[发明专利]室温下具有垂直磁各向异性的异质结结构及其应用

说明书

本发明提供了一种室温下具有垂直磁各向异性的异质结结构及其应用。该异质结结构包括范德华拓扑材料层以及二维磁性材料层，其中，范德华拓扑材料层的厚度为5‑20nm，二维磁性材料层的厚度为1‑10nm。本发明还提供了包含上述异质结结构的室温全范德华自旋轨道矩磁存储器、基于拓扑绝缘体的室温全范德华磁电阻器件以及实现同或逻辑运算的装置，实现位计数运算的装置、实现矩阵向量乘法运算的装置以及相应的方法。本发明的技术方案实现了室温下垂直磁各向异性的异质结构以及自旋电子原型器件的构建，制备出的异质结结构以及自旋原型器件简单，制备方法操作简便。

技术领域

本发明涉及自旋原型器件技术领域，具体涉及室温下具有垂直磁各向异性的异质结结构及其应用。

背景技术

随着电子信息产业的持续发展，电子器件很大程度上决定了计算机的运行性能：从电子管到晶体管，从分离元件到现如今的超大规模集成电路，每次技术上的更行迭代都会引起计算机领域的重大革命，存储器件是当前计算机体系结构中重要组成部分之一，是磁性材料的主要应用方向之一，目前基于磁性材料的数据存储器件主要分为两大类：一是硬盘驱动器，二是磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)。与此同时，由于人工智能、物联网、5G通信等数据密集型应用飞速发展，海量数据的高效存储与处理使传统的冯·诺依曼计算架构面临着严峻挑战。在分立的存储器与处理器之间频繁的数据迁移造成了大量能耗与延时，总线有限的带宽也制约着计算机体系算力与能效的进一步提升。因此，旨在存储器内部进行计算的存算一体这一新型计算架构获得了广泛关注。当前，MRAM作为一种非易失性存储器已取得惊人的进展，其基本存储单元被称为磁隧道结(Magnetictunnel junction,MTJ)，该核心部分是由两个铁磁金属层中间夹着一个隧穿势垒层而形成的三层结构，在结构中一个铁磁层称为参考层，磁化方向沿易磁化方向而固定不变；另一个铁磁层则被称为自由层，它的磁化方向有两个稳定的方向，分别与参考层平行或者反平行，使MTJ呈低阻态或高阻态。除此之外，MRAM因其本身的超低功耗、与CMOS后道工艺良好兼容等特性，成为搭建存算一体架构的优秀载体。在自旋存算一体的诸多应用中，二值神经网络(Binary Neural Network,BNN)可与MRAM的二值存储特性天然融合。由于需要学习和存储大量参数，当下被广泛应用的全精度卷积神经网络对计算机算力和存储资源的要求很高。而BNN通过将输入和权重二值化，使用简单的按位运算等代替计算密集型的乘加运算，可以大大节省计算机系统的能耗，也显著提高了计算速度。尽管BNN相较于其原始的全精度卷积神经网络模型引入了一些噪声，降低了计算精度，但由于BNN可以实现极高的压缩比和加速效果，它仍然是推动人工智能模型在资源和功耗受限的移动端和嵌入式设备上落地应用的一门非常有潜力的技术。

目前，基于自旋轨道矩的技术为磁性存储器提供了新的写入方案。自旋轨道矩是在铁磁层下方增加一层非铁磁层，利用电流源向非铁磁层输入电荷流，以在非铁磁层产生自旋流，利用其引发的力矩使铁磁层中的磁矩发生磁化方向翻转。该技术在降低写入功耗和提高存储器性能方面具有显著的优势。

二维材料是指电子仅在两个维度的纳米尺度上平面运动的材料，该纳米尺度包含了1-100nm的范围。随着单原子层的石墨材料-石墨烯首次分离出来后，二维材料受到广泛的关注。迄今为止，已有几百种二维材料被理论和实验证明可以稳定存在，其中部分材料已应用于半导体、光伏和生物监测等应用中，同时有潜力在航空航天、集成电路、生物医药和能源环境领域引起革命性的突破。