SOT型磁性存儲器研究領域

　　近日，中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室在SOT型磁性存儲器（MRAM）研究領域取得進展。

　　實現低功耗、高穩定的數據寫入操作是MRAM亟需解決的關鍵問題之一，其中，消除寫入電流的非對稱性對于實現寫入過程的穩定可控以及簡化供電電路設計十分重要。STT-MRAM（Spin-Transfer Torque MRAM）由于在寫入過程中，電子自旋在磁性功能層表面的透射和反射效率不同，寫入電流本征上是不對稱的，而SOT-MRAM（Spin-Orbit Torque MRAM）由于寫入機理上不存在自旋透射和反射的差異，因此，長期以來被認為不存在寫入電流不對稱的問題。但另一方面，SOT-MRAM在寫入過程中所施加的輔助磁場則有可能從另一側面帶來寫入電流的非對稱性。由于目前SOT-MRAM尚處在尋找高效的SOT材料以及通過引入耦合層來提供此輔助場的基礎研究階段，此輔助磁場在器件和電路設計層面可能帶來的寫入非對稱性問題還沒有被涉及到。

　　針對SOT-MRAM在未來量產過程中可能面臨的此類問題，微電子所微電子器件與集成技術重點實驗室從優化磁性存儲器整體性能及制備工藝的角度出發，提前開展此類問題的研究。對于上述可能的寫入電流非對稱問題，研究人員及其合作者通過測定在有無輔助磁場下的SOT效率與寫入電流方向、輔助場方向及強弱之間的關系，直接證實了支配寫入過程的SOT效率也具有本征的非對稱性。進一步研究表明，此非對稱性來源于輔助磁場對磁性功能層內部自旋排列的精細影響。在此基礎上，研究人員測試了臨界寫入電流和SOT效率的關系，分析了寫入過程的兩種物理機制，認為基于手性疇壁運動的磁疇擴展機制主導了SOT-MRAM的寫入過程，但另一種一致磁翻轉機制也可能隨機發生，從而為寫入過程引入額外的非對稱性。相關的研究結果從物理機理上限定了實現SOT-MRAM對稱性寫入的條件，為下一步電路設計和器件結構優化提供了設計準則。

　　相關研究成果以Write Asymmetry of Spin-Orbit Torque Memory Induced by In-Plane Magnetic Fields為題于近期發表在IEEE Electron Device Letters上。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及中科院相關項目的支持。

　　微電子所微電子器件與集成技術重點實驗室自2019年設立磁存儲及自旋電子器件研究方向以來，主要集中在從物理機理的角度解決限制MRAM發展的關鍵技術問題，以及從事自旋波耦合系統和環柵（GAA）型自旋器件在量子計算等前沿領域的研究。目前實驗室已具備了MRAM核心器件磁性隧道結（MTJ）的生長及微加工能力，建成了包括自旋轉移矩的高低頻測試以及磁性存儲器在0.5 ns以下的高速寫入及動態觀測系統在內的研發體系。

　　圖（a）SOT-MRAM器件的結構及測試示意圖；圖（b）SOT效率和輔助磁場在不同寫入電流方向下的關系；圖（c）高低阻態寫入電流的差值相對于寫入電流的比值和輔助磁場的關系；圖（d）臨界寫入電流隨輔助磁場的變化。實線為基于磁疇擴展的寫入機制；虛線為基于一致翻轉的寫入機制