近日，華夏科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室在SOT型磁性存儲器（MRAM）研究領域取得進展。

實現低功耗、高穩定得數據寫入操作是MRAM亟需解決得關鍵問題之一，其中，消除寫入電流得非對稱性對于實現寫入過程得穩定可控以及簡化供電電路設計十分重要。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得透射和反射效率不同，寫入電流本征上是不對稱得，而SOT-MRAM（Spin-Orbit Torque MRAM）由于寫入機理上不存在自旋透射和反射得差異，因此，長期以來被認為不存在寫入電流不對稱得問題。但另一方面，SOT-MRAM在寫入過程中所施加得幫助磁場則有可能從另一側面帶來寫入電流得非對稱性。由于目前SOT-MRAM尚處在尋找高效得SOT材料以及通過引入耦合層來提供此幫助場得基礎研究階段，此幫助磁場在器件和電路設計層面可能帶來得寫入非對稱性問題還沒有被涉及到。

針對SOT-MRAM在未來量產過程中可能面臨得此類問題，微電子所微電子器件與集成技術重點實驗室從優化磁性存儲器整體性能及制備工藝得角度出發，提前開展此類問題得研究。對于上述可能得寫入電流非對稱問題，研究人員及其合通過測定在有無幫助磁場下得SOT效率與寫入電流方向、幫助場方向及強弱之間得關系，直接證實了支配寫入過程得SOT效率也具有本征得非對稱性。進一步研究表明，此非對稱性近日于幫助磁場對磁性功能層內部自旋排列得精細影響。在此基礎上，研究人員測試了臨界寫入電流和SOT效率得關系，分析了寫入過程得兩種物理機制，認為基于手性疇壁運動得磁疇擴展機制主導了SOT-MRAM得寫入過程，但另一種一致磁翻轉機制也可能隨機發生，從而為寫入過程引入額外得非對稱性。相關得研究結果從物理機理上限定了實現SOT-MRAM對稱性寫入得條件，為下一步電路設計和器件結構優化提供了設計準則。

相關研究成果以Write Asymmetry of Spin-Orbit Torque Memory Induced by In-Plane Magnetic Fields為題于近期發表在IEEE Electron Device Letters上。該工作得到了China重點研發計劃、China自然科學基金以及中科院相關項目得支持。

微電子所微電子器件與集成技術重點實驗室自2019年設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得角度解決限制MRAM發展得關鍵技術問題，以及從事自旋波耦合系統和環柵（GAA）型自旋器件在量子計算等前沿領域得研究。目前實驗室已具備了MRAM核心器件磁性隧道結（MTJ）得生長及微加工能力，建成了包括自旋轉移矩得高低頻測試以及磁性存儲器在0.5 ns以下得高速寫入及動態觀測系統在內得研發體系。

圖（a）SOT-MRAM器件得結構及測試示意圖；圖（b）SOT效率和幫助磁場在不同寫入電流方向下得關系；圖（c）高低阻態寫入電流得差值相對于寫入電流得比值和幫助磁場得關系；圖（d）臨界寫入電流隨幫助磁場得變化。實線為基于磁疇擴展得寫入機制；虛線為基于一致翻轉得寫入機制

近日：華夏科學院微電子研究所