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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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微電子所在SOT型磁性存儲(chǔ)器研究領(lǐng)域獲進(jìn)展

2021-11-08 微電子研究所

【字體：大中小】

語音播報(bào)

　　近日，中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在SOT型磁性存儲(chǔ)器（MRAM）研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。

　　實(shí)現(xiàn)低功耗、高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)寫入操作是MRAM亟需解決的關(guān)鍵問題之一，其中，消除寫入電流的非對(duì)稱性對(duì)于實(shí)現(xiàn)寫入過程的穩(wěn)定可控以及簡(jiǎn)化供電電路設(shè)計(jì)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(duì)稱的，而SOT-MRAM（Spin-Orbit Torque MRAM）由于寫入機(jī)理上不存在自旋透射和反射的差異，因此，長(zhǎng)期以來被認(rèn)為不存在寫入電流不對(duì)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(chǎng)則有可能從另一側(cè)面帶來寫入電流的非對(duì)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(chǎng)的基礎(chǔ)研究階段，此輔助磁場(chǎng)在器件和電路設(shè)計(jì)層面可能帶來的寫入非對(duì)稱性問題還沒有被涉及到。

　　針對(duì)SOT-MRAM在未來量產(chǎn)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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從優(yōu)化磁性存儲(chǔ)器整體性能及制備工藝的角度出發(fā)，提前開展此類問題的研究。對(duì)于上述可能的寫入電流非對(duì)稱問題，研究人員及其合作者通過測(cè)定在有無輔助磁場(chǎng)下的SOT效率與寫入電流方向、輔助場(chǎng)方向及強(qiáng)弱之間的關(guān)系，直接證實(shí)了支配寫入過程的SOT效率也具有本征的非對(duì)稱性。進(jìn)一步研究表明，此非對(duì)稱性來源于輔助磁場(chǎng)對(duì)磁性功能層內(nèi)部自旋排列的精細(xì)影響。在此基礎(chǔ)上，研究人員測(cè)試了臨界寫入電流和SOT效率的關(guān)系，分析了寫入過程的兩種物理機(jī)制，認(rèn)為基于手性疇壁運(yùn)動(dòng)的磁疇擴(kuò)展機(jī)制主導(dǎo)了SOT-MRAM的寫入過程，但另一種一致磁翻轉(zhuǎn)機(jī)制也可能隨機(jī)發(fā)生，從而為寫入過程引入額外的非對(duì)稱性。相關(guān)的研究結(jié)果從物理機(jī)理上限定了實(shí)現(xiàn)SOT-MRAM對(duì)稱性寫入的條件，為下一步電路設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

　　相關(guān)研究成果以Write Asymmetry of Spin-Orbit Torque Memory Induced by In-Plane Magnetic Fields為題于近期發(fā)表在IEEE Electron Device Letters上。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金以及中科院相關(guān)項(xiàng)目的支持。

　　微電子所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自2019年設(shè)立磁存儲(chǔ)及自旋電子器件研究方向以來，主要集中在從物理機(jī)理的角度解決限制MRAM發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題，以及從事自旋波耦合系統(tǒng)和環(huán)柵（GAA）型自旋器件在量子計(jì)算等前沿領(lǐng)域的研究。目前實(shí)驗(yàn)室已具備了MRAM核心器件磁性隧道結(jié)（MTJ）的生長(zhǎng)及微加工能力，建成了包括自旋轉(zhuǎn)移矩的高低頻測(cè)試以及磁性存儲(chǔ)器在0.5 ns以下的高速寫入及動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)在內(nèi)的研發(fā)體系。

　　論文鏈接

　　圖（a）SOT-MRAM器件的結(jié)構(gòu)及測(cè)試示意圖；圖（b）SOT效率和輔助磁場(chǎng)在不同寫入電流方向下的關(guān)系；圖（c）高低阻態(tài)寫入電流的差值相對(duì)于寫入電流的比值和輔助磁場(chǎng)的關(guān)系；圖（d）臨界寫入電流隨輔助磁場(chǎng)的變化。實(shí)線為基于磁疇擴(kuò)展的寫入機(jī)制；虛線為基于一致翻轉(zhuǎn)的寫入機(jī)制

