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)重點實驗室在SOT型磁性存儲器（MRAM）研究領(lǐng)域取得進展。
　　實現(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稱性對于實現(xiàn)寫入過程的穩(wěn)定可控以及簡化供電電路設(shè)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(cè)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(chǔ)研究階段，此輔助磁場在器件和電路設(shè)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(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)重點實驗室從優(yōu)化磁性存儲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(guān)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(nèi)部自旋排列的精細影響。在此基礎(chǔ)上，研究人員測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制，認為基于手性疇壁運動的磁疇擴展機制主導(dǎo)了SOT-MRAM的寫入過程，但另一種一致磁翻轉(zhuǎn)機制也可能隨機發(fā)生，從而為寫入過程引入額外的非對稱性。相關(guān)的研究結(jié)果從物理機理上限定了實現(xiàn)SOT-MRAM對稱性寫入的條件，為下一步電路設(shè)計和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了設(shè)計準則。
　　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研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金以及中科院相關(guān)項目的支持。
　　微電子所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室自2019年設(shè)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(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算等前沿領(lǐng)域的研究。目前實驗室已具備了MRAM核心器件磁性隧道結(jié)（MTJ）的生長及微加工能力，建成了包括自旋轉(zhuǎn)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(tài)觀測系統(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(guān)系；圖（c）高低阻態(tài)寫入電流的差值相對于寫入電流的比值和輔助磁場的關(guān)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(zhuǎn)的寫入機制