基于反铁磁材料的突触器件及其调控方法

技术领域

本发明属于类脑计算技术领域，具体地讲，涉及一种基于反铁磁材料的突触器件及其调控方法。

背景技术

目前，人工智能产业正爆发式增长。作为人工智能产业的基础层，人工智能芯片具有巨大的市场规模。对于如无人驾驶、面部识别等应用，由于网络延迟、带宽和隐私问题等各类原因，必须在终端完成推理与训练。而目前边缘处理器芯片主要基于冯诺依曼架构，其计算能力不能满足在本地实现神经网络推理的需求。目前有望满足这一需求的方案是类脑计算芯片。类脑计算芯片通过模拟人脑工作特性，采用非冯诺依曼架构构建硬件神经网络，从而实现低功耗、高性能的认知智能计算。

目前三星、苹果、华为、高通、联发科、IBM、英特尔等芯片厂商纷纷推出或者正在研发相关的类脑计算芯片产品。IBM发布了TrueNorth芯片，其运行能耗仅需20mW/cm

在对突触特性模拟方面，忆阻器被认为是最具希望的解决方案。目前突触器件领域研究最为成熟的是基于氧化物材料的体系，其工作机理主要依赖离子、氧空位在电场作用下迁移和聚集。显然，基于离子、氧空位迁移的过程比基于电子迁移的速度慢，且受到热效应的影响而使得稳定性较差，随机性很大，难以控制，且很容易受到外界环境的影响，限制了忆阻器的发展。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何提供一种功耗低、集成度高、具有非易失性且不受外界影响的突触器件。

(二)本发明所采用的技术方案

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于反铁磁材料的突触器件，包括：

衬底；

反铁磁功能层，设置于所述衬底上；

突触前电极，设置于所述反铁磁功能层上，用于接入第一脉冲电流，以使所述反铁磁功能层的磁矩从初始方向翻转至垂直方向，以增大所述反铁磁功能层的电阻，其中所述初始方向与所述垂直方向相互垂直；

突触后电极，设置于所述反铁磁功能层上，用于接入第二脉冲电流，以使所述反铁磁功能层的磁矩从所述垂直方向翻转至所述初始方向，以减小所述反铁磁功能层的电阻。

优选地，所述突触前电极包括相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极的连线方向与所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向平行。

优选地，所述突触后电极包括相对设置的第三电极和第四电极，所述第三电极和所述第四电极的连线方向与所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向垂直。

优选地，所述反铁磁功能层为包括包括单层反铁磁薄膜层或多层反铁磁薄膜层。

优选地，所述反铁磁功能层包括反铁磁薄膜层和设置于所述反铁磁薄膜层上的重金属层。

优选地，所述反铁磁薄膜层的材料为如下任意一种：MnO、NiO、CoO、IrMn、FeMn、PtMn、CrMn、PdMn、PdPtMn、CrPtMn、PdCrO

本发明还公开了一种基于反铁磁材料的突触器件的调控方法，其特征在于，所述调控方法包括：

将第一脉冲电流通过突触前电极注入至所述反铁磁功能层中，其中所述第一脉冲电流的注入方向与所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向相同；

控制注入的第一脉冲电流的数量，以使得所述反铁磁功能层的电阻增大至第一预设值。

优选地，所述调控方法还包括：

将第二脉冲电流通过突触后电极注入至所述反铁磁功能层中，其中所述第二脉冲电流的注入方向与所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向相垂直；

