自由层/自旋轨道耦合层DMI强度的定量调控。Sci.Adv.2020；6：eaba4924中报导每吸附一层氧气分子可以使Ni/Co多层的DMI增强0.63±0.26meV/atom。利用光刻工艺，在自由层上刻蚀出氧气吸附窗口，被掩蔽层覆盖的自由层不发生氧气吸附。精确控制氧气吸附量实现吸附窗口内自由层和自旋轨道耦合层界面DMI强度的定量调控。经过多次光刻和气体吸附可以将自由层各区域DMI调控到所需值。DMI大的区域对于磁畴壁相当于势阱，势阱深度合适时可以有效钉扎住磁畴壁。而对于非钉扎区的自由层，增强DMI强度也可以增大磁畴壁运动速度，达到降低所需脉冲电流幅值的目的。此外可以在自由层和势垒层之间插入一层DMI增强层(Ti、W、Co)进一步提高自由层的DMI强度。

再次，通过重金属自旋轨道耦合层表/界面对气体(如H₂)的吸附，可以大幅增强自旋轨道耦合层有效自旋混合电导和自旋透明度，进一步提升电子电荷流-自旋流转化效率即SOT驱动磁畴壁运动效率，从而进一步提高器件工作速度和降低能耗。

最后，通过脉冲数的累计可以将磁畴驱动到不同的位置，实现MTJ的不同阻态切换。因此本案列中对脉冲波形、幅值(＞J_c，J_c为磁畴壁退钉扎的阈值电流)等没有严格要求，避免了对脉冲的精确调制。

此外，上述对器件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)器件及其中各层尺寸可以根据工艺进行微缩，形状可简单替换；

(2)各层所在位置的上下顺序替换；

(3)改变钉扎区间距实现不同的函数功能。

图2所示为该技术方案自由层钉扎区200设置示意图。201为代表的区域就是人为设置的磁畴壁钉扎区，通过气体(如O₂)吸附增强钉扎区DMI强度。相邻钉扎区的间距根据所要实现的Sigmoid函数功能非均匀设置。图2中所示两端白色虚线区域对应图1中的磁畴壁成核区202。

图3所示为磁畴壁运动速度与脉冲电流幅值和DMI强度的变化关系。由图可知提高脉冲电流幅值和增强DMI强度都可以显著提高磁畴壁运动速度。DMI大的区域对于磁畴壁相当于一个能量势阱。合理设置DMI强度和钉扎区宽度可以实现磁畴壁的有效钉扎。同时整体提高自由层与自旋轨道耦合层界面DMI强度，可以提高相同脉冲电流条件下磁畴壁运动速度，从而可以降低对脉冲电流幅值和脉冲宽度的要求，降低器件能耗。

图4所示为本发明的激活函数发生器磁畴壁位置随脉冲电流的变化关系。离散点为mumax3仿真得到的每个脉冲作用结束后磁畴壁的位置，曲线为根据Slogistic函数拟合得到的结果。左上角插图为本实例所用的连续脉冲：幅值为5×10¹¹A/cm²，脉冲宽度为200ps，脉冲作用后磁畴壁自由弛豫1ns。从拟合结果可以看到本发明的激活函数发生器可以较好地实现Sigmoid激活函数功能。

图5所示为基于本技术方案的激活函数发生器构建的ANN神经网络。其中图5(a)所示为神经网络示意图，包括突触阵列和神经元阵列。来自前神经元的输入信号经突触阵列进行加权求和后输入神经元阵列，神经元阵列根据其所实现的激活函数产生输出信号。图5(b)为根据本技术方案的激活函数发生器实现的简单ANN网络，采用的是二值突触网络，突触权值“1”对应低突触电阻，权值“0”则代表高突触电阻，演示所用的权值分布如图中矩阵所示。高阻态时由突触流入激活函数发生器的电流幅值低于磁畴壁退钉扎的阈值电流密度，输入为无效脉冲。

