概率可控的自旋随机数发生器制造技术

本发明专利技术涉及概率可控的随机数发生器。根据一实施例，一种随机数发生器包括由自旋霍尔效应导电材料形成的自旋流产生层和设置在其上的自旋电子器件。所述自旋电子器件包括设置在自旋流产生层上的自由磁层、设置在自由磁层上的非磁中间层、以及设置在非磁中间层上的参考磁层。所述自旋流产生层配置为接收沿第一方向的第一面内电流，以将所述自由磁层的磁矩从易磁化轴方向旋转到难磁化轴方向，在停止施加所述第一面内电流后，所述自由磁层的磁矩从难磁化轴方向随机旋转回到易磁化轴的正方向或负方向上。所述参考磁层的磁矩被固定在所述易磁化轴的正方向或负方向上。所述自旋电子器件配置为接收垂直电流，以读取自旋电子器件的电阻状态。状态。状态。

【技术实现步骤摘要】
概率可控的自旋随机数发生器


[0001]本专利技术总体上涉及电子器件领域，更特别地，涉及一种基于自旋电子器件的随机数发生器，其可以具有可控的随机数生成概率。

技术介绍

[0002]随机数发生器广泛应用于密码学、网络安全、身份识别等领域。此外，随机数发生器还能用于构造概率比特(probability bit，简称为p
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bit)，用于概率计算、模拟/量子退火算法、非线性优化、组合优化等诸多计算领域，是新型计算器件的核心单元器件之一。传统的随机数发生器可利用热噪声作为随机数的来源，由放大电路对热噪声进行放大后，控制一个压控振荡器(VCO)，并且由高频振荡器来收集压控振荡器的输出数据。通过对一定时间内超过阈值的数据进行统计，来产生随机数。这样产生的随机数是真随机数，具有不可重复性和不可预测性。但是，这种随机数发生器电路仍有许多缺点。例如，其电路一般比较复杂，另外不能对生成“0”比特和“1”比特的概率进行控制，因此不能满足一些特定应用场景例如神经网络计算领域的需要。

