магнитный нейрон
Классы МПК: | G06G7/60 живых организмов, например их нервной системы |
Автор(ы): | Касаткин С.И. |
Патентообладатель(и): | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-06-08 публикация патента:
27.02.2003 |
Изобретение относится к области элементов автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным элементам. Техническим результатом изобретения является создание магнитного нейрона на базе тонкопленочных анизотропных, спин-вентильных и спин-туннельных магниторезистивных (МР) структур, являющегося основой магнитного нейрочипа, содержащего большое число магнитных нейронов. Технический результат достигается тем, что магнитный нейрон содержит подложку, остроконечные магнитные полоски, низкорезистивные немагнитные перемычки, магнитная полоска содержит два высокорезистивных защитных слоя, разделенных тонкопленочной, либо анизотропной, либо спин-вентильной, либо спин-туннельной МР структурой, второй изолирующий слой (в случае спин-туннельной структуры), низкорезистивные немагнитные перемычки, дополнительный изолирующий слой, слой проводников управления и еще один изолирующий слой. В случае использования спин-туннельных структур магнитный нейрон может содержать дополнительный слой проводников управления, изолирующий слой и может содержать фиксирующий слой. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
Формула изобретения
1. Магнитный нейрон, отличающийся тем, что он содержит подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, расположенные в линию вдоль своей длины остроконечные магнитные полоски, соединенные последовательно низкорезистивными немагнитными перемычками и образующие нейронную линейку, каждая магнитная полоска содержит два высокорезистивных защитных слоя, разделенных тонкопленочной анизотропной магниторезистивной структурой, состоящей из двух расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания вдоль длины магнитной полоски и из расположенного между ними тонкопленочного высокорезистивного немагнитного слоя, низкорезистивные немагнитные перемычки, соединяющие смежные концы соседних магнитных полосок, второй изолирующий слой, слой проводников управления, каждый из которых проходит над соответствующей магнитной полоской поперек нее, и третий изолирующий слой, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины поля перемагничивания и отношение большего поля перемагничивания к меньшему составляет не менее четырех. 2. Магнитный нейрон, отличающийся тем, что он содержит подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, расположенные в линию вдоль своей длины остроконечные магнитные полоски, соединенные последовательно низкорезистивными немагнитными перемычками и образующие нейронную линейку, каждая магнитная полоска содержит два высокорезистивных защитных слоя, разделенных тонкопленочной спин-вентильной магниторезистивной структурой, состоящей из двух расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания вдоль длины магнитной полоски и из расположенного между ними тонкопленочного низкорезистивного немагнитного слоя, низкорезистивные немагнитные перемычки, соединяющие смежные концы соседних магнитных полосок, второй изолирующий слой, слой проводников управления, каждый из которых проходит над соответствующей магнитной полоской поперек нее, и третий изолирующий слой, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины поля перемагничивания и отношение большего поля перемагничивания к меньшему составляет не менее четырех. 3. Магнитный нейрон по п.2, отличающийся тем, что между первым высокорезистивным защитным слоем магнитной полоски и первым тонкопленочным магниторезистивным слоем тонкопленочной спин-туннельной магниторезистивной структуры расположен фиксирующий слой. 4. Магнитный нейрон по п.2, отличающийся тем, что между вторым тонкопленочным магниторезистивным слоем тонкопленочной спин-туннельной магниторезистивной структуры и вторым высокорезистивным защитным слоем магнитной полоски расположен фиксирующий слой. 5. Магнитный нейрон, отличающийся тем, что он содержит подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, расположенные в линию вдоль своей длины остроконечные магнитные полоски, соединенные последовательно низкорезистивными немагнитными перемычками и образующие нейронную линейку, каждая магнитная полоска содержит первый и второй высокорезистивные защитные слои, разделенные тонкопленочной спин-туннельной магниторезистивной структурой, расположенной на части поверхности первого высокорезистивного защитного слоя и состоящей из первого и второго расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания вдоль длины магнитной