МАГНИТНЫЙ НЕЙРОН Российский патент 2003 года по МПК G06G7/60 

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 вид
ФМ₁/НМ/ФМ₂,
где ФM_1,2 - ферромагнитные пленки, НМ - разделительная немагнитная высокорезистивная прослойка.

Зависимость изменения сопротивления анизотропной структуры ΔR от угла ϕ между векторами намагниченности М ферромагнетика и электрического тока I, протекающего через него, имеет вид
ΔR = (Δρ/ρ)Rcos²ϕ,,
где (Δρ/ρ) - величина МР эффекта.

В 1988 г. в магнитных материалах был обнаружен новый МР эффект, названный "гигантским" МР эффектом. Магнитные материалы, в которых был обнаружен гигантский МР эффект, явились многослойные структуры - сэндвичи и мультислои с ферромагнитными слоями, отличающимися друг от друга удерживающими силами, при которых между ферромагнитными слоями антиферромагнитное взаимодействие либо отсутствует, либо незначительно. Эти структуры получили название спин-вентильных (spin-valve) МР структур.

Спин-вентильная структура имеет вид:
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 Н_s, 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 ΔR/R=5-10% в полях, не превышающих 10-20 Э.

Возможность изменять относительную ориентацию векторов намагниченности в слабых полях наблюдается и в мультислоях, формируемых чередующимися магнитными слоями различной коэрцитивности. В этих структурах фиксирующий слой отсутствует, а слои ФM₁ и ФМ₂ имеют различную коэрцитивную силу. По диапазону напряженностей магнитных полей и степени проявления гигантского МР эффекта мультислойные структуры аналогичны сверхрешеткам.

Гигантский МР эффект в сверхрешетках и мультислоях возможен, когда ток в структуре проходит либо в плоскости слоев, либо перпендикулярно ей. Во втором случае коэффициент гигантского МР эффекта больше, чем в первом, и менее чувствителен к толщине прослойки. Показано, что в одних и тех же образцах при перпендикулярном прохождении тока коэффициент гигантского МР эффекта в 3-10 раз больше, чем при продольном токе.

Зависимость изменения сопротивления структуры ΔR от угла ϕ между векторами намагниченности М_h,I соседних магнитных пленок, где М_h и M_I - вектор намагниченности фиксированной и свободной магнитных пленок, имеет вид
ΔR = 0,5(Δρ/ρ)R(1-cosϕ).

Минимальное и максимальное сопротивления спин-вентильной МР структуры соответствуют параллельному и антипараллельному расположению векторов намагниченности М_h,I в соседних магнитных пленках.

Спин-туннельный МР эффект активно стал исследоваться только в последние годы.

Исследования по обнаружению туннелирования спин-поляризованных электронов, проходящих через структуры с ферромагнитными пленками, разделенных диэлектриками, предпринимались еще в 70-е годы. Экспериментально спиновая поляризация туннелирующих электронов была обнаружена для Со, Fе и Ni пленок. Полученные результаты подтверждали, что спиновая поляризация электронов пропорциональна магнитному моменту ферромагнитных пленок.

Обычно в качестве магнитных слоев используют пермаллой, CoFe, FeNiCo и др., а в качестве диэлектрика - Al₂O₃.

Спин-туннельный МР эффект заключается в том, что как и в спин-вентильном МР эффекте, сопротивление структуры зависит от угла между векторами намагниченности М_h,I соседних магнитных пленок и имеет ту же зависимость изменения сопротивления структуры или перехода ΔR от угла между векторами намагниченности соседних магнитных пленок. Отличия спин-туннельного МР эффекта - в протекании туннельного (сенсорного) тока через многослойную структуру ортогонально плоскости пленок, высокое сопротивление туннельного перехода, что приводит к малым значениям сенсорного тока и потребления.

Все вышеописанные МР эффекты объединяют малые величины магнитных полей, при которых они проявляются, и однотипные, многослойные тонкопленочные структуры, в которых они существуют.