技术实现思路

[0003]针对上述及其他问题，提出了本申请。本申请提供一种包括自旋电子器件的随机数发生器，其利用自由磁层的磁矩方向的随机取向来产生真随机数，具有尺寸小、密度高、速度快、电路简单、便于片上集成等诸多优点。而且，在本申请的基于自旋电子器件的随机数发生器中，还可以连续灵活控制生成“0”比特和“1”比特的概率，因此特别适合于在概率计算、神经网络计算等专用芯片中使用。
[0004]根据一实施例，提供一种随机数发生器，包括：自旋流产生层，由具有自旋霍尔效应的导电材料形成；以及设置在所述自旋流产生层上的自旋电子器件，所述自旋电子器件包括：自由磁层，设置在所述自旋流产生层上，并且由导电磁性材料形成；非磁中间层，设置在所述自由磁层上，并且由导电或绝缘非磁材料形成；以及参考磁层，设置在所述非磁中间层上，并且由导电磁性材料形成，其中，所述自旋流产生层配置为接收沿第一方向的第一面内电流，以将所述自由磁层的磁矩从易磁化轴方向旋转到难磁化轴方向，在停止施加所述第一面内电流后，所述自由磁层的磁矩从难磁化轴方向随机旋转回到易磁化轴的正方向或负方向上，所述参考磁层的磁矩被固定在所述易磁化轴的正方向或负方向上，且所述自旋电子器件配置为接收垂直电流，以读取自旋电子器件的电阻状态。
[0005]在一些实施例中，所述自旋流产生层还配置为接收沿第二方向的第二面内电流，以控制所述自由磁层的磁矩从难磁化轴方向旋转回到易磁化轴的正方向和负方向上的概率。
[0006]在一些实施例中，所述第一方向平行于所述易磁化轴方向，所述第二方向平行于所述难磁化轴方向，且所述第一方向垂直于所述第二方向。
[0007]在一些实施例中，所述第二面内电流的方向在所述第二方向的正方向和负方向上
是可调节的，并且所述第二面内电流的大小是可调节的，以控制所述自由磁层的磁矩从难磁化轴方向旋转回到易磁化轴的正方向和负方向上的概率。
[0008]在一些实施例中，所述自旋电子器件具有形状各向异性，以诱导所述自由磁层的易磁化轴在长轴方向上，难磁化轴在短轴方向上。
[0009]在一些实施例中，所述自旋电子器件的面内最大尺寸在200nm以下。
[0010]在一些实施例中，所述随机数发生器是真随机数发生器。
[0011]根据另一实施例，提供一种操作上述随机数发生器以生成随机数的方法，包括：向所述自旋流产生层施加沿第一方向的第一面内电流，以将所述自由磁层的磁矩从易磁化轴方向旋转到难磁化轴方向；停止施加所述第一面内电流，以使所述自由磁层的磁矩从难磁化轴方向随机旋转回到易磁化轴的正方向或负方向上；以及施加垂直流过所述自旋电子器件的垂直电流，以读取所述自旋电子器件的电阻状态，从而确定随机数比特“0”或“1”。
[0012]在一些实施例中，所述方法还包括：在施加所述第一面内电流的同时，还向所述自旋流产生层施加沿第二方向的第二面内电流，以控制所述自由磁层的磁矩从难磁化轴方向旋转回到易磁化轴的正方向和负方向上的概率。
[0013]在一些实施例中，在停止施加所述第一面内电流和所述第二面内电流之后，施加所述垂直电流。
[0014]本专利技术的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对具体实施例的描述而变得显而易见。
附图说明
[0015]图1示出根据本专利技术一实施例的包括自旋电子器件的随机数发生器的结构示意图。
[0016]图2示出根据本专利技术一实施例的包括自旋电子器件的随机数发生器的俯视图。
[0017]图3示出根据本专利技术一实施例的包括自旋电子器件的随机数发生器的随机翻转原理示意图。
具体实施方式
[0018]下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。注意，附图可能不是按比例绘制的。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。
[0019]图1示出根据本专利技术一实施例的包括自旋电子器件的随机数发生器100的结构示意图，图2示出随机数发生器100的俯视图。为了描述方便，下面将以磁性隧道结(MTJ)作为自旋电子器件的示例来进行说明，但是应理解，随机数发生器100中使用的自旋电子器件也可以是巨磁致电阻(GMR)器件。
[0020]参照图1，随机数发生器100包括自旋流产生层110和设置在自旋流产生层110上的自旋电子器件120，图1中示为磁性隧道结(MTJ)120。自旋流产生层110由可以产生自旋流的材料形成，例如自旋霍尔效应材料。电流在流经自旋霍尔效应材料时，由于强的自旋轨道耦合，会在该材料的表面处产生自旋极化的电子流，也称为极化自旋流，自旋极化方向根据右手定则与电子流方向垂直，这也称为自旋霍尔效应。当自旋产生层110与磁性层直接接触
时，其表面积累的极化自旋流会向相邻的磁性层扩散，对磁性层的磁矩施加一力矩，从而可促使磁性层的磁矩旋转到自旋极化方向上来。具有自旋霍尔效应的材料的示例包括但不限于Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、IrMn、PtMn、AuMn、Bi2Se3和Bi2Te3等。
[0021]设置在自旋流产生层110上的自旋电子器件120包括自由磁层121、非磁中间层122和参考磁层123。自由磁层121可由导电磁性材料例如铁磁材料形成，并且其具有自由磁矩，即自由磁层121的磁化方向可以自由旋转。自由磁层121可以直接和自旋流产生层110接触，从而当向自旋流产生层110施加面内电流时，从自旋流产生层110向自由磁层121扩散的自旋流会使自由磁层121的磁化方向发生旋转。可用于形成自由磁层121的材料的示例包括但不限于例如Co、Fe、Ni以及它们的合金。
[0022]非磁中间层122位于自由磁层121和参考磁层123之间，并且由非磁材料形成。对于磁性隧道结(MTJ)器件，非磁中间层122可由绝缘材料例如诸如MgO、Al2O3之类的金属氧化物形成；对于巨磁致电阻(GMR)器件，非磁中间层122可由具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种随机数发生器，包括：自旋流产生层，由具有自旋霍尔效应的导电材料形成；以及设置在所述自旋流产生层上的自旋电子器件，所述自旋电子器件包括：自由磁层，设置在所述自旋流产生层上，并且由导电磁性材料形成；非磁中间层，设置在所述自由磁层上，并且由导电或绝缘非磁材料形成；以及参考磁层，设置在所述非磁中间层上，并且由导电磁性材料形成，其中，所述自旋流产生层配置为接收沿第一方向的第一面内电流，以将所述自由磁层的磁矩从易磁化轴方向旋转到难磁化轴方向，在停止施加所述第一面内电流后，所述自由磁层的磁矩从难磁化轴方向随机旋转回到易磁化轴的正方向或负方向上，所述参考磁层的磁矩被固定在所述易磁化轴的正方向或负方向上，且所述自旋电子器件配置为接收垂直电流，以读取自旋电子器件的电阻状态。2.如权利要求1所述的随机数发生器，其中，所述自旋流产生层还配置为接收沿第二方向的第二面内电流，以控制所述自由磁层的磁矩从难磁化轴方向旋转回到易磁化轴的正方向和负方向上的概率。3.如权利要求2所述的随机数发生器，其中，所述第一方向平行于所述易磁化轴方向，所述第二方向平行于所述难磁化轴方向，且所述第一方向垂直于所述第二方向。4.如权利要求2所述的随机数发生器，其中，所述第二面内电流的方向在所述第二方向的正方向和负方向上是可调节的，并且所述第二面内电流的大小是可...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩秀峰，万蔡华，赵明堃，罗需明，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：