控制注入的第二脉冲电流的数量，以使得所述反铁磁功能层的电阻减小至第二预设值。

优选地，所述调控方法还包括：

将第一脉冲电流所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向设置于所述第一脉冲电流方向平行；

交替向所述反铁磁功能层中注入第一脉冲电流和第二脉冲电流，其中第一脉冲电流的波形为三角波，所述第二脉冲电流的波形为方波。

优选地，所述调控方法还包括：

将所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向设置为与所述第一脉冲电流方向垂直；

交替向所述反铁磁功能层中注入第一脉冲电流和第二脉冲电流，其中第一脉冲电流和所述第二脉冲电流的波形均为方波。

优选地，所述调控方法还包括：

将所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向设置于所述第一脉冲电流方向垂直；

交替向所述反铁磁功能层中注入第一脉冲电流和第二脉冲电流，其中第一脉冲电流和所述第二脉冲电流的波形均为方波。

(三)有益效果

本发明公开了一种基于反铁磁材料的突触器件，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

通过脉冲电流调控基于反铁磁材料的突触器件的霍尔电阻，实现对突触的长时程增强、长时程抑制、放电时间依赖可塑性等特性模拟，可用于构建高度仿生的突触器件。此外，本发明的突触器件具有功耗低、工作速度快、非易失、不受外界磁场干扰、集成度高等优点。

附图说明

图1是本发明的实施例的基于反铁磁材料的突触器件的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的另一实施例的基于反铁磁材料的突触器件的结构示意图；

图4是本发明的突触器件的突触长时程增强特性模拟工作示意图；

图5是本发明的突触器件的突触长时程抑制特性模拟工作示意图；

图6是本发明的突触器件的突触放电时间依赖可塑性的工作示意图。

图7是本发明的突触器件的突触放电时间依赖可塑性的另一工作示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

如图1和图2所示，本发明实施例的基于反铁磁材料的突触器件包括：衬底10、反铁磁功能层20、突触前电极30和突触后电极40，反铁磁功能层20设置于设置于衬底10上，突触前电极30设置于所述反铁磁功能层20上，且突触前电极30用于接入第一脉冲电流，以使所述反铁磁功能层20的磁矩从初始方向翻转至垂直方向，以增大所述反铁磁功能层20的电阻。突触后电极40设置于所述反铁磁功能层20上，且突触后电极40用于接入第二脉冲电流，以使所述反铁磁功能层20的磁矩从所述垂直方向翻转至所述初始方向，以减小所述反铁磁功能层的电阻，其中所述初始方向与所述垂直方向相互垂直。

具体，在详细描述本方案的原理之前，先简单介绍神经突触的基本原理。生物信号的传递和处理是一个复杂的化学过程，可以认为是当神经元的突触前端受到刺激时，神经递质便会形成并储存在突触小泡中，当刺激累积到一定程度时，突触前膜对钙离子的通透性增加，突触小泡与突触前膜紧密融合，并出现破裂口，小泡内的神经递质释放到突触间隙中，并且经过弥散到达突触后膜，改变突触后膜对离子的通透性，产生大概100mV持续时间约为0.1-1ms的动作电位传递到下一个神经元，起到传递神经信号的作用。当释放的是谷氨酸能等兴奋性神经递质，突触后端就会产生兴奋性神经电流；如果释放的是gama-氨基丁酸能等抑制性神经递质，突触后端就会产生抑制性神经电流。兴奋性神经递质和抑制性神经递质一般同时存在，他们的总和决定了突触前和突触后神经元的连接程度，即突触权重。

人工神经网络中的神经元模型，其中突触的作用被抽象为信号传输的权重。突触的可塑性，即连接强度的变化，则抽象为权重大小的变化。输入信号经过突触加权后，进行求和，最后通过激活函数决定输出结果。引申至神经网络硬件系统中，则突触的作用将用电阻或电导表示，通过调节电阻或电导的变化来模拟突触的可塑性从而优化神经网络系统。自旋突触器件的目标是替代人工神经网络中的突触。因此，自旋突触器件所要具备的特性是其电阻状态可被调控，并且具有非易失性，在断电后能够保持。

进一步地，操控和探测反铁磁磁矩是实现反铁磁存储信息写入与读出技术的关键，已有学者在反铁磁材料的电学调控研究中发现，在室温下施加一个短电流脉冲，可以翻转不同取向的反铁磁材料Mn