Искусственный нейрон имитирует в первом приближении свойства биологического нейрона. На вход искусственного нейрона поступает некоторое множество сигналов, каждый из которых является выходом другого нейрона. Каждый вход умножается на соответствующий вес, аналогичный синаптической силе, и все произведения суммируются, определяя уровень активации нейрона. Эта идея реализуется моделью (фиг.1). Здесь множество входных сигналов, обозначенных х₁, x₂, . . ., x_n, поступает на искусственный нейрон. Эти входные сигналы, в совокупности обозначаемые вектором X, соответствуют сигналам, приходящим в синапсы биологического нейрона. Каждый сигнал умножается на соответствующий вес w₁, w₂,..., w_n и поступает на суммирующий блок, обозначенный Σ. Каждый вес соответствует "силе" одной биологической синаптической связи. (Множество весов в совокупности обозначается вектором W.) Суммирующий блок складывает взвешенные входы алгебраически, создавая выход (NET). В векторных обозначениях это может быть записано следующим образом:
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 М_h,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 w_ix_i 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 или антипараллельному расположению векторов намагниченности магнитной пленки и сенсорного тока. Величина анизотропного МР эффекта составляет около 1,5-2,0% при комнатной температуре.

Рассмотрим работу анизотропного МР запоминающего элемента на основе магнитной полоски 1 и проводника управления 3 (фиг.3). За "0" и "1" принимаются два устойчивых в отсутствие управляющих полей противоположных состояния с антипараллельными () направлениями векторов намагниченности соседних магнитных пленок. В разработанных до сих пор анизотропных МР запоминающих элементах распространение получил вариант с поперечным расположением оси легкого намагничивания (ОЛН) с одинаковыми МР пленками. В магнитном нейроне возможен лишь вариант МР структуры с ОЛН вдоль магнитной полоски 1, т. к. только в этом случае записывающая информация определяется током проводника управления 3. Предварительный анализ показал, что для магнитного нейрона наилучший результат достигается при использовании анизотропного МР запоминающего элемента с МР пленками с различными полями перемагничивания.

Записанная инфopмaция определяется нaпpaвлeниeм вектора намагниченности М_h МР пленки с более высоким полем перемагничивания. Запись осуществляется одновременным действием сенсорного (I_s) и проводникового (I_c) токов. Импульс тока I_s, разделяясь на две составляющие в магнитных пленках, создает в них антипараллельные магнитные поля, направленные поперек ОЛН. В результате их действия вектора намагниченности М_h,I соседних магнитных пленок 8, 9 отклоняются от начального состояния, способствуя их перемагничиванию. Информационным током является действующий одновременно с I_s импульс тока I_c, создающий магнитное поле вдоль ОЛН. При одновременном действии двух токов происходит перемагничивание вектора М_h. При прекращении действия импульсов вектор намагниченности M_I пленки с низким полем перемагничивания устанавливается в антипараллельном относительно вектора М_h положении благодаря действию размагничивающих магнитных полей.

В анизотропном МР запоминающем элементе в качестве высокоанизотропной (высокое поле перемагничивания) и низкоанизотропной (низкое поле перемагничивания) пленок можно использовать FeNiCo пленку с полем магнитной анизотропии Н_k=15 Э (1,2 кА/м), намагниченностью насыщения M_s=1000 Гс и пермаллоевую (FeNi) пленку с Н_k=5 Э (400 А/м), М_s=800 Гс. В качестве примера рассчитаем токи перемагничивания для подобной магнитной полоски 1 с типичными размерами: шириной 10 мкм и длиной прямоугольной части 20 мкм. Ширина проводника управления 3 16-30 мкм. Анализ показал, что оптимальные токи записи соответствуют равной толщине анизотропных МР пленок 8, 9 порядка 10-12 нм. На фиг.7 показана зависимость поля записи проводника управления 3 от величины сенсорного тока анизотропного МР (кривая 1) запоминающего элемента. Коэффициент перевода поля проводника управления в эрстедах в ток проводника управления в миллиамперах приблизительно равен пяти, т.е. токи в проводнике порядка 75 мА. Операцию записи можно проводить одновременно во всем магнитном нейроне.

Перед тем как перейти к описанию операции перемножения весов и сигналов в магнитной полоске 1, отметим важный момент: выбранная антипараллельная конфигурация векторов намагниченности в магнитной полоске 1 всегда антипараллельная независимо от записанной информации. Это означает, что сопротивление магнитной полоски 1 всегда максимально, т.е. оно может либо не изменяться (случай "0"), либо уменьшаться (случай "1").

