中國科大微電子學院在磁存儲器研究中取得新進展

  ICC訊 近日，中國科大微電子學院高南特任研究員課題組在磁存儲器研究中取得新進展，提出采用雙軸體系構建器件，實現自旋軌道力矩磁存儲器件的本征高效率無外場寫入。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，近期發表在國際學術期刊《Nano Letters》上。

  磁隨機存儲器(MRAM)具有本征的非易失和近無限擦寫特性，是后摩爾時代重要的新型存儲器件，得到了臺積電、三星等主流集成電路廠商的密切關注和開發，并且在嵌入式存儲等應用領域迅速擴充其市場份額。MRAM經歷了三代的發展歷程，第一代商用MRAM采用磁場寫入，在可微縮性方面受到局限；第二代商用MRAM采用自旋轉移力矩(STT)寫入，解決了可微縮性問題，但是寫入效率依然有待提升，并且其重疊的讀寫路徑會對器件穩定性形成制約；目前正在發展的第三代MRAM采用自旋軌道力矩(SOT)寫入，利用重金屬層的自旋霍爾效應產生自旋流從而翻轉磁矩，在分離讀寫路徑的同時可以實現更快速高效的寫入。

  然而，當前SOT-MRAM在寫入效率和無外場寫入之間存在矛盾，制約了其進一步發展（IEEE International Roadmap for Devices and Systems.

圖1. (a) 新寫入方式的示意圖 (b)器件的亞納秒寫入測試

  為了解決上述問題，該課題組提出采用雙軸體系構建器件，從而自旋流的磁矩方向可以同時和存儲單元的初態磁矩方向垂直，并且和存儲單元的末態磁矩方向平行，以實現本征的高效率和無外場寫入。進一步，該課題組以MgO/Fe/W體系為例進行實驗驗證，確認了這一無外場寫入方式的可行性，并且亞納秒速度的磁矩翻轉結果證明了該器件具有極高的寫入效率。與此同時，雙軸體系構建的器件具有本征的多態存儲能力，從而可以補償其額外寫入端口帶來的面積損失。結合最近關于硅上外延高質量MgO/Fe基磁隧道結的報道（Appl. Phys. Lett. 2019, 115, 202403；Sci. Rep. 2022, 12, 7190），這一新的SOT寫入方式的提出與驗證有望切實推動自旋軌道力矩磁隨機存儲器的發展。

  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。此項研究工作得到了中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目及國家自然科學基金項目的資助，并得到了中國科學技術大學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