近日，微電子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)域取得新進(jìn)展。 

　　實(shí)現(xiàn)低功耗、高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作是MRAM亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，其中，消除寫(xiě)入電流的非對(duì)稱(chēng)性對(duì)于實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入過(guò)程的穩(wěn)定可控以及簡(jiǎn)化供電電路設(shè)計(jì)極為重要。STT-MRAM(Spin-Transfer Torque MRAM)由于在寫(xiě)入過(guò)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(xiě)入電流本征上是不對(duì)稱(chēng)的，而SOT-MRAM(Spin-Orbit Torque MRAM)由于寫(xiě)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(lái)被認(rèn)為不存在寫(xiě)入電流不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題。但另一方面，SOT-MRAM在寫(xiě)入過(guò)程中所施加的輔助磁場(chǎng)則有可能從另一側(cè)面帶來(lái)寫(xiě)入電流的非對(duì)稱(chēng)性。由于目前SOT-MRAM尚處在尋找高效的SOT材料以及通過(guò)引入耦合層來(lái)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(lái)的寫(xiě)入非對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題還沒(méi)有被涉及到。 

　　針對(duì)SOT-MRAM在未來(lái)量產(chǎn)過(guò)程中可能面臨的此類(lèi)問(wèn)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(kāi)展此類(lèi)問(wèn)題的研究。對(duì)于上述可能的寫(xiě)入電流非對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員及其合作者通過(guò)測(cè)定在有無(wú)輔助磁場(chǎng)下的SOT效率與寫(xiě)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(xiě)入過(guò)程的SOT效率也具有本征的非對(duì)稱(chēng)性。進(jìn)一步研究表明，此非對(duì)稱(chēng)性來(lái)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(xiě)入電流和SOT效率的關(guān)系，分析了寫(xiě)入過(guò)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(xiě)入過(guò)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(xiě)入過(guò)程引入額外的非對(duì)稱(chēng)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(chēng)性寫(xiě)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。 

　　本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及中科院相關(guān)項(xiàng)目的支持。具體研究結(jié)果以“Write Asymmetry of Spin-Orbit Torque Memory Induced by In-Plane Magnetic Fields”為題發(fā)表在近期的IEEE Electron Device Letters上（DOI：10.1109/LED.2021.3121800）。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生姜柏青為論文第一作者，畢沖研究員和香港中文大學(xué)周艷教授為通訊作者。 

　　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(lái)，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(wèn)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(xiě)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：https://ieeexplore.ieee.org/document/9583249  

　　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(xiě)入電流方向下的關(guān)系；圖（c）高低阻態(tài)寫(xiě)入電流的差值相對(duì)于寫(xiě)入電流的比值和輔助磁場(chǎng)的關(guān)系；圖（d）臨界寫(xiě)入電流隨輔助磁場(chǎng)的變化。實(shí)線(xiàn)為基于磁疇擴(kuò)展的寫(xiě)入機(jī)制；虛線(xiàn)為基于一致翻轉(zhuǎn)的寫(xiě)入機(jī)制