Операция перемножения весов и сигналов в структуре происходит следующим образом. Выберем, для определенности, одно из направлений вектора намагниченности М_h за состояние "0". Будем считать противоположное направление магнитного поля, создаваемого в проводнике управления 3 импульсом тока сигнала, за состояние "1" сигнала. Состояние "0" сигнала соответствует отсутствию тока в проводнике управления 3. Величина тока в проводнике управления 3 должна удовлетворять следующим условиям: не перемагничивать вектор M_h пленки с высоким полем перемагничивания, когда он антипараллелен полю проводника, и максимально отклонять вектор М_I, когда М_h параллелен току проводника управления 3. Так как сопротивление анизотропной МР структуры с параллельными или антипараллельными направлениями вектора намагниченности одинаковы, то нельзя допускать перемагничивания пленки с минимальным полем перемагничивания, т.е. должно осуществляться динамическое считывание. На фиг.8 показаны сигналы считывания для двух последовательно включенных анизотропных запоминающих элементов, находящихся в состояниях "0" и "1". I_s=5 мА, (Δρ/ρ) = 1,5%. Видно, что рост сигнала считывания "1" происходит достаточно полого, что позволяет использовать элементы с реальным разбросом параметров ±10%. Поле перемагничивания "1" составляет около 8 Э (40 мА), а "0" - 16 Э (80 мА), что достаточно для работы элемента. Величина сигнала считывания составляет около 1 мВ.

При Х=0 ток в проводник управления 3 не подается, изменение сопротивления структуры отсутствует и, следовательно, изменения выходного сигнала нет. При Х=1 и W=0 вектор намагниченности М_h пленки с высоким полем перемагничивания не отклоняется, поэтому изменение выходного сигнала равно нулю. При Х= 1 и происходит отклонение вектора М_I пленки с низким полем перемагничивания. Это приводит к изменению сопротивления запоминающего элемента и появлению изменения выходного сигнала в магнитном нейроне. Операция суммирования в магнитном нейроне происходит автоматически благодаря последовательному соединению магнитных полосок 1. Отметим, что даже при перемагничивании низкоанизотропной пленки не происходит разрушение записанной информации.

Спин-вентильные магниторезистивные структуры
Минимальное и максимальное сопротивления спин-вентильной МР структуры соответствуют параллельному и антипараллельному расположению векторов намагниченности М_h,I в соседних магнитных пленках 8, 9. Величина спин-вентильного МР эффекта составляет около 10-15% при комнатной температуре.

Работа спин-вентильного МР запоминающего элемента при записи информации почти полностью идентична работе анизотропного МР запоминающего элемента. Отличие заключается в том, что из-за малой толщины МР пленок может стать устойчивым состояние с параллельными векторами намагниченности соседних МР пленок 8, 9. Чтобы исключить это, после записи необходимо подать в проводник управления 3 импульс тока обратной полярности, перемагничивающий низкоанизотропную МР пленку и не меняющий направления пленки с высоким полем перемагничивания.

В настоящее время наибольшее распространение получили спин-вентильные МР структуры с фиксирующим слоем 16. Этот слой формируется в контакте с одной из МР пленок 8, 9 (либо высокоанизотропной, либо одной из двух используемых в этом случае низкоанизотропных магнитных пленок). За счет обменного взаимодействия петля гистерезиса прилегающей МР пленки сдвигается в область высоких магнитных полей (до сотен эрстед), что означает такое же увеличение поля перемагничивания этой пленки. В качестве фиксированного слоя 16 используются FeMn, NiO, TbO и IrMn. Для запоминающих элементов используются преимущественно слои из FeMn. Структуры без фиксирующего слоя и с ним существенно отличаются по принципу действия и характеристикам. Ни одна из них не имеет явного преимущества и, поэтому, рассмотрим работу обеих структур.

