近日，中国科大微电子学院高南特任研究员课题组在磁存储器研究中取得新进展，提出采用双轴体系构建器件，实现自旋轨道力矩磁存储器件的本征高效率无外场写入。该成果以“Intrinsic Solution to the Dilemma between High-Efficiency and External-Field-Free Spin–Orbit Torque Switching Based on Biaxial Devices”为题，近期发表在国际学术期刊《Nano Letters》上。
磁随机存储器(MRAM)具有本征的非易失和近无限擦写特性，是后摩尔时代重要的新型存储器件，得到了台积电、三星等主流集成电路厂商的密切关注和开发，并且在嵌入式存储等应用领域迅速扩充其市场份额。MRAM经历了三代的发展历程，第一代商用MRAM采用磁场写入，在可微缩性方面受到局限；第二代商用MRAM采用自旋转移力矩(STT)写入，解决了可微缩性问题，但是写入效率依然有待提升，并且其重叠的读写路径会对器件稳定性形成制约；目前正在发展的第三代MRAM采用自旋轨道力矩(SOT)写入，利用重金属层的自旋霍尔效应产生自旋流从而翻转磁矩，在分离读写路径的同时可以实现更快速高效的写入。
然而，当前SOT-MRAM在写入效率和无外场写入之间存在矛盾，制约了其进一步发展（IEEE International Roadmap for Devices and Systems.
图1. (a) 新写入方式的示意图 (b)器件的亚纳秒写入测试
为了解决上述问题，该课题组提出采用双轴体系构建器件，从而自旋流的磁矩方向可以同时和存储单元的初态磁矩方向垂直，并且和存储单元的末态磁矩方向平行，以实现本征的高效率和无外场写入。进一步，该课题组以MgO/Fe/W体系为例进行实验验证，确认了这一无外场写入方式的可行性，并且亚纳秒速度的磁矩翻转结果证明了该器件具有极高的写入效率。与此同时，双轴体系构建的器件具有本征的多态存储能力，从而可以补偿其额外写入端口带来的面积损失。结合最近关于硅上外延高质量MgO/Fe基磁隧道结的报道（Appl. Phys. Lett. 2019, 115, 202403；Sci. Rep. 2022, 12, 7190），这一新的SOT写入方式的提出与验证有望切实推动自旋轨道力矩磁随机存储器的发展。
论文第一作者为我院博士研究生吴彪，通讯作者为高南特任研究员。此项研究工作得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目及国家自然科学基金项目的资助，并得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。
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