一种基于自旋轨道矩的神经元器件

1.本公开涉及类脑计算技术领域，具体涉及一种基于自旋轨道矩的神经元器件。


背景技术：

2.受脑启发的神经形态计算是“后摩尔”时代解决冯
·
诺依曼体系结构中存储器问题以及应对摩尔定律终结的一种有潜力的发展方向之一。神经形态计算有望在进一步提升芯片算力的同时，显著降低芯片的功耗。
3.而在发展神经形态计算的过程中，首先需要研究具有一定生物特性的神经形态器件(突触、神经元等)。近些年，研究人员发现新型存储器(磁性存储器、阻变存储器、相变存储器、铁电存储器等)及一些新原理器件(离子晶体管等)等可以比传统高功耗、大面积开销的cmos神经元电路更好的、更丰富的模拟出人脑突触和神经元的一些特性。其中，磁性存储器的高速、高耐久性、低功耗使其在神经形态计算领域具有很大的竞争力。
4.然而，目前基于自旋电子器件的神经形态器件的研究较多停留在对于突触器件的研究，对于神经元器件的研究相对较少。并且仅存的一些神经元器件都是基于自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的方式来模拟神经元的积累特性，但自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的速度相较与自旋轨道矩驱动的方式较慢。而神经元的泄露特性是通过形状各向异性、偏置场、各向异性梯度的方式来实现。
5.因此，为了适用于高速、复杂的神经网络需要探究自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的神经元器件以及通过更多的机制来模拟出神经元的泄露特性。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了基于自旋轨道矩的神经元器件，旨在解决基于磁性隧道结实现模拟生物神经元的积累、泄露及放电的特性，并且，通过在自由层两侧沉积局部磁化方向相反的反铁磁体或较厚的局部自由层，实现畴壁的钉扎。
7.本公开的第一个方面提供了一种基于自旋轨道矩的神经元器件，包括：依次形成在基底上的反铁磁钉扎层、第一铁磁层及自旋轨道耦合层；其中，自旋轨道耦合层由ta、w、mo中的一种或多种材料构成；形成在自旋轨道耦合层上并根据自旋轨道矩使磁畴壁移动的自由层；形成在自由层上的隧穿层；形成在自由层两侧并具有相反磁化方向的左钉扎层与右钉扎层；形成在隧穿层上的参考层；其中，自由层、隧穿层及参考层构成磁性隧道结，该磁性隧道结用于读取神经元信号。
8.进一步地，自旋轨道耦合层由ta、w、mo中的一种或多种材料构成。
9.进一步地，自由层具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成；第一铁磁层具有面内磁各向异性，其由cofeb、nife及co中的一种或多种材料构成；反铁磁钉扎层具有垂直交换作用，其由irmn、femn、nimn、comn、ptmn、mn2au、nio及mno中的一种或多种材料构成。
10.进一步地，自由层具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe
中的一种或多种材料构成；第一铁磁层具有倾斜磁各向异性，其由cofeb、nife、co、cofeal、cofe中的一种或多种材料构成；反铁磁钉扎层具有倾斜交换作用，其由irmn、femn、nimn、comn、ptmn、mn2au、nio及mno中的一种或多种材料构成。
11.进一步地，自由层具有倾斜磁各向异性，其由cofeb、nife、co、cofeal及cofe中的一种或多种材料构成；第一铁磁层具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成；反铁磁钉扎层具有垂直交换作用，其由irmn、femn、nimn、comn、ptmn、mn2au、nio及mno中的一种或多种材料构成。
12.进一步地，该器件还包括：形成在反铁磁钉扎层及第一铁磁层之间的第二铁磁层。
