使用非易失性存儲器的神經(jīng)形態(tài)計算有望解決馮·諾伊曼系統(tǒng)中的存儲墻和能量效率瓶頸瞬测，并減輕摩爾定律的停滯横媚。然而，一種理想的人工神經(jīng)元仍然缺乏月趟，它具有生物啟發(fā)行為灯蝴，例如在單個設(shè)備中必需的泄漏集成點火和自復(fù)位（LIFT）功能孝宗。
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自旋電子泄漏-整合-具有自我重置和贏者通吃的神經(jīng)形態(tài)計算的脈沖神經(jīng)元（一）
神經(jīng)形態(tài)計算（NC）通過利用突觸裝置之間相互連接的合成神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來模仿大腦的功能问潭。由于其在人工智能（AI）和大數(shù)據(jù)分析方面的潛力猿诸，超越了傳統(tǒng)的馮·諾伊曼（von Neumann）計算系統(tǒng)的節(jié)能方式，NC正在吸引廣泛關(guān)注狡忙，并有望為自動駕駛梳虽、嵌入式人工智能（AIoT）和終端設(shè)備提供更高的智能灾茁。自21世紀初以來怖辆，研究人員發(fā)現(xiàn)在芯片上開發(fā)神經(jīng)形態(tài)神經(jīng)元和突觸設(shè)備以實現(xiàn)復(fù)雜且高可靠的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是可行的，在過去的二十年里删顶，已經(jīng)有很多人嘗試用傳統(tǒng)的硅技術(shù)來模擬大腦的功能。但人工智能正在提出關(guān)于構(gòu)建NC系統(tǒng)方法的問題淑廊。研究人員一直試圖利用傳統(tǒng)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（cmos）技術(shù)或新興的非易失性存儲器（NVM）器件，如自旋電子存儲器季惩、電阻開關(guān)存儲器录粱、相變存儲器和鐵電存儲器，來模擬生物神經(jīng)元的各種特性啥繁。然而，大多數(shù)這些方法青抛，特別是傳統(tǒng)的基于CMOS技術(shù)的神經(jīng)元電路旗闽，需要多個電容器和數(shù)十個晶體管蜜另，這涉及到巨大的功率和面積适室，以模擬生物神經(jīng)元的復(fù)雜行為。
相比之下举瑰，基于nvm的NC有望為模式識別、機器學(xué)習(xí)和邊緣計算等復(fù)雜任務(wù)提供更有效的解決方案此迅，因為它們可以更好地模擬神經(jīng)元的生物學(xué)特性汽畴，例如泄漏、集成耸序、發(fā)射和自動復(fù)位能力忍些，而晶體管和電容較少或沒有。其中坎怪，自旋電子NVM允許在納米尺度上實現(xiàn)非線性磁化動力學(xué)芋忿，為該領(lǐng)域提供了許多機會炸客。在自旋電子神經(jīng)元器件的研究領(lǐng)域中疾棵，磁性粒子和疇壁（DW）的研究正在興起痹仙。然而是尔，skyrmion的注入和操作仍然不成熟，基于skyrmion的設(shè)備需要奇異的或楔形的結(jié)構(gòu)开仰，這使得穩(wěn)定性下降拟枚，工藝復(fù)雜性高。相比之下恩溅，磁性DW成核和操縱技術(shù)得到了大力發(fā)展〗畔纾基于dw的自旋電子器件結(jié)合了其他技術(shù)無法比擬的獨特特性，包括非易失性滨达、出色的讀寫耐久性奶稠、高速運行和高可擴展性捡遍。盡管如此锌订，報道的dw神經(jīng)形態(tài)裝置仍有相當(dāng)大的改進余地。例如Fan等報道了一種神經(jīng)元電路應(yīng)用的非線性自旋傳遞扭矩神經(jīng)元（STT-Neuron）画株，但它缺乏生物神經(jīng)元的漏電特性辆飘，特別是必要的復(fù)位操作不可避免地涉及復(fù)雜的操作和增加的功耗。Hassan等人通過應(yīng)用大面積的硬磁層劈猪，展示了一種具有漏積火（LIF）特性的DW-Neuron，并聲稱通過器件之間的雜散場在相鄰神經(jīng)元之間產(chǎn)生局部抑制战得。然而，這些報道純粹是基于仿真框架庸推，沒有真正的全局抑制常侦，因此迫切需要通過實驗驗證基于DW的具有自復(fù)位和互補器件電路實現(xiàn)的可行性，其功率效率優(yōu)于傳統(tǒng)計算機贬媒，以促進集成AI在CMOS兼容工業(yè)級量產(chǎn)中的應(yīng)用聋亡。
此外，有望解決可靠性际乘、面積成本和能效瓶頸坡倔，為大規(guī)模數(shù)控的學(xué)習(xí)和計算過程提供更多的可能性。通常罪塔，磁阻隨機存取存儲器（MRAM）具有高讀寫速度、高可靠性征堪、超低功耗和近乎無限耐用性的競爭優(yōu)勢瘩缆。因此，從實際應(yīng)用的角度來看庸娱，基于MRAM組件開發(fā)神經(jīng)形態(tài)硬件是至關(guān)重要的，其中合成反鐵磁體（SAF）是商業(yè)化MRAM細胞的核心谐算，即早期報告和我們之前的工作所描述的磁隧道結(jié)（MTJ）。