полоски и из расположенного между ними тонкопленочного диэлектрического немагнитного слоя, второй изолирующий слой, низкорезистивные немагнитные перемычки, соединяющие свободную от указанной структуры часть поверхности первого высокорезистивного защитного слоя одной магнитной полоски с поверхностью второго высокорезистивного защитного слоя соседней с ней другой магнитной полоски, третий изолирующий слой, слой проводников управления, каждый из которых проходит над соответствующей магнитной полоской поперек нее, четвертый изолирующий слой, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины поля перемагничивания и отношение большего поля перемагничивания к меньшему составляет не менее четырех. 6. Магнитный нейрон по п.5, отличающийся тем, что между первым высокорезистивным защитным слоем магнитной полоски и первым тонкопленочным магниторезистивным слоем тонкопленочной спин-туннельной магниторезистивной структуры расположен фиксирующий слой. 7. Магнитный нейрон по п.5, отличающийся тем, что между вторым тонкопленочным магниторезистивным слоем тонкопленочной спин-туннельной магниторезистивной структуры и вторым высокорезистивным защитным слоем магнитной полоски расположен фиксирующий слой. 8. Магнитный нейрон по п.5, отличающийся тем, что на четвертом изолирующем слое расположен дополнительный проводник управления, проходящий над нейронной линейкой и направленный вдоль магнитных полосок, поверх которого расположен пятый изолирующий слой.Описание изобретения к патенту
Предлагается группа изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом и относящихся к объектам одного вида (варианты). Заявляемое изобретение относится к области элементов автоматики и вычислительной техники, в частности к многослойным тонкопленочным магниторезистивным нейронам. Известны искусственные нейроны, как часть персертрона, на основе полупроводниковой техники (Фомин С.В., Беркенблит М.Б. Математические проблемы в биологии. М.: Наука, 1973, 200 с.). Несмотря на распространенность и очевидные достоинства полупроводниковой технологии, элементы на ее основе, в том числе и полупроводниковые нейроны, обладают и всеми ее недостатками: небольшим температурным диапазоном, отсутствием стойкости к радиационным воздействиям, сложностью и дороговизной в создании схемы искусственного нейрона. На основании теоретических, экспериментальных и технологических исследований в области элементов на базе многослойных тонкопленочных магниторезистивных (МР) структур авторы предположили, что возможно создание не известного в настоящее время в науке и технике магнитного нейрона, лишенного указанных недостатков полупроводникового нейрона. Таким образом, задачей заявляемого изобретения является создание искусственного магнитного нейрона на базе планарной тонкопленочной магнитной технологии. Разработанные к настоящему времени теория и практика элементов на базе многослойных тонкопленочных ферромагнитных структур указывают на возможность разработки трех вариантов магнитного нейрона, основанного на магнитной полоске с многослойной тонкопленочной, либо анизотропной, либо спин-вентильной, либо спин-туннельной МР структурой. В этих структурах используются разновидности МР эффекта, имеющие практическую ценность благодаря их проявлению в малых (10-20 Э) магнитных полях. Все эти структуры объединяет одинаковый физический эффект, планарная технология, однотипные материалы и магнитные характеристики. Они обладают всеми достоинствами магнитных планарных элементов. Указанные три разновидности МР эффекта заключаются в следующем. МР эффект - изменение электрического сопротивления материала под влиянием внешнего магнитного поля - известен уже более ста лет. Как правило, в металлах и сплавах при комнатных температурах увеличение сопротивления при приложении поля не превышает 1%. В ферромагнетиках величина сопротивления зависит от ориентации вектора намагниченности М относительно направления тока в материале. Эту разновидность МР эффекта называют анизотропным МР эффектом. Коэффициент анизотропного МР эффекта не превышает 30% (для сплавов NiCo) при 4,2 К и 4,2% (для объемных образцов пермаллоя Ni18Fe19) при комнатной температуре. Многослойная анизотропная МР структура имеет видФМ1/НМ/ФМ2,
где ФM1,2 - ферромагнитные пленки, НМ - разделительная немагнитная высокорезистивная прослойка. Зависимость изменения сопротивления анизотропной структуры
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199034/981.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199034/981.gif)
где (
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