13.进一步地，自由层具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成；第一铁磁层具有面内磁各向异性，其由cofeb、nife及co中的一种或多种材料构成；反铁磁钉扎层具有垂直交换作用，其由irmn、femn、nimn、comn、ptmn、mn2au、nio及mno中的一种或多种材料构成；第二铁磁层具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成。
14.进一步地，该器件还包括：依次形成在基底上的第二铁磁层及绝缘层，其中，反铁磁钉扎层位于所述绝缘层上。
15.进一步地，自由层具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成；第一铁磁层具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成；反铁磁钉扎层具有垂直交换作用，其由irmn、femn、nimn、comn、ptmn、mn2au、nio及mno中的一种或多种材料构成；绝缘层由sio2构成；第二铁磁层具有面内磁各向异性，其由cofeb、nife及co中的一种或多种材料构成。
16.进一步地，该器件还包括：依次形成在反铁磁钉扎层上的第二铁磁层及间隔层，其中，第一铁磁层位于间隔层上。
17.进一步地，自由层具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成；第一铁磁层具有面内磁各向异性，其由cofeb、nife及co中的一种或多种材料构成；间隔层由ru、ta、w、v、cr、rh、nd、mo、re中的一种或多种材料构成；第二铁磁层具有垂直磁各向异性，其由：cofeb、co/pt、cofeal、co/pd、cofe中的一种或多种材料构成；反铁磁钉扎层具有垂直交换作用，其由irmn、femn、nimn、comn、ptmn、mn2au、nio及mno中的一种或多种材料构成。
18.进一步地，自旋轨道耦合层用于实现神经元的积累和泄露特性，在旋轨道耦合层通入电流，基于自旋霍尔效应产生垂直方向的自旋流，在自旋轨道矩的作用下，实现畴壁的运动，模拟生物神经元的积累特性；在没有电流的情况下，自由层和第一铁磁层通过自旋轨道耦合层通过rkky作用铁磁或反铁磁的耦合起来，使得自由层中畴壁存在与电流驱动方向相反的运动趋势，实现生物神经元的泄露特性；当自由层中的畴壁运动位置超过阈值区域时，会使磁性隧道结的从反平行态切换到平行态，采用外部电路，输出一个尖峰脉冲，模拟生物神经元的放电特性。
19.进一步地，自由层的层厚为0.8～2nm。
20.进一步地，该rkky作用与自旋轨道耦合层的层厚、材料及调制注入电流密度的大小有关。
21.进一步地，通过调制适当大小和不同符号的dmi反对称作用及阻尼系数，实现调节
神经元积累过程的速率。
22.进一步地，该器件还包括：左电极、右电极及顶电极，其中，左电极和右电极分别相对设置在自旋轨道耦合层上未设置自由层的两侧，顶电极位于参考层上。
23.进一步地，参考层的层厚大于自由层的层厚，其层厚优选0.8～2nm。
24.进一步地，隧穿层的层厚优选0.5～4nm。
25.进一步地，左电极、右电极及顶电极的层厚均为50～200nm。
26.进一步地，第一铁磁层或自由层的倾斜磁化方向或倾斜磁各向异性，用于使得自由层上产生x方向的等效场，以实现磁畴壁手性不变，实现畴壁的高速运动又避免了泄露过程中进动诱导畴壁手性变化而导致下一个积累过程运动方向的不确定性。
27.本公开的第二个方面提供了一种基于自旋轨道矩的神经元器件的制备方法，包括：在衬底上依次生长反铁磁钉扎层、第一铁磁层、自旋轨道耦合层、自由层；在自旋轨道耦合层上两侧分别形成左电极和右电极；在自由层上依次形成隧穿层、参考层及顶电极，其中，自由层、隧穿层及参考层构成磁性隧道结，该磁性隧道结用于读取神经元信号。
28.本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：
