中國(guó)科大微電子學(xué)院在磁存儲(chǔ)器研究中取得新進(jìn)展

  ICC訊 近日，中國(guó)科大微電子學(xué)院高南特任研究員課題組在磁存儲(chǔ)器研究中取得新進(jìn)展，提出采用雙軸體系構(gòu)建器件，實(shí)現(xiàn)自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器件的本征高效率無(wú)外場(chǎng)寫(xiě)入。該成果以“Intrinsic Solution to the Dilemma between High-Efficiency and External-Field-Free Spin–Orbit Torque Switching Based on Biaxial Devices”為題，近期發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》上。

  磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)具有本征的非易失和近無(wú)限擦寫(xiě)特性，是后摩爾時(shí)代重要的新型存儲(chǔ)器件，得到了臺(tái)積電、三星等主流集成電路廠(chǎng)商的密切關(guān)注和開(kāi)發(fā)，并且在嵌入式存儲(chǔ)等應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)充其市場(chǎng)份額。MRAM經(jīng)歷了三代的發(fā)展歷程，第一代商用MRAM采用磁場(chǎng)寫(xiě)入，在可微縮性方面受到局限；第二代商用MRAM采用自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)寫(xiě)入，解決了可微縮性問(wèn)題，但是寫(xiě)入效率依然有待提升，并且其重疊的讀寫(xiě)路徑會(huì)對(duì)器件穩(wěn)定性形成制約；目前正在發(fā)展的第三代MRAM采用自旋軌道力矩(SOT)寫(xiě)入，利用重金屬層的自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生自旋流從而翻轉(zhuǎn)磁矩，在分離讀寫(xiě)路徑的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更快速高效的寫(xiě)入。

  然而，當(dāng)前SOT-MRAM在寫(xiě)入效率和無(wú)外場(chǎng)寫(xiě)入之間存在矛盾，制約了其進(jìn)一步發(fā)展（IEEE International Roadmap for Devices and Systems.

圖1. (a) 新寫(xiě)入方式的示意圖 (b)器件的亞納秒寫(xiě)入測(cè)試

  為了解決上述問(wèn)題，該課題組提出采用雙軸體系構(gòu)建器件，從而自旋流的磁矩方向可以同時(shí)和存儲(chǔ)單元的初態(tài)磁矩方向垂直，并且和存儲(chǔ)單元的末態(tài)磁矩方向平行，以實(shí)現(xiàn)本征的高效率和無(wú)外場(chǎng)寫(xiě)入。進(jìn)一步，該課題組以MgO/Fe/W體系為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)了這一無(wú)外場(chǎng)寫(xiě)入方式的可行性，并且亞納秒速度的磁矩翻轉(zhuǎn)結(jié)果證明了該器件具有極高的寫(xiě)入效率。與此同時(shí)，雙軸體系構(gòu)建的器件具有本征的多態(tài)存儲(chǔ)能力，從而可以補(bǔ)償其額外寫(xiě)入端口帶來(lái)的面積損失。結(jié)合最近關(guān)于硅上外延高質(zhì)量MgO/Fe基磁隧道結(jié)的報(bào)道（Appl. Phys. Lett. 2019, 115, 202403；Sci. Rep. 2022, 12, 7190），這一新的SOT寫(xiě)入方式的提出與驗(yàn)證有望切實(shí)推動(dòng)自旋軌道力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的發(fā)展。

  論文第一作者為我院博士研究生吳彪，通訊作者為高南特任研究員。此項(xiàng)研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助，并得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c02773