具体来说，突触前电极30包括相对设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极的连线方向与反铁磁功能层的磁矩的初始方向平行，这样注入的第一脉冲电流方向与磁矩的初始方向平行，这样磁矩在第一脉冲电流的驱动下发生翻转，导致霍尔电阻发生变化。为了更直观地描述霍尔电阻随注入的第一脉冲电流数量变化特征，本申请对突触器件进行了简单改进，如图3所示，其中突触器件设置有供电电极60和状态读取电极50，其中供电电极60用于接入电源，以对突触器件进行供电，状态读取电极50用于连接电压表，以测试突触器件电压变化，从而测试反铁磁功能层的电阻变化。如图4所示，根据测试结果可知，随之第一脉冲电流J

进一步地，突触后电极40包括相对设置的第三电极和第四电极，第三电极和第四电极的连线方向与反铁磁功能层20的磁矩的初始方向垂直，这样注入的第二脉冲电流方向与磁矩的初始方向垂直，这样磁矩在第二脉冲电流的驱动下发生翻转，导致霍尔电阻发生变化。如图3所示，为了更直观地描述霍尔电阻随注入的第二脉冲电流J

进一步地，如图6、7所示，为了实现突触放电时间依赖可塑性，交替向所述反铁磁功能层中注入第一脉冲电流J

作为优选实施例，反铁磁功能层20的厚度优选为0.1nm～50nm，反铁磁功能层20为包括包括单层反铁磁薄膜层或多层反铁磁薄膜层。在其他实施方式中，所述反铁磁功能层包括反铁磁薄膜层和设置于所述反铁磁薄膜层上的重金属层。其中，所述反铁磁薄膜层的材料为如下任意一种：MnO、NiO、CoO、IrMn、FeMn、PtMn、CrMn、PdMn、PdPtMn、CrPtMn、PdCrO

进一步地，突触前电极30和突触后电极40的厚度优选为10nm～200nm，材料优选为Pt或Au或Pb或Ta或Cr，供电电极和状态读取电极的厚度优选为10nm～200nm，材料优选为Pt或Au或Pb或Ta或Cr。

本申请通过脉冲电流调控基于反铁磁材料的突触器件的霍尔电阻，实现对突触的长时程增强、长时程抑制、放电时间依赖可塑性等特性模拟，可用于构建高度仿生的突触器件。此外，本发明的突触器件具有功耗低、工作速度快、非易失、不受外界磁场干扰、集成度高等优点。

本申请的另一实施例公开了一种基于反铁磁材料的突触器件的调控方法，所述调控方法包括如下步骤：

步骤S10：将第一脉冲电流通过突触前电极注入至所述反铁磁功能层中，其中所述第一脉冲电流的注入方向与所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向相同；

步骤S20：控制注入的第一脉冲电流的数量，以使得所述反铁磁功能层的电阻增大至第一预设值。

进一步地，调控方法还包括如下步骤：

步骤S30：将第二脉冲电流通过突触后电极注入至所述反铁磁功能层中，其中所述第二脉冲电流的注入方向与所述反铁磁功能层的磁矩的初始方向相垂直；

步骤S40：控制注入的第二脉冲电流的数量，以使得所述反铁磁功能层的电阻减小至第二预设值。

进一步地，为了实现放电时间依赖可塑性的模拟，可采用如下调控方法：

方法一：

先将反铁磁功能层的磁矩的初始方向设置为与第一脉冲电流方向平行；交替向所述反铁磁功能层中注入第一脉冲电流和第二脉冲电流，其中第一脉冲电流波形为如图6所示三角波形，所述第二脉冲电流的波形为方波，两脉冲电流的宽度为w。

通过控制所述第一脉冲电流和所述第二脉冲电流的时间间隔范围t

因此在上述调控方法作用下，电阻的变化量随t

方法二：

先将反铁磁功能层的磁矩方向设置为与第一脉冲电流方向垂直；交替向所述反铁磁功能层中注入第一脉冲电流和第二脉冲电流，其中第一、第二脉冲电流波形为如图7所示方波波形，两脉冲电流的宽度均为w。

通过控制所述第一脉冲电流和所述第二脉冲电流的时间间隔范围t

上述两种调控方法均可实现放电时间依赖可塑性的模拟，但是原理不同，两种方法可以独立实现，也可以共同实现。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。