29.(1)、该基于磁性隧道结的神经元器件可以实现在全电场情况下对来自突触的电流脉冲进行积累、兼具高能效和高可靠的自泄露功能，当积累的电流脉冲驱动磁畴壁运动并超过阈值区域时，神经元会激活并放出一个尖峰信号，模拟人脑神经元的功能。
30.(2)、实现了自旋轨道矩驱动磁畴壁的神经元器件。
31.(3)、通过调制第一铁磁层或自由层的倾斜磁化方向或倾斜磁各向异性，保证磁畴壁的手性不变，实现了高速的神经元器件。
附图说明
32.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
33.图1示意性示出了根据本公开第一至第三实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的主视图；
34.图2示意性示出了根据本公开第四实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的主视图；
35.图3示意性示出了根据本公开第五实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的主视图；
36.图4示意性示出了根据本公开第六实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的主视图；
37.图5示意性示出了根据本公开一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的泄露
‑
积累
‑
放电的特性示意图；
38.图6示意性示出了根据本公开一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的积累特性与dm反对称交换作用的示意图；
39.图7示意性示出了根据本公开一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的积累特性与阻尼系数的关系示意图；
40.图8示意性示出了根据本公开一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的制备方法的流程图。
具体实施方式
41.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
42.应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
43.本公开提供了一种基于自旋轨道矩的神经元器件，包括：依次形成在基底上的反铁磁钉扎层、第一铁磁层及自旋轨道耦合层；形成在自旋轨道耦合层上并根据自旋轨道矩使磁畴壁移动的自由层；形成在自由层上的隧穿层；形成在自由层两侧并具有相反磁化方向的左钉扎层与右钉扎层；形成在隧穿层上的参考层；其中，自由层、隧穿层及参考层构成磁性隧道结，该磁性隧道结用于读取神经元信号。
44.本公开的实施例提供的基于自旋轨道矩的神经元器件，实现了以下技术效果：第一，通过在自由层两侧沉积磁化方向相反的反铁磁体或保留/沉积较厚的局部自由层，实现畴壁的钉扎。第二，通过复用自旋轨道耦合层实现神经元的积累和泄露特性，一方面，在自旋轨道耦合层通入电流，由于自旋霍尔效应产生垂直方向的自旋流，在自旋轨道矩的作用下，实现畴壁的运动，模拟神经元的积累特性；另一方面，在没有电流的情况下，自由层和第二铁磁层通过自旋轨道耦合层通过rkky作用铁磁或反铁磁的耦合起来，使自由层中畴壁存在与电流驱动方向相反的运动趋势，实现泄露的功能。第三，通过沉积面内磁各向异性的铁磁层的杂散场或通过交换偏置、层间交换耦合或倾斜磁场中退火的方式实现第二铁磁层或自由层的倾斜磁化方向或倾斜磁各向异性，进而使得自由层上产生x方向的等效场，保证了磁畴壁手性不变，既可以实现畴壁的高速运动又避免了泄露过程中进动诱导畴壁手性变化而导致下一个积累过程运动方向的不确定性。最后，根据来自突触的电流脉冲的幅值、脉宽及数目，驱动磁畴壁运动，实现神经元的积累的功能；当没有电流脉冲时，畴壁会在下层铁磁层的rkky作用下，向相反方向运动，实现神经元的泄露功能；当畴壁运动到阈值区域，即参考层下方对应局部自由层的磁化方向发生反转时，mtj结合外围电路输出一个尖峰信号，实现神经元的放电功能。
