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半导体所在垂直自旋器件的全电写入关键技术方面取得进展

来源：中国科学院半导体研究所2024/9/12 8:43:0446

导读

传统材料(如自旋霍尔效应材料等)由于对称性保护只能产生面内横向极化自旋，其角动量无法翻转垂直磁化比特。寻找垂直有效磁场和垂直极化自旋的有效产生方法成为近年来的科技前沿热点。

　　同时利用“电荷”、“自旋”和“轨道”三大自由度的自旋存算器件是超越摩尔信息技术的重要选项。垂直磁化自旋比特具有10纳米以下尺寸保持良好热稳定性的潜在优势，但面临如何实现高能效全电写入的关键技术难题。传统材料(如自旋霍尔效应材料等)由于对称性保护只能产生面内横向极化自旋，其角动量无法翻转垂直磁化比特。寻找垂直有效磁场和垂直极化自旋的有效产生方法成为近年来的科技前沿热点。

　　中国科学院半导体研究所朱礼军研究员课题组在2022年提出了利用器件构型设计实现垂直自旋器件全电写入的新方案(Applied Physics Reviews 2022: 9, 041401；中国专利申请号202210803247.1)，分别利用“L” 构型和“C” 构型实验演示了巨大垂直各向异性Pt/FeTb器件的全电写入，通过自旋扭矩铁磁共振等手段，定量确定了其机制为非对称器件构型产生的垂直奥斯特磁场，打破了反演对称性，实现了自旋比特的确定性翻转。

　　近日，朱礼军课题组发现：用Ta、Ir等取代非对称构型器件中的Pt作为自旋霍尔材料可以同时打破ℳxy和ℳxz镜面对称性，进而在自旋霍尔材料中高效产生垂直极化自旋流，且其产生垂直自旋流的效率可与其产生面内极化自旋流的效率相当。基于该机制实验演示了垂直磁随机存储器(p-MRAM)的核心结构——Ta/FeCoB异质结的全电翻转(图1)，相较文献中其他全电写入方案总电流密度降低一个数量级。该方法无需单晶外延结构或任何厚度/组分梯度，具有普适、高效、高翻转比例且兼容磁控溅射和CMOS大规模集成的明显优势，为全面突破垂直自旋器件的全电写入难题提供了新的解决方案。

　　该工作以“Efficient generation of out-of-plane polarized spin current in polycrystalline heavy metal devices with broken electric symmetries”为题发表在Advanced Materials(doi:10.1002/adma.202406552)，朱礼军研究员为通讯作者，半导体所刘前标助理研究员和博士生林鑫为共同第一作者，中国科学院物理研究所于国强研究员参与了本工作并提供了部分实验样品。

　　相关工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委面上项目、北京市重点专题研究项目和中国科学院B类战略先导专项等资助。

　　图1. 垂直各向异性Ta/FeCoB器件的全电翻转。(a)传统对称构型中无法实现电流翻转；(b)“C”构型和(c)“L”构型实现垂直极化自旋流驱动的高比例高能效全电翻转。

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