ФМ1/НМ/ФМ2/ФС. В такой структуре основными элементами являются два ферромагнитных слоя ФМ1 и ФМ2, изготовленных из Со, Ni или NiFe, разделенные прослойкой немагнитного металла (НМ) - Cu, Ag, Au или другого низкорезистивного металла. В качестве антиферромагнитного слоя обычно используется FeMn. Этот слой, который называют фиксирующим слоем, создает обменную анизотропию в слое ФМ2 (фиксированный слой), в силу чего вектор намагниченности слоя ФМ2 может быть переориентирован в сравнительно высоких полях (более 200-300 Э), тогда как слой ФМ1 (свободный слой) перемагничивается в слабых полях (менее 20 Э). Для того чтобы исключить обменную связь между слоями ФМ1 и ФМ2, в спин-вентильных МР структурах толщина немагнитной прослойки выбирается больше, чем в первом классе материалов. Если в исходном состоянии (Н= 0) в спин-вентильной МР структуре FeNi/Cu/FeNi векторы намагниченности ферромагнитных слоев ориентированы одинаково, то в перемагничивающем поле, не превышающем 10 Э, вектор намагниченности свободного слоя ФМ1 ориентируется антипараллельно вектору намагниченности слоя ФМ2, что сопровождается увеличением сопротивления МР структуры. При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля до уровня насыщения Нs, превышающего напряженность поля обменной анизотропии, перемагничивается и слой ФМ2. При этом, как и в сверхрешетках, сопротивление уменьшается. Лучшие результаты получены для пермаллоевых или кобальтовых спин-вентильных МР структур, у которых
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199034/981.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199034/981.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-2t.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-3t.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199039/931.gif)
NET=XW. Итак, повторим: целью изобретения является создание магнитного нейрона на базе многослойных тонкопленочных анизотропных, спин-вентильных или спин-туннельных магниторезистивных структур, являющегося основой магнитного нейрочипа, содержащего большое число магнитных нейронов. Поставленная цель достигается тем, что магнитный нейрон содержит подложку, на которой расположены первый изолирующий слой, на поверхности которого расположены в линию вдоль своей длины остроконечные магнитные полоски, соединенные последовательно низкорезистивными немагнитными перемычками. Каждая магнитная полоска содержит два высокорезистивных защитных слоя, разделенных тонкопленочной, либо анизотропной, либо спин-вентильной, либо спин-туннельной МР структурой. Эта структура состоит из двух расположенных один над другим тонкопленочных МР слоев с осью легкого намагничивания вдоль длины магнитной полоски. Между ними расположен соответственно либо тонкопленочный высокорезистивный немагнитный слой в случае анизотропной МР структуры, либо тонкопленочный низкорезистивный немагнитный слой в случае спин-вентильной МР структуры, либо тонкопленочный диэлектрический немагнитный слой в случае спин-туннельной МР структуры. Над МР структурой расположен второй изолирующий слой (в случае спин-туннельной структуры), поверх которого расположены низкорезистивные немагнитные перемычки, соединяющие смежные концы соседних магнитных полосок с анизотропными и спин-вентильными МР структурами. В случае выполнения магнитных полосок со спин-туннельными МР структурами эти перемычки соединяют свободную от МР структуры часть поверхности первого высокорезистивного защитного слоя магнитной полоски и второй высокорезистивный защитный слой соседней магнитной полоски. Низкорезистивные перемычки отделены от магнитной полоски дополнительным изолирующим слоем. Поверх магнитной полоски следует изолирующий слой, слой проводников управления, каждый из которых проходит над соответствующей магнитной полоской поперек нее, и еще один изолирующий слой, причем тонкопленочные МР слои имеют разные величины поля перемагничивания и отношение большего поля перемагничивания к меньшему составляет не менее четырех. В случае использования спин-туннельных структур магнитный нейрон может содержать дополнительный слой проводников управления, направленных вдоль магнитной полоски, и изолирующий слой. Магнитный нейрон может содержать фиксирующий слой между МР слоем тонкопленочной спин-вентильной или спин-туннельной МР структуры и высокорезистивным защитным слоем магнитной полоски. Сущность изобретения состоит в создании искусственного магнитного нейрона со всеми присущими тонкопленочным анизотропным, спин-вентильным или спин-туннельным магниторезистивным структурам свойствами. Анализ характеристик магнитного нейрона проводится на основе теории микромагнетизма. В качестве модели распределения векторов