45.下面将结合本公开一些具体的实施例中的神经元器件结构，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，图1～6中示出的基于自旋轨道矩的神经元器件中各部分的材料层、形状和结构仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。
46.实施例1
47.图1示意性示出了根据本公开第一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的主视图，该器件通过自旋轨道扭矩引起的磁畴壁移动的神经形态器件，以实现模拟类似于生物体神经元的泄露
‑
积累
‑
放电的特性。
48.如图1所示，本公开实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件，包括：基底115、反铁
磁钉扎层111、第一铁磁层110、自旋轨道耦合层109、右电极108、自由层107、右钉扎层106、顶电极105、参考层104、隧穿层103、左钉扎层102及左电极101。
49.其中，基底115，该基底115可以为不同晶面的蓝宝石衬底或硅衬底或石英衬底等构成。
50.反铁磁钉扎层111，其形成在基底115上表面。
51.第一铁磁层110，其形成在反铁磁钉扎层111上表面。
52.自旋轨道耦合层109，其形成在第一铁磁层110上表面，自旋轨道耦合层109的横向长度大于第一铁磁层110。本公开的实施例中，在自旋轨道耦合层109未设置有自由层107的上表面两侧设置左电极101和右电极108。
53.自由层107，其形成在自旋轨道耦合层109上表面，自由层107的横向长度小于自旋轨道耦合层109。本公开的实施例中，在自旋轨道耦合层109未设置有自由层107的上表面两侧设置左电极101和右电极108。
54.隧穿层103，其形成在自由层107上表面，隧穿层103的横向长度小于自由层107，其中，自由层107正对隧穿层103的区域形成阈值区域。本公开的实施例中，在自由层107未设置有隧穿层103的上表面两侧设置有相反磁化方向的左钉扎层102与右钉扎层106。
55.参考层104，其形成在隧穿层103上表面。
56.顶电极105，其形成在参考层104上表面。
57.具体地，自由层107、隧穿层103及参考层104构成用于读取的磁性隧道结(mtj)，自由层107、自旋轨道耦合层109及第一铁磁层110通过自旋轨道耦合层109的rkky交换作用耦合起来，具体的根据自旋轨道耦合层109的层厚大小的变化，可以实现铁磁耦合或反铁磁耦合作用，通常铁磁和反铁磁耦合随着自旋轨道耦合层109的层厚增加而呈现振荡性的变化，振荡周期约为1nm，例如，由w材料构成的自旋轨道耦合层109的厚度小于0.43nm时，实现铁磁耦合；当由w材料构成的自旋轨道耦合层109的厚度大于0.43nm且小于0.75nm时，实现反铁磁耦合。
58.本实施例中，以反铁磁耦合作用为例，参考层104与自由层107具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成，参考层104层厚优选0.8～2nm，自由层107层厚优选0.8～2nm。隧穿层103由mgo、al2o3等构成，层厚优选0.5～4nm。第一铁磁层110具有较厚的面内磁各向异性，其由cofeb、nife及co中的一种或多种材料构成，其层厚满足面内各向异性即可。自旋轨道耦合层109由ta、w、mo等金属的一种或多种材料构成，其特征在于可以使两侧铁磁层产生rkky交换作用，同时具有强自旋轨道耦合作用，具有显著的自旋霍尔效应。左钉扎层102与右钉扎层106可采用irmn、ptmn等反铁磁材料或采用与自由层107同种材料构成。反铁磁钉扎层111具有垂直方向的反铁磁交换作用，其由irmn、femn、nimn、comn、ptmn、mn2au、nio及mno中的一种或多种材料构成。左电极101、顶电极105及右电极108由ti、au、ti/au、ti/pt、cr/au、ta/cun等金属或合金构成，各电极层厚优选50～200nm。