电路仿真结果如图6所示，前神经元输入信号经突触阵列加权后改变激活函数发生器组态，在时钟信号控制下通过反相器读取器件组态得到相应的输出电压。从图6可以看出本技术方案实现了非线性激活函数功能。需要说明的是根据本发明的技术方案，等间距设置钉扎区即可实现突触器件功能，有利于神经网络的构建，降低了集成难度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于磁畴壁驱动型磁隧道结的激活函数发生器，其特征在于，包括：

自旋轨道耦合层，用于产生自旋轨道矩；

铁磁自由层，形成在所述自旋轨道耦合层上，用于提供磁畴壁运动轨道；

非磁性势垒层，形成在所述铁磁自由层上；

铁磁参考层，形成在所述非磁性势垒层上；

顶电极，形成在所述铁磁参考层上；

反铁磁钉扎层，形成在所述铁磁自由层两端上；

左电极和右电极，分别形成在所述反铁磁钉扎层上的两个位置处；

其中，所述铁磁自由层包含多个磁畴壁钉扎区，控制所述多个磁畴壁钉扎区之间的间距非均匀设置，以实现不同的激活函数功能，其中，通过氧气在所述铁磁自由层的界面的局域吸附处理调控所述铁磁自由层与所述自旋轨道耦合层的界面处反对称交换相互作用强度，进而形成磁畴壁钉扎区。

2.根据权利要求1所述的激活函数发生器，其特征在于，所述自旋轨道耦合层材料为W、Pt、Pd、Ta中的一种、多种或相关合金；所述铁磁自由层和铁磁参考层为具有垂直各向异性的CoFeB、CoFe、Co/Pt、Ni/Co材料的一种或多种；所述铁磁参考层选择合成反铁磁层或亚铁磁层，以消除参考层杂散场对磁畴壁运动的影响；所述非磁性势垒层为MgO、HfOx、AlOx中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的激活函数发生器，其特征在于，所述铁磁自由层两端通过反铁磁耦合将磁矩方向分别被钉扎在+z和-z方向，作为磁畴壁成核区；脉冲电流作用下磁畴壁在钉扎区域成核，并在自由层中运动；磁隧道结器件的磁电阻变化与磁畴壁在自由层中运动距离线性相关。

4.根据权利要求1所述的激活函数发生器，其特征在于，在制造过程中通过氧气在自由层界面的化学吸附定量调控对应区域自由层与自旋轨道耦合层界面的DMI强度。

5.根据权利要求1所述的激活函数发生器，其特征在于，通过重金属自旋轨道耦合层表面或界面对气体的吸附，增强自旋轨道耦合层有效自旋混合电导和自旋透明度。

6.根据权利要求1所述的激活函数发生器，其特征在于，将非均匀分布的钉扎区组合替换为均匀分布的钉扎区组合，以实现突触器件功能。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的激活函数发生器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别在铁磁自由层两端通过反铁磁耦合形成局部钉扎区，两个局部钉扎区磁矩方向分别被钉扎在+z/-z方向，作为磁畴壁的成核区；施加脉冲电流，在钉扎区形成磁畴壁，磁畴壁在脉冲电流产生的自旋轨道矩作用下在自由层中运动；

在所述铁磁自由层上设置多个磁畴壁钉扎区，控制所述多个磁畴壁钉扎区之间的间距非均匀设置，以实现不同的激活函数功能，其中，通过氧气在所述铁磁自由层的界面的局域吸附处理调控所述铁磁自由层与所述自旋轨道耦合层的界面处反对称交换相互作用强度，进而形成磁畴壁钉扎区；

通过重金属自旋轨道耦合层表面或界面对气体的吸附，大幅增强自旋轨道耦合层有效自旋混合电导和自旋透明度；

通过脉冲数的累计将磁畴驱动到不同的位置，实现磁隧道结的不同阻态切换。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，改变所述脉冲电流的极性，以实现磁畴壁的成核与驱动。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，磁畴壁驱动型磁隧道结的磁阻表示为：

其中x₀是磁畴壁最终运动距离，L则是磁隧道结的总长度，R_p是铁磁自由层和参考层磁化方向平行时对应的磁电阻，即最小磁电阻；R_AP是铁磁自由层和参考层磁化方向反平行时的磁电阻，即最大磁电阻；

在所述铁磁自由层和非磁性势垒层之间插入DMI增强层。

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