　　近日，中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在SOT型磁性存儲(chǔ)器（MRAM）研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。
　　實(shí)現(xiàn)低功耗、高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)寫入操作是MRAM亟需解決的關(guān)鍵問題之一，其中，消除寫入電流的非對(duì)稱性對(duì)于實(shí)現(xiàn)寫入過程的穩(wěn)定可控以及簡(jiǎn)化供電電路設(shè)計(jì)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(duì)稱的，而SOT-MRAM（Spin-Orbit Torque MRAM）由于寫入機(jī)理上不存在自旋透射和反射的差異，因此，長(zhǎng)期以來被認(rèn)為不存在寫入電流不對(duì)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(chǎng)則有可能從另一側(cè)面帶來寫入電流的非對(duì)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(chǎng)的基礎(chǔ)研究階段，此輔助磁場(chǎng)在器件和電路設(shè)計(jì)層面可能帶來的寫入非對(duì)稱性問題還沒有被涉及到。
　　針對(duì)SOT-MRAM在未來量產(chǎn)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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從優(yōu)化磁性存儲(chǔ)器整體性能及制備工藝的角度出發(fā)，提前開展此類問題的研究。對(duì)于上述可能的寫入電流非對(duì)稱問題，研究人員及其合作者通過測(cè)定在有無輔助磁場(chǎng)下的SOT效率與寫入電流方向、輔助場(chǎng)方向及強(qiáng)弱之間的關(guān)系，直接證實(shí)了支配寫入過程的SOT效率也具有本征的非對(duì)稱性。進(jìn)一步研究表明，此非對(duì)稱性來源于輔助磁場(chǎng)對(duì)磁性功能層內(nèi)部自旋排列的精細(xì)影響。在此基礎(chǔ)上，研究人員測(cè)試了臨界寫入電流和SOT效率的關(guān)系，分析了寫入過程的兩種物理機(jī)制，認(rèn)為基于手性疇壁運(yùn)動(dòng)的磁疇擴(kuò)展機(jī)制主導(dǎo)了SOT-MRAM的寫入過程，但另一種一致磁翻轉(zhuǎn)機(jī)制也可能隨機(jī)發(fā)生，從而為寫入過程引入額外的非對(duì)稱性。相關(guān)的研究結(jié)果從物理機(jī)理上限定了實(shí)現(xiàn)SOT-MRAM對(duì)稱性寫入的條件，為下一步電路設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
　　相關(guān)研究成果以Write Asymmetry of Spin-Orbit Torque Memory Induced by In-Plane Magnetic Fields為題于近期發(fā)表在IEEE Electron Device Letters上。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金以及中科院相關(guān)項(xiàng)目的支持。
　　微電子所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自2019年設(shè)立磁存儲(chǔ)及自旋電子器件研究方向以來，主要集中在從物理機(jī)理的角度解決限制MRAM發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題，以及從事自旋波耦合系統(tǒng)和環(huán)柵（GAA）型自旋器件在量子計(jì)算等前沿領(lǐng)域的研究。目前實(shí)驗(yàn)室已具備了MRAM核心器件磁性隧道結(jié)（MTJ）的生長(zhǎng)及微加工能力，建成了包括自旋轉(zhuǎn)移矩的高低頻測(cè)試以及磁性存儲(chǔ)器在0.5 ns以下的高速寫入及動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)在內(nèi)的研發(fā)體系。
　　論文鏈接
　　圖（a）SOT-MRAM器件的結(jié)構(gòu)及測(cè)試示意圖；圖（b）SOT效率和輔助磁場(chǎng)在不同寫入電流方向下的關(guān)系；圖（c）高低阻態(tài)寫入電流的差值相對(duì)于寫入電流的比值和輔助磁場(chǎng)的關(guān)系；圖（d）臨界寫入電流隨輔助磁場(chǎng)的變化。實(shí)線為基于磁疇擴(kuò)展的寫入機(jī)制；虛線為基于一致翻轉(zhuǎn)的寫入機(jī)制
　　

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