59.本实施例中，参考层104磁化方向沿
‑
z方向；左钉扎层102磁化方向沿
‑
z方向，右钉扎层106磁化方向沿+z方向，使磁畴壁可以在左右两钉扎区域所夹范围内运动，而不会湮灭；第一铁磁层110磁化方向沿着x方向，底部反铁磁钉扎层111沿+z方向，使得第一铁磁层110的磁化方向可以被钉扎在
‑
z和x方向，第一铁磁层100和与垂直交换的底部反铁磁钉扎
层111界面处存在强的交换偏置场，使第一铁磁层110磁化方向发生倾斜(x
‑
z面内)，通过间隔层的rkky作用，可以在自由层107上产生等效的+z方向和x方向的等效场，这可以保持自由层107中畴壁的手性不变，既可以实现畴壁的高速运动又避免了泄露过程中进动诱导畴壁手性变化而导致下一个积累过程运动方向的不确定性。
60.实施例2
61.本实施例中的基于自旋轨道矩的神经元器件结构如图1所示，本实施例与实施例1的区别在于：
62.本实施例中，以反铁磁耦合作用为例，第一铁磁层110具有第一铁磁层具有倾斜磁各向异性(x
‑
z面内)，其由cofeb、nife、co、cofeal、cofe中的一种或多种材料构成，其具体可以通过在倾斜的磁场中退火、倾斜角度溅射等方式实现。反铁磁钉扎层111具有倾斜的反铁磁交换作用，其由irmn、femn、nimn、comn、ptmn、mn2au、nio及mno中的一种或多种材料构成。需说明得是，本实施例中，其他材料层与实施例1保持一致，此处不再赘述。
63.具体地，参考层104磁化方向沿
‑
z方向，左钉扎层102磁化方向沿
‑
z方向，右钉扎层106磁化方向沿+z方向，使磁畴壁可以在左右两钉扎区域所夹范围内运动，而不会湮灭；底部反铁磁钉扎层111沿+z和x方向，使得第一铁磁层110磁化方向可以被钉扎在
‑
z和x方向，具有倾斜磁各向异性的第一铁磁层110的磁化方向是倾斜的(x
‑
z面内)，通过间隔层的rkky作用，可以在自由层107上产生等效的+z方向和x方向的等效场，这可以保持自由层107中畴壁的手性不变，既可以实现畴壁的高速运动又避免了泄露过程中进动诱导畴壁手性变化而导致下一个积累过程运动方向的不确定性。
64.实施例3
65.本实施例中的基于自旋轨道矩的神经元器件结构如图1所示，本实施例与实施例1的区别在于：
66.本实施例中，以反铁磁耦合作用为例，自由层107具有倾斜磁各向异性(x
‑
z面内)，其由cofeb、nife、co、cofeal及cofe中的一种或多种材料构成，其具体可以通过在倾斜的磁场中退火的方式实现。第一铁磁层110具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成。
67.具体地，左钉扎层102磁化方向沿
‑
z方向，右钉扎层106磁化方向沿+z方向，使磁畴壁可以在左右两钉扎区域所夹范围内运动，而不会湮灭；第一铁磁层110磁化方向沿着x方向，底部反铁磁钉扎层111沿+z方向，使得第一铁磁层110磁化方向可以被钉扎在
‑
z方向，参考层104磁化方向沿
‑
z方向；铁磁自由层107中畴壁可自由运动的区域磁化方向沿x和+z方向，这可以保持自由层107中畴壁的手性不变，既可以实现畴壁的高速运动又避免了泄露过程中进动诱导畴壁手性变化而导致下一个积累过程运动方向的不确定性。
68.实施例4
69.图2示意性示出了根据本公开第四实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的主视图。
70.如图2所示，本实施例中的基于自旋轨道矩的神经元器件结构与实施例1的区别在于：
71.本实施例中，在反铁磁钉扎层111与第一铁磁层110之间形成有第二铁磁层113，其中，第二铁磁层113具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种
或多种材料构成。第一铁磁层110具有面向磁各向异性，其由co、cofeb、nife中的一种或多种材料构成。
