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半導體所在垂直自旋器件的全電寫入關鍵技術(shù)方面取得進展

2024-09-13 08:56:05來源：中國科學院半導體研究所關鍵詞：垂直自旋器件閱讀量：3219

導讀：傳統(tǒng)材料(如自旋霍爾效應材料等)由于對稱性保護只能產(chǎn)生面內(nèi)橫向極化自旋，其角動量無法翻轉(zhuǎn)垂直磁化比特。尋找垂直有效磁場和垂直極化自旋的有效產(chǎn)生方法成為近年來的科技前沿熱點。

　　【儀器網(wǎng) 技術(shù)前沿】同時利用“電荷”、“自旋”和“軌道”三大自由度的自旋存算器件是超越摩爾信息技術(shù)的重要選項。垂直磁化自旋比特具有10納米以下尺寸保持良好熱穩(wěn)定性的潛在優(yōu)勢，但面臨如何實現(xiàn)高能效全電寫入的關鍵技術(shù)難題。傳統(tǒng)材料(如自旋霍爾效應材料等)由于對稱性保護只能產(chǎn)生面內(nèi)橫向極化自旋，其角動量無法翻轉(zhuǎn)垂直磁化比特。尋找垂直有效磁場和垂直極化自旋的有效產(chǎn)生方法成為近年來的科技前沿熱點。

　　中國科學院半導體研究所朱禮軍研究員課題組在2022年提出了利用器件構(gòu)型設計實現(xiàn)垂直自旋器件全電寫入的新方案(Applied Physics Reviews 2022: 9, 041401；中國專利申請?zhí)?02210803247.1)，分別利用“L” 構(gòu)型和“C” 構(gòu)型實驗演示了巨大垂直各向異性Pt/FeTb器件的全電寫入，通過自旋扭矩鐵磁共振等手段，定量確定了其機制為非對稱器件構(gòu)型產(chǎn)生的垂直奧斯特磁場，打破了反演對稱性，實現(xiàn)了自旋比特的確定性翻轉(zhuǎn)。

　　近日，朱禮軍課題組發(fā)現(xiàn)：用Ta、Ir等取代非對稱構(gòu)型器件中的Pt作為自旋霍爾材料可以同時打破?xy和?xz鏡面對稱性，進而在自旋霍爾材料中高效產(chǎn)生垂直極化自旋流，且其產(chǎn)生垂直自旋流的效率可與其產(chǎn)生面內(nèi)極化自旋流的效率相當。基于該機制實驗演示了垂直磁隨機存儲器(p-MRAM)的核心結(jié)構(gòu)——Ta/FeCoB異質(zhì)結(jié)的全電翻轉(zhuǎn)(圖1)，相較文獻中其他全電寫入方案總電流密度降低一個數(shù)量級。該方法無需單晶外延結(jié)構(gòu)或任何厚度/組分梯度，具有普適、高效、高翻轉(zhuǎn)比例且兼容磁控濺射和CMOS大規(guī)模集成的明顯優(yōu)勢，為全面突破垂直自旋器件的全電寫入難題提供了新的解決方案。

　　該工作以“Efficient generation of out-of-plane polarized spin current in polycrystalline heavy metal devices with broken electric symmetries”為題發(fā)表在Advanced Materials(doi:10.1002/adma.202406552)，朱禮軍研究員為通訊作者，半導體所劉前標助理研究員和博士生林鑫為共同第一作者，中國科學院物理研究所于國強研究員參與了本工作并提供了部分實驗樣品。

　　相關工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委面上項目、北京市重點專題研究項目和中國科學院B類戰(zhàn)略先導專項等資助。

　　圖1. 垂直各向異性Ta/FeCoB器件的全電翻轉(zhuǎn)。(a)傳統(tǒng)對稱構(gòu)型中無法實現(xiàn)電流翻轉(zhuǎn)；(b)“C”構(gòu)型和(c)“L”構(gòu)型實現(xiàn)垂直極化自旋流驅(qū)動的高比例高能效全電翻轉(zhuǎn)。

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