[发明专利]一种基于斯格明子的神经元突触的存储器件

说明书

本发明公开了一种基于斯格明子的神经元突触的存储器件，包括由下至上依次设置的衬底、重金属层、绝缘势垒层和电极层组成，为三明治结构。本发明有望实现神经元突触中的多态神经递质，为人工智能中的人工神经网络领域里新型神经元突触存储器件开发提供物理基础。

技术领域

本发明具体是一种基于斯格明子的神经元突触的存储器件及其实现方法，属于人工智能之人工神经网络技术领域。

背景技术

人工神经网络是在研究人脑的奥秘中得到启发，试图用大量的处理单元(人工神经元、处理元件、电子元件等)模仿人脑神经系统工程结构和工作机理的一种算法。本发明是属于人工神经元器件。

磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构。斯格明子主要存在于非中心对称的手性磁性材料以及界面镜面对称性破缺的磁性薄膜材料中。因具有实空间的非平庸拓扑性，磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性，例如拓扑霍尔效应,新兴电磁动力学等,为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台.

同时，随着人工智能等发展需求，国内外学者对斯格明子给予了极大的关注。由于其出色的磁稳定性，超紧凑的尺寸以及纳米轨道内极低成本的驱动力，因此磁性斯格明子有望作为自旋电子信息载体的下一代逻辑和存储设备。而单个斯格明子有些类似单个神经递质，因此根据不同的激发产生相似而略有差别的多个斯格明子可以达到和神经元中神经递质传递信息相同的作用，这将对人工神经网络的发展起到很大的奠基作用。

目前国际上已经公开过一些基于斯格明子的忆阻器等存储器，但这些存储器要么是以电阻为测量标准，要么是以电子的变化为测量标准，从而模拟神经元特性的。而本发明研究是根据磁矩的变化来模拟神经元内的突触特性的，以斯格明子模拟神经元内的突触递质的。相比已有的斯格明子存储器，本发明则更微观化、细致化，在人工神经元上更为基础。

发明内容

本发明旨在提供一种基于斯格明子的神经元突触的存储器件及其实现方法，以物理器件中的斯格明子实现人工神经元中多态的神经递质。

本发明提供的一种基于斯格明子的神经元突触的存储器件，包括由下至上依次设置的衬底、重金属层、绝缘势垒层和电极层组成，为三明治结构；所述存储器件的每一层的形状均相同，该形状为多个几何图形顺序相连，几何图形依次为小正方形，长条形，梯形，大长条形，细条形，设有一个三角形缺口的大正方形，半圆形；小正方形连接长条形的一个短边，两者中心对齐，长条形另一个短边连接梯形的上底边，梯形的下底边连接大长条形的一个短边，大长条形的一个长边还设有一个小的突出的方块，大长条形的另一个长边连接细条形的一端，细条形的另一端连接大正方形的三角形缺口最深处，所述大正方形的三角形为等腰直角三角形且直角过大正方形的中心点，大正方形上与三角形缺口相对的侧边连接半圆形的弧形中点。

优选地，所述衬底为Si衬底，通用的高纯硅片即可。

可选地，所述重金属层为具有较大自旋极化率的重金属，选自铁磁性单质Co、Pt、Ta中的一种。可以将所述的重金属Co/Pt/Ta材料通过磁控溅射镀膜法沉积于衬底上。磁控溅射是指在真空中将涂层材料作为靶阴极，利用氩离子轰击靶材，产生阴极溅射，把靶材原子溅射到工件上形成沉积层的一种镀膜技术。本发明选用磁控溅射法是由于此方法制备的薄膜厚度易于控制、薄膜重复一致性好、薄膜与基片的结合能力强、制备材料范围广、纯度高以及表面平整。其中，重金属溅射靶材是Co/Pt/Ta靶，工作气压为3mTorr，溅射功率为30W，溅射时间为30min。

优选地，所述绝缘势垒层为氧化铝薄膜层。同样的，本发明在重金属层上镀氧化铝仍然是采用磁控溅射法，只是和渡重金属时的操作略有差别。本发明镀氧化铝薄膜时以高纯铝靶为靶材，用氩离子轰击铝靶并通入氧气，溅射出的铝离子和电离得到的氧离子沉积到重金属层上形成氧化铝薄膜层，工作气压为2mTorr，溅射功率为100W，溅射时间为40min。