72.本实施例中，左钉扎层102磁化方向沿
‑
z方向，右钉扎层106磁化方向沿+z方向，使磁畴壁可以在左右两钉扎区域所夹范围内运动，而不会湮灭；第一铁磁层110磁化方向沿着x方向，底部反铁磁钉扎层111沿+z方向，使得第二铁磁层113磁化方向可以被钉扎在
‑
z方向，参考层104磁化方向沿
‑
z方向；第一铁磁层110和第二铁磁层113界面处存在的交换偏置场可以使第一铁磁层110磁化方向发生倾斜(x
‑
z面内)，通过间隔层的rkky作用，可以在自由层107上产生等效的+z方向和x方向的等效场，这可以保持自由层107中畴壁的手性不变，既可以实现畴壁的高速运动又避免了泄露过程中进动诱导畴壁手性变化而导致下一个积累过程运动方向的不确定性。
73.实施例5
74.图3示意性示出了根据本公开第五实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的主视图。
75.如图3所示，本实施例中的基于自旋轨道矩的神经元器件结构与实施例1的区别在于：
76.依次基底上形成有第二铁磁层113及绝缘层112，其中，反铁磁钉扎层111位于绝缘层112上。其中，第一铁磁层110具有垂直磁各向异性，其由cofeb、co/pt、cofeal、co/pd及cofe中的一种或多种材料构成。第二铁磁层113具有面内磁各向异性，其由cofeb、nife及co中的一种或多种材料构成。绝缘层112由sio2等绝缘材料构成。
77.本实施例中，左钉扎层102磁化方向沿
‑
z方向，右钉扎层106磁化方向沿+z方向，使磁畴壁可以在左右两钉扎区域所夹范围内运动，而不会湮灭；底部反铁磁钉扎层111沿+z方向，使得第一铁磁层110磁化方向可以被钉扎在
‑
z方向，参考层104磁化方向沿
‑
z方向；第二铁磁层113磁化方向沿着x方向，第二铁磁层113所产生的杂散场可以保持自由层107中畴壁的手性不变，既可以实现畴壁的高速运动又避免了泄露过程中进动诱导畴壁手性变化而导致下一个积累过程运动方向的不确定性。
78.实施例6
79.图4示意性示出了根据本公开第六实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的主视图。
80.如图4所示，本实施例中的基于自旋轨道矩的神经元器件结构与实施例1的区别在于：
81.依次形成在反铁磁钉扎层111上的第二铁磁层113及间隔层114，其中，第一铁磁层110位于间隔层114上。其中，间隔层114由ru、ta、w、v、cr、rh、nd、mo、re中的一种或多种材料构成。第二铁磁层113具有垂直磁各向异性，其由：cofeb、co/pt、cofeal、co/pd、cofe中的一种或多种材料构成。
82.本实施例中，左钉扎层102磁化方向沿
‑
z方向，右钉扎层106磁化方向沿+z方向，使磁畴壁可以在左右两钉扎区域所夹范围内运动，而不会湮灭；第一铁磁层110磁化方向沿着x方向，底部反铁磁钉扎层111沿+z方向，使得第二铁磁层113磁化方向可以被钉扎在
‑
z方向，参考层磁化方向沿
‑
z方向；第一铁磁层110和第二铁磁层113通过自旋轨道耦合层109的rkky交换作用耦合起来，使第一铁磁层110磁化方向发生倾斜(x
‑
z面内)，通过第自旋轨道
耦合层109的rkky作用，可以在自由层107上产生等效的+z方向和x方向的等效场，这可以保持自由层107中畴壁的手性不变，既可以实现畴壁的高速运动又避免了泄露过程中进动诱导畴壁手性变化而导致下一个积累过程运动方向的不确定性。
83.在本公开提供的实施例1至6中，初始状态下，铁磁自由层中畴壁可自由运动区域的z方向磁化分量沿+z方向，即磁畴壁位于左钉扎层区域的边界附近。因此，当左、右电极之间注入电流时，电流流过自旋轨道耦合层，在自旋霍尔效应的作用下产生垂直方向的自旋流，所产生的自旋轨道矩会驱动畴壁沿+x方向运动，模拟出神经元的积累过程。当没有电流注入时，第一铁磁层会通过中间的合成反铁磁耦合层间接作用于铁磁自由层，使其z方向磁化分量趋于+z方向，即使畴壁沿
‑