Структура без фиксирующего слоя. Принципиально запись в этом случае не отличается от варианта с анизотропной МР структурой. В спин-вентильном МР запоминающем элементе на основе магнитной полоски 1 с проводником управления 3 также можно использовать FeNiCo и пермаллоевую пленку. В качестве примера рассчитаем токи перемагничивания для подобной структуры с теми же размерами. Толщина пленок спин-вентильной МР структуры определяется наличием спин-вентильного МР эффекта и типично составляет 5 нм для МР пленок 8, 9 и 3 нм для разделительного слоя меди 10. На фиг.7 (кривая 2) показана зависимость поля записи H_c(I_s) спин-вентильного МР запоминающего элемента. Видно, что токи записи в этом случае минимальны.

Операция перемножения весов и сигналов в спин-вентильной МР структуре происходит практически также, как и в анизотропной МР структуре. Важно, что в описываемом варианте так же не происходит разрушения записанной информации. Существуют два отличия. Пленка с низким полем перемагничивания может полностью перемагничиваться, т. к. сопротивление структуры с параллельными векторами спин-вентильных МР пленок максимально отличается от состояния с антипараллельными векторами намагниченности магнитных пленок 8, 9. Это существенно упрощает условия работы. Второе отличие то же, что и при записи - после считывания в проводник управления 3 необходимо подать импульс тока, перемагничивающий пленку с низким полем перемагничивания. На фиг.9 показаны сигналы считывания для двух последовательно включенных спин-вентильных запоминающих элементов, находящихся в состояниях "0" и "1". I_s=2,5 мА, (Δρ/ρ) = 10%. Видно принципиальное отличие сигналов считывания от случая анизотропных МР структур: изменение сигнала после перемагничивания спин-вентильных МР пленок 8, 9 сохраняется и его величина многократно превышает величину сигнала для магнитной полоски 1 при тех же размерах, что существенно упрощает требования к структурам и электронике управления. Поле перемагничивания "1" составляет около 5 Э (25 мА), а "0" - 13 Э (65 мА), что достаточно для работы элемента и меньше, чем для анизотропных МР структур. Величина сигнала считывания достигает 7 мВ.

Структура с фиксирующим слоем. Функционирование запоминающих элементов с фиксирующим слоем 16 происходит по другим принципам. Фиксированная МР пленка не перемагничивается из-за больших токов перезаписи. Состояниями "0" и "1" являются параллельные и антипараллельные направления векторов намагниченности свободной и фиксированной МР пленок. При этом возможен вариант лишь с ОЛН вдоль длины магнитной полоски 1, т.к. только в этом случае будет устойчивым состояние с параллельными направлениями векторов намагниченности соседних магнитных пленок 8 и 9. Процесс записи внешне проходит так же, как и в МР структуре без фиксирующего слоя 16 под суммарным действием сенсорного и проводникового токов, действующих на магнитную полоску 1. На фиг.7 (кривая 3) приведены зависимости H_c(I_s) для спин-вентильной МР структуры с фиксирующим слоем 16 с полем перемагаичивания фиксированной пленки 50 Э. Видно, что поля перемагничивания для спин-вентильной МР структуры с фиксирующим слоем более чем вдвое меньше, чем для этой структуры без фиксирующего слоя 16.

Операция перемножения весов и сигналов в спин-вентильной МР структуре с фиксирующим слоем 16 происходит по другим принципам, чем в структуре без него. Основное отличие заключается в том, что магнитные полоски 1 с антипараллельными и параллельными направлениями векторов намагниченности магнитных пленок 8, 9 имеют различные сопротивления и, самое главное, при их изменениях они будут давать одновременно и увеличение, и уменьшение сопротивления, т.е. сигналы противоположных знаков. Это означает, что, как и для анизотропных МР структур без фиксирующего слоя 16, при действии магнитного поля вдоль ОЛН в направлении, совпадающем с направлением фиксированной пленки, нельзя допустить полного перемагаичивания свободной пленки, т.к. это приведет к разрушению записанной информации. Необходим пологий рост отклонения вектора намагниченности свободной пленки, как в анизотропной МР структуре. Но анализ показал, что из-за малой толщины магнитных пленок, жестко определенной величиной спин-вентильного МР эффекта, и, как следствие, малых размагничивающих полей, пологий рост сигнала невозможен. В то же время, при уменьшении линейных размеров в несколько раз и при той же толщине магнитных пленок 8, 9, величины размагничивающих полей достигнут необходимых величин и будет возможен пологий рост сигнала в зависимости от магнитного поля, создаваемого током в проводнике управления 3.

