近年來，磁隨機存儲器（MRAM）因其優(yōu)異性能獲得工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。但受制于物理尺寸難以微縮到DRAM/NAND級別、寫入速度無法達到SRAM（小于 1 納秒，即十億分之一秒）級別等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，MRAM在主流存儲器市場上處于容量無法匹配DRAM/NAND、速度無法匹配SRAM的尷尬境地。MRAM寫入速度無法匹配SRAM的根本物理限制，在于其通過電流產(chǎn)生阻尼自旋矩作用于存儲層，實現(xiàn)電控“0”和“1”狀態(tài)的切換。在STT-MRAM和自旋極化與磁矩共線的SOT-MRAM中，阻尼自旋矩會導(dǎo)致在“0”和“1”狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的磁矩進動，這種進動需要持續(xù)2-10 ns，限制了MRAM的寫入速度。

針對上述寫入機制上的物理機理限制，集成電路制造技術(shù)全國重點實驗室三維存儲器件與工藝科研團隊發(fā)現(xiàn)了一種類場自旋矩導(dǎo)致的無磁矩進動、無外加磁場的超快電寫入方式，有望從源頭上解決MRAM在速度和高密度集成中面臨的基礎(chǔ)性物理問題。器件的實測結(jié)果表明，在低于阻尼自旋矩（當(dāng)前STT/SOT-MRAM的寫入機制）寫入電流一個數(shù)量級的情況下，可在200 ps （0.2 ns）的時間內(nèi)實現(xiàn)“0”和“1”狀態(tài)的可靠寫入，其數(shù)據(jù)保持時間和可集成密度均優(yōu)于SRAM。該成果有望率先在對讀寫速度要求苛刻的人工智能和高性能計算領(lǐng)域得到應(yīng)用。

上述工作以“Subnanosecond in-plane magnetization switching induced by fieldlike spin-orbit torques from ferromagnets”為題發(fā)表在Phys. Rev. Applied (23, 044041 (2025); 鏈接: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.044041?)。微電子所博士生張晗穎為論文第一作者。

該研究成果得到了北京市自然科學(xué)基金重點項目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項等項目的支持。

（a）阻尼矩寫入過程; （b）類場矩寫入過程； （c）0.2納秒寫入脈沖導(dǎo)致的高低組態(tài)轉(zhuǎn)變；（d）寫入電流密度和寫入脈寬的關(guān)系。