x方向运动，模拟出神经元的泄露过程；经过一系列的积累和泄露的过程后，畴壁运动超过铁磁参考层对应区域，此时，自由层的磁化方向由+z方向翻转为
‑
z方向，隧穿磁电阻由较大的反平行态电阻变为较小的平行态电阻，结合外部电路，可以输出一个尖峰脉冲，模拟出神经元的放电过程。
84.图5示意性示出了根据本公开一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的泄露
‑
积累
‑
放电的特性示意图，其中，自由层尺寸为60
×
300nm2，左、右两钉扎区域尺寸为60
×
30nm2。在该器件上连续施加6个幅值为4
×
107a/cm2，脉宽为0.4ns，周期为0.8ns的电流脉冲，在电流脉冲的幅值处于4
×
107a/cm2期间，磁畴壁沿+x方向运动，不断积累；而在电流脉冲幅值为0时，磁畴壁在rkky交换作用下沿
‑
x方向运动，实现泄露的过程；在连续6个脉冲后，磁畴壁到达阈值区域处，神经元激活，此时，输出电路会输出一个尖峰信号；随后，神经元进入回撤过程，同样在rkky反铁磁耦合的作用下，磁畴壁沿
‑
x方向一直运动到初始位置，实现了完整的生物神经元的泄露
‑
积累
‑
放电的过程。
85.图6示意性示出了根据本公开一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的积累特性与dm反对称交换作用的示意图，由图6可以看出，随着dmi反对称作用的增强，磁畴壁运动速度加快，因此可以根据需要通过调节dmi反对称作用强度的方式适当调节积累过程的特性。
86.图7示意性示出了根据本公开一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的积累特性与阻尼系数的关系示意图，由图7可以看出，随着阻尼系数的增大，磁畴壁运动速度减慢，因此可以根据需要通过调节阻尼系数的方式适当调节积累过程的特性。
87.需说明的是，上述实施例中各半导体材料层的长宽大小、具体材料举例仅为示例性说明，其并不构成本公开实施例的限定。
88.图8示意性示出了根据本公开一实施例的基于自旋轨道矩的神经元器件的制备方法的流程图，该方法步骤制备出的神经元器件的结构如图1～4所示。
89.如图8所示，该基于自旋轨道矩的神经元器件的制备方法，包括：
90.s801，在衬底上依次生长反铁磁钉扎层、第一铁磁层、自旋轨道耦合层、自由层。
91.s802，在自旋轨道耦合层上两侧分别形成左电极和右电极。
92.s803，在自由层上依次形成隧穿层、参考层及顶电极，其中，自由层、隧穿层及参考层构成磁性隧道结，该磁性隧道结用于读取神经元信号。
93.需说明的是，本公开的实施例中通过上述工艺制备过程制备出的神经元器件结构如图1至图4所示，其各具体的材料层、层厚、材料层构成的结构亦如图1至图4所示，此处不再详细赘述。
94.需说明的是，本公开的实施例中上述步骤中采用的工艺方法、材料仅为示例性的说明，例如上述半导体层可以使用常规的薄膜生长、刻蚀方法如pvd、mbe、ald、ibe、rie、icp等方法也可能得到高质量的外延薄膜等等，本公开对此不做限定。
95.从以上的描述中，可以看出，本公开上述的实施例至少实现了以下技术效果：
96.1)、该基于磁性隧道结的神经元器件可以实现在全电场情况下对来自突触的电流脉冲进行积累、兼具高能效和高可靠的自泄露功能，当积累的电流脉冲驱动磁畴壁运动并超过阈值区域时，神经元会激活并放出一个尖峰信号，模拟人脑神经元的功能。
97.2)、实现了自旋轨道矩驱动磁畴壁的神经元器件。
98.3)、通过调制第一铁磁层或自由层的倾斜磁化方向或倾斜磁各向异性，保证磁畴壁的手性不变，实现了高速的神经元器件。
99.尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
100.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
101.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。