在本工作中洲脂，為了解決上述挑戰(zhàn)和瓶頸斤儿，在對SAF異質(zhì)結(jié)構(gòu)中場和電流驅(qū)動的DW運動（DWM）的動態(tài)過程進行廣泛研究的基礎(chǔ)上，我們進一步探索了通過工程動態(tài)焦耳加熱來調(diào)制層間交換耦合（IEC）腮考。重要的是，我們首次基于SAF異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自旋極化鐵耦合器層的定制DWM玄捕，提出了一種具有泄漏集成點火和自復(fù)位（LIFT）特征的新型高可靠自旋電子神經(jīng)元器件踩蔚，本質(zhì)上模擬了神經(jīng)元在內(nèi)置場（hbuilt）和Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida （RKKY）相互作用下的LIFT行為，而無需任何額外的復(fù)位器件或電路枚粘。針對CMOS兼容和可制造應(yīng)用，利用半導(dǎo)體負差分電阻（NDR）效應(yīng)對電流進行差動馍迄，實現(xiàn)了神經(jīng)元器件之間全局抑制的贏者通吃（WTA）福也，驗證了該神經(jīng)元器件在尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN）中的可行性及其良好的電路兼容性和高性能。
作為磁孤子的代表攀圈，磁DWs可以可靠地由場電流和自旋極化電流驅(qū)動暴凑。然而，由外場驅(qū)動的dw方法非常不方便现喳，不利于CMOS兼容集成應(yīng)用犬辰。因此嗦篱，有必要在一個完善的磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)建一個可以廣泛應(yīng)用于商業(yè)化產(chǎn)品的本征內(nèi)稟有效場。目前幌缝，除了硬磁層的沉積和交換偏置相互作用之外，在一個發(fā)達和成熟的SAF器件結(jié)構(gòu)中，RKKY相互作用確實是一個有效的方案浴栽。
在我們的實驗中荒叼，通過磁控DC/RF濺射工具沉積了襯底/Ta(5)/Pt(1)/[Co(0.3)/Pt(0.3)]5/Co(0.46)/Ru(0.4)/Co(0.6)/W(0.3)/CoFeB(0.8)/MgO(1.2)/CoFeB(1.2)/Pt(5)薄膜樣品，每層厚度以納米為單位在括號中表示甩挫，如圖1a所示。圖1b中的高角度環(huán)形暗場（HAADF）圖像顯示了堆疊中的光滑界面和高結(jié)晶質(zhì)量椿每。利用高分辨率亮場掃描透射電子顯微鏡（STEM）觀察了具有清晰界面的單個層的外延生長伊者。圖1c中的高分辨率TEM （HRTEM）圖像表明，獲得了具有特定厚度的幾乎完美的單晶連續(xù)薄膜堆棧间护。利用二次電子質(zhì)譜（SIMS）分析了膜層中元素的分布和界面處的z小混合情況亦渗，如圖1d所示汁尺。驗證了Co法精， Pt和Fe原子在SAF中的正確均勻分布，并支持了CoFeB（0.8）與Co（0.6）鐵磁耦合的垂直自旋極化（PSP）層中薄膜的高質(zhì)量和良好的垂直磁各向異性（PMA）（圖1f）痴突。
圖1
首先搂蜓，詳細研究了SAF結(jié)構(gòu)PSP鐵磁層中有效IEC場驅(qū)動下的DW運動。通過施加正場飽和脈沖進行DW速度測量帮碰，并記錄了小負偏置場下的參考圖像拾积。然后用短的負場脈沖使DW成核殉挽，然后用恒定的負/正場驅(qū)動疇擴張/收縮，在此過程中斯碌，用極磁光克爾效應(yīng)（p-MOKE）顯微鏡持續(xù)記錄克爾圖像。DW速度可由區(qū)域膨脹/收縮位移和相應(yīng)的間隔時間確定肛度。外場和IEC場作用下的單鐵磁層DW運動的Kerr圖像如圖1e所示傻唾。圖1f中的主回路顯示了CoFeB（0.8）的PSP層與SAF中上層Co（0.6）耦合的PMA，而PSP層的小回路是在硬層負飽和后測量的承耿。結(jié)果策吠，觀測到?826 Oe的小環(huán)路位移，這意味著有效的IEC場為826 Oe瘩绒，可以表示為
式中锁荔，HRKKY為IEC有效場蟀给，JRKKY為IEC能量密度蝙砌。Ms和t分別為飽和磁化強度和鐵磁層厚度。
繪制了DW速度對外場的自然對數(shù)跋理，觀察到下域擴張和收縮過程中速度與場的關(guān)系不對稱择克，如圖1g所示前普。相比之下，ln| v|和|Hz + HRKKY|?1/4（圖1g插入）之間存在明顯的線性關(guān)系拭卿，嚴格滿足蠕變規(guī)律骡湖，表明DW的脹縮動力學(xué)符合蠕變規(guī)律，兩者是一致的峻厚。這進一步表明响蕴，IEC相當(dāng)于一個826 Oe的面外有效場惠桃，驅(qū)動DW運動浦夷。為了更深入地了解hx46調(diào)制下的DW運動動力學(xué)，在MgO頂部生長了一系列SAF異質(zhì)結(jié)構(gòu)辜王，并在MgO頂部生長了專用的平面內(nèi)磁各向異性（IMA） CoFeB（1.2）層劈狐，如圖1a所示。具體的生長和后處理條件可以在我們之前的報告中找到肥缔。本文選擇CoFeB頂層（1.2）中IMA適中的樣品，從DW的對稱展開和磁滯雙回線（圖1e摹恰， f）可以看出辫继。一方面俗慈，環(huán)境場對SAF PSP層DW運動的影響可以通過頂層IMA CoFeB的磁免疫保護消除遣耍。另一方面闺阱，傾斜的磁各向異性也可以提供一個額外的調(diào)節(jié)旋鈕，以調(diào)節(jié)相對于法線方向不同易軸角的DW運動速度舵变。
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