Спин-туннельные магниторезистивные структуры
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 ΔR от угла ϕ между векторами намагниченности М_h,I соседних магнитных пленок та же, что и для спин-вентильной МР структуры. Другим отличием является существенная большая величина эффекта, достигающая 45% при комнатной температуре.

Структура без фиксирующего слоя. Работа спин-туннельного МР запоминающего элемента на основе спин-туннельной МР структуры и проводника управления 3 при записи информации почти полностью идентична работе спин-туннельного МР запоминающего элемента. Существует одно отличие. Из-за отсутствия влияния сенсорного тока, протекющего перпендикулярно через спин-туннельную МР структуру, на магнитное состояние структуры, как и при записи необходима подача магнитного поля перпендикулярно ОЛН для превалирования процессов перемагаичивания вращением векторов намагниченности магнитных пленок 8, 9 и уменьшения величины токов управления.

В спин-туннельном МР запоминающем элементе можно использовать те же магнитные пленки. В качестве примера рассчитаем токи перемагничивания для подобной структуры с теми же размерами, что и для предыдущих структур. Толщина пленок спин-туннельной МР структуры определяется наличием спин-туннельного МР эффекта и составляет не менее 5 нм для МР пленок и 2 нм для диэлектрического слоя Al₂O₃. Анализ показал, что зависимость поля записи тока в проводнике управления 7 Н_c от магнитного поля, перпендикулярного ОЛН, спин-туннельного МР запоминающего элемента носит тот же характер, что и для спин-вентильного МР структуры.

Операция перемножения весов и сигналов в спин-туннельной МР структуре происходит практически так же, как и в спин-вентильной МР структуре. Существует одно отличие. Из-за отсутствия влияния сенсорного тока, протекающего перпендикулярно через спин-туннельной МР переход, на магнитное состояние структуры, как и при записи необходима подача магнитного поля (H_⊥) перпендикулярно ОЛН для превалирования процессов перемагничивания вращением векторов намагниченности магнитных пленок и уменьшения величины токов управления. На фиг. 10 показаны сигналы считывания для двух последовательно включенных спин-туннельных запоминающих элементов, находящихся в состояниях "0" и "1". Величина спин-туннельного МР эффекта (Δρ/ρ)=20%, H_⊥ = 3 Э. Так же как и для спин-вентильной МР структуры изменение сигнала после перемагничивания спин-туннельных МР пленок 8, 9 сохраняется, что существенно упрощает требования к структурам и электронике управления. Поле перемагничивания "1" составляет около 5 Э (25 мА), а "0" - 11 Э (55 мА), что достаточно для работы элемента.

Структура с фиксирующим слоем. Процесс записи проходит так же, как и в структуре без фиксирующего слоя 16 под суммарным действием сенсорного и проводникового токов, действующих на магнитную полоску 1. Отличием является увеличенная толщина магнитных пленок для получения пологого роста сигнала. Отметим, что для спин-туннельных МР структур нет жесткого ограничения сверху на толщину магнитных пленок 8, 9, как в спин-вентильных структурах. Поля перемагничивания для спин-туннельной МР структуры, как и для спин-вентильной МР структуры с фиксирующим слоем 16, более чем вдвое меньше, чем для этой структуры без фиксирующего слоя 16.

Операция перемножения весов и сигналов в магнитном нейроне идентична случаю спин-вентильных МР структур с фиксирующим слоем 16.

Таким образом, технически реализуем магнитный нейрон на основе анизотропной, спин-вентильной и спин-туннельной МР структур с фиксирующим слоем или без него. Общей идеей, объединяющей все три варианта магнитного нейрона, является использование в качестве базового элемента остроконечной магнитной полоски 1, содержащей одну из вышеназванных структур. Данный магнитный нейрон является основным базовым элементом магнитного нейрочипа, содержащего большое число магнитных нейронов и имеющего перспективу применения в нейрокомпьютерах. Обсуждение достоинств и недостатков этих вариантов показывает:
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.

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.

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.