半導(dǎo)體所垂直自旋器件的全電寫(xiě)入和硅基集成研究取得新進(jìn)展
基于自旋軌道矩（Spin-orbit torque）效應(yīng)的第三代自旋芯片有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片速度和功耗面臨的物理極限，已成為英特爾、三星、臺(tái)積電等國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)布局的重要技術(shù)路線。采用垂直磁化比特的第三代自旋芯片有望實(shí)現(xiàn)更高的熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持時(shí)間，但面臨如何以可高密度集成方式實(shí)現(xiàn)高能效全電寫(xiě)入的關(guān)鍵技術(shù)難題。
近日，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所朱禮軍研究員團(tuán)隊(duì)研究提出通過(guò)合金化大幅提高垂直自旋產(chǎn)生效率的新方法，分別采用輕金屬Cu重?fù)诫s自旋霍爾金屬Pt形成合金Pt0.5Cu0.5，實(shí)現(xiàn)了垂直自旋扭矩5倍以上的增強(qiáng)效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了基于4吋熱氧化硅晶圓、高垂直各向異性FeCoB器件陣列在超低電流密度下（1.8×107?A/cm2）100%翻轉(zhuǎn)比例的全電寫(xiě)入，電流密度為迄今公開(kāi)報(bào)道的所有兼容CMOS集成的全電寫(xiě)入方案中的最低值。
該成果發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials?2026, 36:e74926，論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.74926)，朱禮軍研究員為通訊作者，半導(dǎo)體所直博生宋子研為第一作者，合作者陜西師范大學(xué)物理學(xué)院朱陸軍副教授幫助完成了樣品微結(jié)構(gòu)的掃描透射電鏡表征。相關(guān)工作得到了科技部、基金委和北京市的資助。
此前，該團(tuán)隊(duì)提出了利用電場(chǎng)對(duì)稱性破缺在自旋軌道矩器件中誘導(dǎo)垂直自旋的新機(jī)制，以及實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)全電寫(xiě)入的普適技術(shù)方案（Applied Physics Reviews?2022,9:041401, https://doi.org/10.1063/5.0116765；Advanced Materials?2024,35:2406552, https://doi.org/10.1002/adma.202406552)。該方案無(wú)需組分/厚度梯度或單晶結(jié)構(gòu)，且兼容400oC以上熱穩(wěn)定性，被美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）磁學(xué)協(xié)會(huì)韓國(guó)分會(huì)主席Byong-Guk Park教授評(píng)價(jià)為“兼容高密度集成和晶圓級(jí)制造的全電寫(xiě)入方案”（npj Spintronics 2025, 3:8）。
圖1.（a）垂直各向異性FeCoB器件結(jié)構(gòu)；（b）零磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)“0”和“1”狀態(tài)的100%全電翻轉(zhuǎn)；（c）晶圓級(jí)均一自旋軌道矩器件陣列及其功耗和翻轉(zhuǎn)比例。