намагниченности Мh,I магнитных пленок для упрощения вычислений и быстроты оценки результатов взято их однородное распределение по всему объему пленки. Применение такой приближенной модели, не учитывающей поворот векторов намагниченности М у краев пленки, при размерах элементов более 1-2 мкм, обеспечивает приемлемую для дальнейшего применения при проектировании точность и экономию с точки зрения временных и трудовых затрат. При этом расчетные значения размагничивающих полей оказываются несколько завышенными. Распределение векторов намагниченности определяется из минимума энергии магнитной полоски. Используя полученные распределения векторов намагниченности магнитных пленок, рассчитываются статические характеристики многослойных тонкопленочных МР элементов. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена модель искусственного нейрона, на фиг. 2 - функциональная схема магнитного нейрона (линейка), на фиг.3 - послойная конструкция магнитного нейрона с двумя магнитными полосками на основе анизотропной и спин-вентильной МР структур в разрезе, на фиг.4 - послойная конструкция магнитного нейрона с двумя магнитными полосками на основе спин-туннельной МР структуры в разрезе, на фиг.5 и 6 - послойный разрез магнитной полоски с дополнительным фиксирующим слоем внизу и вверху МР структуры соответственно, на фиг.7 - зависимости токов записи для магнитных полосок с анизотропной или спин-вентильной МР структурой, на фиг. 8 - графики сигналов считывания для двух последовательно включенных анизотропных МР запоминающих элементов, находящихся в состояниях "0" и "1", на фиг.9 - графики сигналов считывания для двух последовательно включенных спин-вентильных запоминающих элементов, находящихся в состояниях "0" и "1", на фиг.10 - графики сигналов считывания для двух последовательно включенных спин-туннельных МР запоминающих элементов, находящихся в состояниях "0" и "1". Магнитный нейрон содержит нейронную линейку из нескольких остроконечных магнитных полосок 1 (фиг.2), последовательно соединенных низкорезистивными перемычками 2. Над каждой полоской 1 расположен отдельный проводник управления 3. Магнитный нейрон представляет собой многослойную конструкцию (сэндвич). Магнитные полоски 1 расположены на подложке 4 (фиг.3), покрытой изолирующим слоем 5. Каждая магнитная полоска 1 состоит из двух высокорезистивных защитных слоев 6 и 7, между которыми находится многослойная тонкопленочная МР структура, содержащая два МР слоя 8, 9, разделенных слоем 10, который выполнен высокорезистивным в случае анизотропной МР структуры, либо низкорезистивным в случае спин-вентильной МР структуры (планарное протекание сенсорного тока), либо диэлектрическим в случае спин-туннельной структуры (перпендикулярное протекание сенсорного тока). Низкорезистивные перемычки 2 соединяют ближайшие концы соседних магнитных полосок 1. Поверх изолирующего слоя 11, расположенного над магнитными полосками 1 и низкорезистивными перемычками 2, расположен слой проводников управления 3, каждый из которых проходит над своей магнитной полоской 1. На слое управляющих проводников 3 сформирован изолирующий слой 12. В магнитном нейроне на основе магнитной полоски 1 с перпендикулярным протеканием сенсорного тока (спин-туннельная МР структура), в отличие от магнитной полоски 1 с планарным протеканием сенсорного тока, в которой все верхние слои сэндвича перекрывают нижележащие, спин-туннельная МР структура не полностью закрывает первый высокорезистивный защитный слой 6, который одновременно выполняет функцию проводника сенсорного тока. Кроме того, низкорезистивная перемычка 2 соединяет верхнюю поверхность спин-туннельной структуры 8-10 одной магнитной полоски 1 и свободную от спин-туннельной структуры поверхность первого защитного слоя 6 соседней полоски 1. Для устранения замыкания между магнитной структурой 8-10 и низкорезистивной перемычкой 2 они разделены дополнительным изолирующим слоем 13. Для увеличения быстродействия и уменьшения токов управления магнитный нейрон может также содержать дополнительный проводник управления 14, проходящий над нейронной линейкой и направленный вдоль магнитных полосок. Над проводником управления 14 расположен изолирующий слой 15. Для улучшения магнитных характеристик (увеличения величины магниторезистивного эффекта, уменьшения гистерезиса) магнитная полоска 1 со спин-вентильной или спин-туннельной МР структурой может содержать дополнительный фиксирующий 16 между нижним защитным слоем 6 и МР слоем 8 (фиг.5) или между верхним защитным слоем 7 и МР слоем 9 (фиг.6). Особенностью магнитных полосок с планарным протеканием тока является разделение сенсорного тока на три части: две, обычно равные по величине, составляющие тока протекают по соседним МР пленкам 8, 9 и одна составляющая, сильно отличающаяся по величине, протекает по разделительному слою 10. В анизотропных МР структурах в качестве разделительного слоя 10 используется высокорезистивный немагнитный металл (Та или Ti) или их нитриды, т.