本文報(bào)道了一種利用人工合成反鐵磁（SAF）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁疇壁運(yùn)動(dòng)來(lái)控制具有LIFT特性的新型脈沖神經(jīng)元摹量。我們驗(yàn)證了Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida相互作用與SAF器件內(nèi)置場(chǎng)之間的焦耳加熱調(diào)制競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，使其發(fā)射速率高達(dá)17 MHz馒胆，能耗為486 fJ/spike缨称。該電路的延時(shí)為170 ps，功耗為90.99 μW祝迂。
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(jì)算的脈沖神經(jīng)元（二）
本文制作了一系列Hall棒狀器件睦尽，并記錄了相應(yīng)的Kerr圖像，如圖2a液兽， b所示骂删。從圖2c中可以看出，測(cè)量到的主要和次要Kerr磁滯回線發(fā)生了明顯的變化四啰，這證實(shí)了在CoFeB/Co的鐵偶聯(lián)層和SAF異質(zhì)結(jié)構(gòu)的底部硬層之間存在885 Oe的有效場(chǎng)宁玫。矯頑力和RKKY有效場(chǎng)的增強(qiáng)都?xì)w因于器件收縮和離子束刻蝕（IBE）過(guò)程中不可避免的外圍損傷。由于樣品中存在較高的IEC柑晒，因此在實(shí)驗(yàn)中使用恒定的- 860 Oe外部OOP場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償RKKY場(chǎng)欧瘪。簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們首先在Hall bar的橫截面上注入7.5 mA的3 s脈沖電流匙赞，在Hall bar的左端觀察到一個(gè)有核的向下區(qū)域佛掖，并向+x區(qū)域擴(kuò)展。隨后涌庭，在RKKY等效的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中芥被，左右兩側(cè)的DW都向成核點(diǎn)中心收縮，即DW收縮坐榆。然后拴魄，從x方向連續(xù)6個(gè)6 s周期注入占空比為50%的3.35 mA脈沖電流，下向上（DU） DW在電流的驅(qū)動(dòng)下逐漸向右移動(dòng)席镀，當(dāng)去除電流時(shí)匹中，在RKKY相互作用下向左移動(dòng)。施加第六次脈沖后豪诲，DU DW到達(dá)霍爾棒的交叉區(qū)域顶捷，通過(guò)異常霍爾效應(yīng)（AHE）檢測(cè)到霍爾電壓信號(hào)作為輸出信號(hào)屎篱。這種電流輸入電壓輸出方案與內(nèi)存中的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算體系結(jié)構(gòu)顯式兼容服赎。注意到在凈有效RKKY場(chǎng)下，DU DW以理想神經(jīng)元的典型自復(fù)位方式回落到初始位置芳室。上述DW運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程在生物學(xué)上模擬了理想神經(jīng)元的整合专肪、泄漏和放電。至于一個(gè)簡(jiǎn)短的“耐火材料”放電后的一段時(shí)間內(nèi)堪侯，神經(jīng)元裝置不會(huì)整合任何輸入尖峰電流嚎尤。完整的過(guò)程如圖2d和補(bǔ)充影片1所示，在此過(guò)程中DW的相應(yīng)狀態(tài)分別在插圖中說(shuō)明伍宦。集成過(guò)程中DW釘釘?shù)某霈F(xiàn)和泄漏是由于釘釘中心的隨機(jī)分布造成的芽死。注意，為了減輕我們工作中的DW運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性問(wèn)題次洼，我們采用了材料物理关贵、器件制造工藝工程和LIFT神經(jīng)元器件運(yùn)行機(jī)制的協(xié)同優(yōu)化方法。
發(fā)現(xiàn)DW的運(yùn)動(dòng)方向與電流極性無(wú)關(guān)卖毁，這表明驅(qū)動(dòng)力既不是單純的STT揖曾，也不是自旋軌道轉(zhuǎn)矩（SOT）落萎。相比之下，我們廣泛的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了RKKY有效場(chǎng)主要由焦耳加熱調(diào)制炭剪，而通過(guò)STT和/或SOT效應(yīng)可忽略的場(chǎng)练链。具體來(lái)說(shuō)，在這種SAF薄膜堆中奴拦，除了嚴(yán)重的分流效應(yīng)外媒鼓，由于鐵磁層本身產(chǎn)生的面內(nèi)電流產(chǎn)生的STT通常具有較低的自旋極化，特別是在金屬多層中错妖，由于不同層的自旋散射绿鸣，有效的自旋極化載流子將進(jìn)一步減少。而SOT通常只有在重金屬厚度大于自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)才表現(xiàn)出明顯的自旋霍爾效應(yīng)暂氯。檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)DW運(yùn)動(dòng)可能歸因于RKKY有效場(chǎng)與SAF中內(nèi)置的層間耦合場(chǎng)之間的競(jìng)爭(zhēng)潮模。簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)脈沖電流產(chǎn)生焦耳加熱調(diào)制RKKY有效場(chǎng)時(shí)痴施，作用在DW上的有效場(chǎng)的振幅和極性都會(huì)發(fā)生變化再登，從而驅(qū)動(dòng)DW的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如圖3a所示晾剖，在環(huán)境下锉矢，RKKY有效場(chǎng)隨外加電流的變化而變化。電流對(duì)RKKY有效場(chǎng)有顯著的調(diào)節(jié)作用齿尽，呈拋物線相關(guān)沽损。此外，我們還發(fā)現(xiàn)RKKY有效場(chǎng)與電流的平方呈線性關(guān)系循头，并證實(shí)了電流產(chǎn)生的焦耳熱在調(diào)整RKKY相互作用中起著直觀而關(guān)鍵的作用绵估。從圖3b可以進(jìn)一步看出，非焦耳熱致轉(zhuǎn)矩場(chǎng)強(qiáng)度小于5 Oe卡骂，小于焦耳熱致轉(zhuǎn)矩場(chǎng)強(qiáng)度的10%国裳。顯然，JHIF在RKKY相互作用的調(diào)制中占主導(dǎo)地位全跨，我們的可重復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)缝左。這種方法在技術(shù)上也符合報(bào)告中關(guān)于將窄加熱器底部電極作為雙向人工突觸的記憶。
為了定量分析焦耳熱效應(yīng)在器件內(nèi)的分布和溫度變化浓若，采用COMSOL多物理場(chǎng)（即跨平臺(tái)有限元分析工具）模擬焦耳熱效應(yīng)渺杉。根據(jù)實(shí)際的膜堆材料和器件尺寸，通過(guò)施加2 μs脈沖電流7 mA建立了與實(shí)驗(yàn)條件相符的專用模型挪钓。如圖3c所示是越，器件溫度升高至372 K。注意碌上，在理想邊界約束條件下倚评，SAF的中心溫度在1.5 μs時(shí)達(dá)到飽和浦徊，如圖3d所示。該圖顯示了器件中心沿約200nm截面的溫度分布天梧。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果辑畦，估計(jì)RKKY有效場(chǎng)隨溫度的變化率約為3.6 Oe/K，與前人報(bào)道一致腿倚。為了在后續(xù)工作中檢驗(yàn)溫度對(duì)RKKY相互作用的影響，RKKY場(chǎng)與溫度的相關(guān)關(guān)系嚴(yán)格遵循線性依賴關(guān)系蚯妇，即RKKY相互作用變化率為0.18%/K敷燎。上述結(jié)果促使我們進(jìn)一步探索和利用RKKY相互作用與內(nèi)置場(chǎng)之間的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全電控制的自旋電子神經(jīng)元器件箩言。
人類的神經(jīng)系統(tǒng)包含大約1011個(gè)神經(jīng)元和1015個(gè)突觸硬贯。如圖4a所示，前神經(jīng)元信號(hào)可以通過(guò)突觸加權(quán)傳遞給后神經(jīng)元陨收。值得注意的是饭豹，一些典型的模型已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)來(lái)模擬神經(jīng)元的特征。在各種神經(jīng)元模型中务漩，LIF神經(jīng)元模型被廣泛接受拄衰，因?yàn)樗c其他模型不同，它能以z少的電路元件數(shù)量更好地模擬生物神經(jīng)元的特征饵骨。除了模擬只有當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)神經(jīng)元才會(huì)放電的過(guò)程外翘悉，它還可以完全描述神經(jīng)元的泄漏特性。
為了進(jìn)一步提高能量和時(shí)間效率居触，采用20nm厚的具有適當(dāng)電阻率的半導(dǎo)體ScN作為加熱器妖混，并將器件的長(zhǎng)度和寬度分別縮小到220nm和50nm。所提出的神經(jīng)元裝置由單個(gè)密鑰層組成轮洋，示意圖如圖4b所示制市。SAF多層的上鐵磁層作為PSP自由層（FL），下鐵磁層被下反鐵磁層釘住在與FL相反的磁化強(qiáng)度上弊予。這兩層通過(guò)間隔層與RKKY相互作用形成反鐵磁耦合祥楣。MTJ用于檢測(cè)和釋放具有較高感知裕度的信號(hào)。RL的磁化方向預(yù)設(shè)為向下汉柒。將底部反鐵磁層沿+z方向固定荣堰，使得SAF底部鐵磁層的磁化沿-z方向固定。
此外竭翠，在RKKY反鐵磁耦合作用下振坚，PSP磁振子總是受到正有效場(chǎng)的作用。而在預(yù)設(shè)的外磁場(chǎng)作用下斋扰，F(xiàn)L的zui左側(cè)區(qū)域會(huì)被左側(cè)+z方向的反鐵磁釘釘層釘在-z方向上渡八。因此啃洋，在左反鐵磁釘釘區(qū)邊界附近產(chǎn)生了DU DW的構(gòu)型。此外屎鳍，右反鐵磁釘釘層具有與左相反的磁化方向宏娄，使得DW可以在兩個(gè)終端反鐵磁釘釘區(qū)之間的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)而不會(huì)湮滅.
