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传统集成电路基于晶体管技术,后者在过去半个多世纪的快速发展促成了整个信息产业的繁荣。然而当器件尺寸进一步缩小到深亚微米至纳米尺寸时,量子隧穿效应所引起的漏电流会造成高功耗、低能量利用率及低可靠性等后果,极大地限制了集成电路性能的提升,也难以满足大数据、云计算、物联网等新型应用对集成电路提出的高速、高密度、高可靠性、低功耗等高性能需求。自旋电子学是近30年来发展起来的一个重要的新兴交叉学科,它利用电子的自旋而非电荷属性进行存储和计算,因此相对于传统的半导体技术具有非易失性、抗辐照等显著优势,所以自旋电子技术被广泛认为是“后CMOS时代”实现“三高一低”需求的重要技术。

作为自旋电子学的核心器件之一,垂直各向异性磁隧道结(Perpendicular-anisotropy magnetic tunnel junction,p-MTJ),得到了广泛关注和研究。当前,翻转p-MTJ存在两种主流技术手段。一种是利用STT:将一束电流通入p-MTJ中,产生的自旋流对磁材料施加STT,从而使其磁矩翻转。该方法优于第一代用磁场翻转磁矩的方案,且其核心产品STT-MRAM性能优于Flash,具有广阔应用前景。2018年,微电子制造领域四家家领军企业——英特尔、三星电子、台积电及GLOBALFOUNDRIES,相继宣布量产STT-MRAM。但是该技术方案仍然面临几大瓶颈:(1)通入p-MTJ的电流依然很高,导致较高的写入功耗(~pJ/bit)并影响器件寿命;(2)翻转速度(~10ns)受到机理限制,难以提升。第二种是利用SOT:将一束电流通入p-MTJ底部的非磁材料(Non-magnetic material,NM)中,由于强自旋轨道耦合效应,注入的电流转化为自旋流积累在NM/p-MTJ界面,对磁材料施加SOT使其磁矩翻转。由于电流不需要流过p-MTJ,并且翻转速度本征地快(可低于1ns),因此以上STT遭遇的瓶颈,均能被SOT解决。但是单纯利用SOT只能将磁矩翻转到面内方向,为了实现磁矩的决定性翻转,目前一般需要施加一个面内磁场来打破SOT的对称性,而这一需求严重阻碍了SOT的实际应用。近年来,多国学者都在致力于解决这个问题,并提出了多种方案,但是大多难以与现有的磁存储技术兼容。

2014年,赵巍胜团队提出了SOT和STT的共同作用的器件设计方案,即利用SOT高效、快速地将磁矩翻转到面内,并利用一股STT小电流用于打破SOT的对称性,实现无磁场决定性翻转,从而可以一举解决上述问题。该方案的实施无需对传统SOT器件的结构或材料进行任何修改,与现有磁存储制造技术完全兼容,易于制造,实际应用前景广阔。经过四年攻关,赵巍胜团队设计并制备了核心结构为Ta/CoFeB/MgO/CoFeB的SOT器件,在国际上首次实验验证了SOT + STT方案的可行性。测试结果表明,在SOT和STT的共同作用下,即便STT电流密度低至~1.0 MA cm-2,也可以实现p-MTJ的无磁场翻转。从图中可以看出,两股电流的阈值存在依赖关系,通过调节STT电流密度,所需SOT电流密度可以显著降低,从而可以通过优化两股电流的密度实现p-MTJ的高效翻转。同时,借助SOT和STT的共同作用,还可以实现两端垂直磁隧道结的无场翻转,为三端SOT器件占用面积过大的问题提供了解决方案。相关上述研究成果已经获得美国专利,具有潜在巨大应用价值。

SOT + STT方案原理图和器件核心结构示意图

 

SOT阈值电流和STT阈值电流的关系

 

文章链接:

https://www-nature-com-443.e.buaa.edu.cn/articles/s41928-018-0160-7

M. Wang et al., Field-free switching of a perpendicular magnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques, Nature Electronics 1, 582 (2018).