北京航空航天大學微電子學院發表重要成果

11月12日，北京航空航天大學微電子學院趙巍勝團隊於《自然·電子學（Nature Electronics）》在線發表了題為「Field-free switching of a perpendicularmagnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques」的研究成果。該實驗工作首次利用自旋軌道矩（Spin orbit torque，SOT）和自旋轉移矩（Spintransfer torque，STT）的協同作用實現了三端垂直磁各向異性納米磁隧道結的無磁場翻轉；通過調節STT電流密度，所需SOT電流密度可以顯著降低，從而實現磁隧道結的超低能耗翻轉；也為三端自旋存儲器件佔用面積過大的問題提供了解決方案。我校2017屆博士生王夢醒、2016級中法工程師學院碩士生蔡文龍、2017級博士生朱道乾和助理教授王昭昊為該論文的共同第一作者，趙巍勝教授是唯一通訊作者，北京航空航天大學為第一單位。該工作獲得了北航大數據與腦機智能高精尖中心、國家自然科學基金及國家科技攻關計劃的大力支持，並得到法國巴黎薩克雷大學Albert Fert教授、明尼蘇達大學雙子城分校Jian-Ping Wang教授、高通公司Jimmy Kan和Chando Park等專家的指導和幫助。

傳統集成電路基於晶體管技術，後者在過去半個多世紀的快速發展促成了整個信息產業的繁榮。然而當器件尺寸進一步縮小到深亞微米至納米尺寸時，量子隧穿效應所引起的漏電流會造成高功耗、低能量利用率及低可靠性等後果，極大地限制了集成電路性能的提升，也難以滿足大數據、雲計算、物聯網等新型應用對集成電路提出的高速、高密度、高可靠性、低功耗等高性能需求。自旋電子學是近30年來發展起來的一個重要的新興交叉學科，它利用電子的自旋而非電荷屬性進行存儲和計算，因此相對於傳統的半導體技術具有非易失性、抗輻照等顯著優勢，所以自旋電子技術被廣泛認為是「後CMOS時代」實現「三高一低」需求的重要技術。

作為自旋電子學的核心器件之一，垂直各向異性磁隧道結（Perpendicular-anisotropy magnetic tunnel junction, p-MTJ），得到了廣泛關注和研究。當前，翻轉p-MTJ存在兩種主流技術手段。一種是利用STT：將一束電流通入p-MTJ中，產生的自旋流對磁材料施加STT，從而使其磁矩翻轉。該方法優於第一代用磁場翻轉磁矩的方案，且其核心產品STT-MRAM性能優於Flash，具有廣闊應用前景。2018年，微電子製造領域四家家領軍企業——英特爾、三星電子、台積電及GLOBALFOUNDRIES，相繼宣布量產STT-MRAM。但是該技術方案仍然面臨幾大瓶頸：(1) 通入p-MTJ的電流依然很高，導致較高的寫入功耗(~pJ/bit)並影響器件壽命；(2) 翻轉速度(~10ns)受到機理限制，難以提升。第二種是利用SOT：將一束電流通入p-MTJ底部的非磁材料(Non-magnetic material, NM)中，由於強自旋軌道耦合效應，注入的電流轉化為自旋流積累在NM/p-MTJ界面，對磁材料施加SOT使其磁矩翻轉。由於電流不需要流過p-MTJ，並且翻轉速度本徵地快(可低於1ns)，因此以上STT遭遇的瓶頸，均能被SOT解決。但是單純利用SOT只能將磁矩翻轉到面內方向，為了實現磁矩的決定性翻轉，目前一般需要施加一個面內磁場來打破SOT的對稱性，而這一需求嚴重阻礙了SOT的實際應用。近年來，多國學者都在致力於解決這個問題，並提出了多種方案，但是大多難以與現有的磁存儲技術兼容。

2014年，趙巍勝團隊提出了SOT和STT的共同作用的器件設計方案，即利用SOT高效、快速地將磁矩翻轉到面內，並利用一股STT小電流用於打破SOT的對稱性，實現無磁場決定性翻轉，從而可以一舉解決上述問題。該方案的實施無需對傳統SOT器件的結構或材料進行任何修改，與現有磁存儲製造技術完全兼容，易於製造，實際應用前景廣闊。經過四年攻關，趙巍勝團隊設計並製備了核心結構為Ta/CoFeB/MgO/CoFeB的SOT器件，在國際上首次實驗驗證了SOT + STT方案的可行性。測試結果表明，在SOT和STT的共同作用下，即便STT電流密度低至~1.0 MA cm-2，也可以實現p-MTJ的無磁場翻轉。從圖中可以看出，兩股電流的閾值存在依賴關係，通過調節STT電流密度，所需SOT電流密度可以顯著降低，從而可以通過優化兩股電流的密度實現p-MTJ的高效翻轉。同時，藉助SOT和STT的共同作用，還可以實現兩端垂直磁隧道結的無場翻轉，為三端SOT器件佔用面積過大的問題提供了解決方案。相關上述研究成果已經獲得美國專利，具有潛在巨大應用價值。

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https://www.nature.com/articles/s41928-018-0160-7

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

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