北航集成电路科学与工程学院在《Nature Electronics》期刊发表研究成果
2023年6月12日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队于《自然·电子学（Nature Electronics）》在线发表了题为“Electrical manipulation and detection of antiferromagnetism in magnetic tunnel junctions”的研究成果。该工作在磁隧道结中实现了反铁磁的电学调控和检测，揭示了器件的两种翻转机制，即热驱动翻转和自旋轨道矩（SOT）驱动翻转，翻转的模式取决于写入电流脉冲的宽度。通过引入反铁磁材料，该研究构建了SOT型的反铁磁随机存储器（Antiferromagnetic Random Access Memory, ARAM），提供了一种低功耗、高稳定性和高密度的存储方案。随着计算机技术的不断发展，数据存储的需求不断增加，各种类型的存储器技术应运而生（图1）。1963年，仙童半导体公司的Robert Norman发明静态随机存储器（SRAM）。SRAM的存储单元一般由6个晶体管组成，数据写入速度快（< 1 ns）但存储密度低，被应用于计算机缓存。1968年，IBM公司的Robert Dennard发明动态随机存储器（DRAM）。DRAM使用电容器来存储数据，制造成本大幅降低，但需要周期性刷新来保持数据，且响应速度较慢（10-100 ns），被应用于大容量（GB级别）独立式存储器。随着晶体管尺寸持续微缩，量子隧穿效应导致SRAM和DRAM存在高能耗、低可靠性等性能瓶颈，各类新型非易失存储器技术不断涌现，如磁存储器（MRAM）、铁电存储器（FeRAM）、阻变存储器（RRAM）和相变存储器（PCRAM）等，有望逐渐替代传统存储器技术。在众多非易失存储器方案中，MRAM具备高速、低功耗和抗辐照等优势，是解决“后摩尔时代”集成电路功耗瓶颈的可能技术方案。第一代MRAM基于磁场写入，于2006年商业化，被广泛应用于航空航天领域；第二代MRAM基于自旋转移矩（STT）电流写入，被广泛应用于嵌入式系统，也有望替代独立式存储器内存；当前，MRAM已发展至第三代——SOT-MRAM，可以实现亚纳秒数据写入，功耗低至0.1 pJ/bit，且器件寿命高于1×1013，有望替代SRAM，是当前学术界和工业界关注的重点。北航集成电路学院在SOT-MRAM领域已取得突出进展，提出了自旋协同矩器件、电压调控自旋轨道矩器件等高性能自旋存储器件方案。然而，当前MRAM基于铁磁材料，在小尺寸下存在数据保存困难和外磁场干扰等问题，限制了MRAM性能的进一步提升。反铁磁材料具有零杂散场、高稳定性和太赫兹进动频率等特点，可以提供更高的存储密度、更高速的数据写入和更好的数据稳定性，被认为是下一代存储器技术的潜在候选者。但是反铁磁材料难以进行电学调控和检测，成为制约其应用的关键科学问题。赵巍胜教授团队前期工作表明，自旋轨道矩可以高效调控反铁磁/铁磁界面交换偏置场的方向。在此基础上，团队深入研究了反铁磁材料IrMn的电学写入和读取。通过IrMn和磁隧道结（MTJ）自由层之间的强耦合，实现了800皮秒的数据写入速度，并利用MTJ超过80%的隧穿磁阻率（TMR）完成了对反铁磁的数据读出。通过对比Pt底电极（有SOT）和Cu底电极（无SOT）器件不同脉冲宽度下的临界翻转电流密度，明确了该器件中的两种翻转机制—热驱动翻转和SOT驱动翻转，其中SOT驱动翻转机制在短于5纳秒脉宽下变得明显（图2）。宏自旋仿真和原子级仿真进一步揭示了反铁磁的SOT写入过程。在此器件方案中，信息本质上存储于反铁磁材料中，并依靠SOT写入，因此被称为SOT-ARAM。如图3所示，直径为41纳米的SOT-ARAM器件在2特斯拉的磁场干扰下仍能保存数据。因此，SOT-ARAM技术方案有望突破主流硅基存储芯片10纳米节点的制造瓶颈，构建高存储密度、低功耗和高稳定性的新型存储芯片。
图1：各类型存储器的发展历程
图2：Pt底电极(a)和Cu底电极(b)下，器件临界翻转电流密度Jc随脉冲宽度变化的关系。其中，Pt底电极器件在短于5纳秒脉冲宽度下出现偏移，表明SOT效应的存在。
图3：SOT-ARAM器件的结构、性能和功耗。a. MRAM器件的示意图，外磁场会改变AP和P两个存储状态。b. SOT-ARAM器件的示意图，移除外磁场后，器件能恢复到原来的存储状态。c. SOT-ARAM器件在尺寸分别为41纳米和120纳米下的抗磁场性能验证。d. SOT-ARAM器件的功耗验证，1纳秒速度下功耗为0.25 pJ/bit。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-023-00975-3
参考文献： Lanza, M. et al. Memristive technologies for data storage, computation, encryption, and radio-frequency communication. Science 376, (2022). Guo, Z. et al. Spintronics for Energy- Efficient Computing: An Overview and Outlook. Proceedings of the IEEE 109, 1398–1417 (2021). Wang, M. et al. Field-free switching of a perpendicular magnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques. Nature Electronics 1, 582–588 (2018). Peng, S. Z. et al. Field-Free Switching of Perpendicular Magnetization through Voltage-Gated Spin-Orbit Torque. 2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 28.6. 1-28.6. 4, (2019). Xiong, D. et al. Antiferromagnetic spintronics: An overview and outlook. Fundamental Research 2, 522–534 (2022). Zhu, D. Q. et al. First demonstration of three terminal MRAM devices with immunity to magnetic fields and 10 ns field free switching by electrical manipulation of exchange bias. 2021 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 17.5. 1-17.5. 4, (2021). Peng, S. et al. Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin–orbit torque. Nature Electronics 3, 757–764 (2020).
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