Title: 自旋轨道矩存储器的发展趋势及关键科学问题
Speaker: 赵巍胜 | 北京航空航天大学
Time: 2021/05/17（周一）上午 10:00
Location: 江湾校区物理楼C101
Host: Jiang Xiao | 肖江
Abstract: 基于磁学、凝聚态物理及微电子等学科交叉，自旋电子学在1988年巨磁阻效应发现后获得了快速发展，带来了大容量信息存储并推动了云计算及大数据等新型信息技术的广泛应用。Albert Fert（现北京航空航天大学费尔北京研究院首席科学家）及Peter Grunberg因而获得2007年诺贝尔物理学奖。基于自旋电子学与集成电路技术的深度交叉，自旋存储芯片（MRAM）被提出，利用电子的自旋属性进行信息存储，因具有非易失、高速、低功耗、耐擦写、抗辐射等优点而被视为新型存储器技术的有力竞争者，且已有部分产品在特定领域获得大量应用。MRAM按照其数据写入技术的发展可被划分为三代：分别基于磁场写入（Toggle）、自旋转移矩（STT）、自旋轨道矩（SOT）。本报告主要汇报SOT-MRAM的研究现状、最新成果和关键科学问题等。
首先，本报告对三代MRAM进行了回顾和对比，以此突出SOT-MRAM的性能优势和应用潜力。在性能方面，SOT-MRAM将数据写入速度提升至亚纳秒量级，将数据写入功耗降低至0.01 pJ/bit，是未来高速缓存的有力替代者。在应用方面，第一代Toggle-MRAM的技术和产品已完全被美国垄断，主要应用于航空航天；第二代STT-MRAM的技术专利已基本布局完毕，目前由三星、台积电、格罗方德等企业于2018年开始量产，我国在该领域争取突破机会难度较大；SOT-MRAM则仍处于蓬勃发展期，专利布局尚未完成，我国多家单位已在该领域取得前沿性创新成果，发展机遇广阔。
其次，本报告着重介绍SOT-MRAM的最新研究进展。为实现SOT-MRAM的产品化，至少要满足三个条件：无需外加磁场（确保器件大规模制造的可行性）、亚纳秒级写入速度（发挥SOT的超高速优势）、与CMOS工艺兼容（确保芯片集成的可行性）。目前满足条件的代表性成果大致包括三类：由北航、斯坦福大学、英特尔等提出的自旋协同矩技术；由欧洲微电子中心（IMEC）提出的在器件内部集成磁场的技术；由日本东北大学提出的倾斜式SOT技术。这三类技术均已完成了实验验证，本报告将对此进行探讨与分析。
最后，本报告凝练了当前SOT-MRAM亟待解决的关键科学问题。第一，当前SOT-MRAM的写入电流仍旧偏高，需要探索高效“电荷-自旋”转换效率的材料体系。第二，当前SOT-MRAM的器件尺寸难以微缩，需要寻求新的效应或结构。第三，当前SOT-MRAM的器件隧穿磁阻率（TMR）普遍偏低，需要优化器件工艺，改善界面和晶格质量。通过解决以上关键科学问题，SOT-MRAM将在数据的写入、存储及读取三者之间实现协同优化。
主要参考文献：
1) M. X. Wang and W. S. Zhao. et al. "Current-induced magnetization switching in atom-thick tungsten engineered perpendicular magnetic tunnel junctions with large tunnel magnetoresistance", Nat. Comm., 9 671, (2018).
2) M. X. Wang and W. S. Zhao. et al. "Field-free switching of perpendicular magnetic tunnel junction by the interplay of spin orbit and spin transfer torques", Nat. Electron., 1 582-588, (2018).
3) S. Peng and W. S. Zhao. et al."Field-free switching of perpendicular magnetic tunnel junction through voltage-gated spin orbit torque", IEDM., 661, (2019).
4) Z. H. Wang and W. S. Zhao. et al. "Proposal of Toggle Spin Torques Magnetic RAM for Ultrafast Computing", IEEE Electron Device Lett., 40(5) 726-729, (2019).
5) Z. H. Wang and W. S. Zhao. et al. "High-Density NAND-Like Spin Transfer Torque Memory with Spin Orbit Torque Erase Operation", IEEE Electron Device Lett., 39(3) 343-346, (2018).
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7) K. Shi and W. S. Zhao. et al. “Experimental Demonstration of NAND-Like Spin-Torque Memory Unit”, IEEE Electron Device Lett., 42(4) 513-516, (2021).
8) X. Lin and W. S. Zhao et al., "Two-dimensional spintronics for low-power electronics", Nat. Electron., 2 274-283, (2019).
9) S. Peng and W. S. Zhao et al., "Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin-orbit torque", Nat. Electron., 3 757-764, (2020).