е. ток через разделительный слой мал по сравнению с током через МР пленку. В спин-вентильных МР структурах ситуация обратная: в качестве материала разделительного слоя 10 используются низкорезистивные немагнитные металлы Cu, Al или Au, таким образом, ток через разделительный слой сравним и даже может превосходить ток через МР пленку. Токи, протекающие через МР пленки 8, 9, создают антипараллельно направленные магнитные поля в этих пленках, что предоставляет дополнительные возможности для управления работой элементов. В проводники управления 3 подаются сигналы X, а каждая магнитная полоска 1 является запоминающим элементом для весов W. При подаче сигналов во все проводники управления и сенсорного тока в структуры, последовательная цепочка из магнитных полосок 1 должна проводить операцию умножения wixi и суммирование результатов WX. Многослойность МР структур приводит к замыканию размагничивающих магнитных полей, что резко уменьшает гистерезис, связанный с движением доменных границ и улучшает условия для перемагничивания МР пленок вращением векторов намагниченности. Сверху магнитной полоски 1 расположен проводник управления для создания дополнительного магнитного поля вдоль этой полоски. Возможны два основных типа МР структур: с планарным протеканием сенсорного тока - анизотропная МР и спин-вентильная МР структуры и с перпендикулярным протеканием сенсорного тока - спин-туннельная МР структура или переход. Анизотропная и спин-вентильная МР структуры обладают различными зависимостями изменения сопротивления от внешнего магнитного поля, поэтому рассмотрим раздельно работу магнитного нейрона для этих двух МР структур. Анизотропные магниторезистивные структуры
Минимальное и максимальное сопротивления анизотропной МР структуры соответствуют перпендикулярному и параллельному
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-4t.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-5t.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-6t.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199003/177.gif)
Минимальное и максимальное сопротивления спин-вентильной МР структуры соответствуют параллельному
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-7t.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-8t.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-9t.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199780/2199780-10t.gif)
Основным отличием тонкопленочной спин-туннельной МР структуры от двух других является отсутствие влияния протекающего перпендикулярно в ней сенсорного тока на магнитное состояние структуры. В худшем случае это может привести к необходимости использования двух проводников управления 3, 14 для записи информации. Зависимость изменения сопротивления спин-туннельной МР структуры
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199034/981.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199008/8869.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199002/961.gif)
![магнитный нейрон, патент № 2199780](/images/patents/271/2199008/8869.gif)
1. Достоинством магнитного нейрона на тонкопленочной анизотропной МР структуре является технологическая простота получения этой МР структуры. Практически любая организация, имеющая опыт напыления тонкопленочных структур, может освоить процесс создания магнитных нейронов на анизотропной МР структуре. Недостатками этой-структуры являются малая величина анизотропного МР эффекта и невозможность полного отклонения вектора намагниченности свободной МР пленки из-за опасности разрушения информации, что еще более уменьшает сигнал считывания и усиливает требования к разбросу параметров элемента В конечном счете, это ведет к уменьшению числа сигналов N на входе магнитного нейрона. 2. Достоинствами магнитного нейрона на тонкопленочных спин-вентильной и спин-туннельной МP структурах являются большая величина спин-вентильного и спин-туннельного МР эффекта и возможность полного перемагничивания свободной МР пленки, что позволяет полностью использовать величину МР эффекта и уменьшает требования к разбросу параметров. Недостатком этих МР структур является технологическая трудность их получения, что, в конечном счете, приводит к увеличению стоимости элемента.
Класс G06G7/60 живых организмов, например их нервной системы