DW運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)由Landau-Lifshitz-Gilbert （LLG）方程控制
其中γ為回旋磁比，α為吉爾伯特阻尼常數(shù)逮壁，m^為沿FM磁化方向的單位矢量孵坚。在SAF中HM/FM界面處的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）下，有效磁場(chǎng)Hef可表示為
式中Aex為交換剛度常數(shù)窥淆，Kd為硬軸各向異性卖宠，D0為DMI常數(shù)
采用6鄰域小角近似計(jì)算的改進(jìn)RKKY交換場(chǎng)項(xiàng)包含在有效方程中
式中，ARKKY為RKKY交換剛度常數(shù)忧饭，Ms為飽和磁化強(qiáng)度扛伍，Δi為鐵磁電池厚度。作用在DW中心磁矩上的場(chǎng)和力矩如圖4c所示词裤。溫度相關(guān)的RKKY調(diào)制歸因于較高溫度下費(fèi)米邊緣的軟化和間隔/磁體界面處的復(fù)雜反射系數(shù)導(dǎo)致的IEC減弱
在帶有加熱器的納米級(jí)器件中刺洒，可以使用低兩個(gè)數(shù)量級(jí)的電流將器件加熱到與實(shí)驗(yàn)中相同的水平，如圖4d所示吼砂。溫度達(dá)到飽和只需要50納秒逆航，如圖4e所示。圖4f是溫度隨電流幅值和時(shí)間變化的相圖渔肩，RKKY有效場(chǎng)強(qiáng)的相應(yīng)變化根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的變化率用彩色等高線繪制纸泡。因此，可以通過(guò)降低電流幅度和脈沖寬度來(lái)優(yōu)化能量和時(shí)間成本赖瞒。如圖4所示女揭，在2ns內(nèi)脈沖電流為23.5 μA，可以在ns時(shí)間尺度內(nèi)獲得所需的溫度栏饮“赏茫基于溫升和耗散演化圖，可以將一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型擬合并引入到MuMax3中進(jìn)行微磁模擬袍嬉。簡(jiǎn)單地說(shuō)境蔼，當(dāng)施加4個(gè)寬度為2 ns、周期為10 ns的電流脈沖時(shí)伺通，通過(guò)加熱器產(chǎn)生的焦耳加熱箍土，有效而精確地降低了RKKY電場(chǎng)對(duì)DWM的作用。當(dāng)RKKY相互作用與內(nèi)建場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的凈效應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)有效場(chǎng)時(shí)罐监，DW開(kāi)始向右移動(dòng)吴藻。當(dāng)電流移除后，溫度開(kāi)始耗散弓柱，RKKY相互作用逐漸增大沟堡。當(dāng)RKKY相互作用和內(nèi)置場(chǎng)的凈效應(yīng)呈現(xiàn)正有效場(chǎng)時(shí)侧但，DW開(kāi)始向左移動(dòng)。通過(guò)重復(fù)上述操作航罗，在商業(yè)化的SAF裝置中可靠地執(zhí)行神經(jīng)元整合和自泄漏過(guò)程禀横，如圖4h所示。
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