【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院后摩爾中心(PMICC)寇煦豐課題組聯(lián)合沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)張錫祥團(tuán)隊(duì)，在美國舊金山舉行的第70屆國際電子器件會議(International Electron Device Meeting, IEDM)上，以題為“Field-Free Rashba-Type Crystal Torque MRAM with High Efficiency and Thermal Stability”報(bào)告了新型磁存儲器(MRAM)最新研究成果。IEDM自1955年創(chuàng)辦以來，一直是國際半導(dǎo)體技術(shù)界的權(quán)威會議和風(fēng)向標(biāo)，為全球集成電路領(lǐng)域提供了一個展示技術(shù)突破的重要平臺。此次上海科技大學(xué)再次以第一完成單位在IEDM上發(fā)表論文，體現(xiàn)了學(xué)校在微電子領(lǐng)域的科研實(shí)力和影響力的持續(xù)增強(qiáng)。
 

　　當(dāng)前，數(shù)據(jù)驅(qū)動的新計(jì)算范式對存儲需求呈現(xiàn)爆炸式增長，市場迫切需要高速、低能耗的新型存儲器件。MRAM 因其兼具非易失性、高讀寫速度(1 ns)、高擦寫次數(shù)(1015)的特點(diǎn)，被視為下一代存儲技術(shù)的重要候選，受到全球半導(dǎo)體廠商的高度關(guān)注。然而，當(dāng)前主流的電流型STT-MRAM面臨可靠性和可擴(kuò)展性方面的挑戰(zhàn)，而下一代自旋軌道矩磁存儲器(SOT-MRAM)對輔助磁場的依賴，始終是制約其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵難題之一。
 

　　在前期研究中，寇煦豐課題組充分發(fā)揮窄禁帶化合物半導(dǎo)體InSb自旋軌道耦合效應(yīng)強(qiáng)、遷移率高的優(yōu)勢、以及其與CdTe在晶格匹配方面的協(xié)同效應(yīng)，采用分子束外延(MBE)技術(shù)成功制備了高質(zhì)量的3英寸InSb/CdTe異質(zhì)結(jié)薄膜，并驗(yàn)證了界面誘導(dǎo)的強(qiáng)自旋軌道矩效應(yīng)(IEDM-2021)。在此基礎(chǔ)上，本次研究通過引入AlInSb/InSb/CdTe量子阱結(jié)構(gòu)，將體系電荷-自旋流轉(zhuǎn)換效率提升了 45.6%，顯著降低了 SOT-MRAM 所需的翻轉(zhuǎn)電流密度。研究還發(fā)現(xiàn)InSb(111)晶體的閃鋅礦結(jié)構(gòu)可以打破空間對稱性破缺，從而產(chǎn)生顯著的面外晶體力矩(Crystal-Torque, CT)，實(shí)現(xiàn)CT-MRAM器件在無外場輔助下的可靠寫入操作。相較于其他無磁場翻轉(zhuǎn)方案，本工作揭示的晶體力矩機(jī)制不僅簡化了器件結(jié)構(gòu)并提升了寫入操作的便捷性，更因其內(nèi)稟特性，可在40℃至+125℃的工作溫區(qū)內(nèi)穩(wěn)定工作，且寫入電流密度較其他幾類SOT-MRAM器件降低了1-2個量級。該研究為破解傳統(tǒng) MRAM 商業(yè)化瓶頸提供了新思路，有望加速 SOT-MRAM 的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，滿足智能化時代的數(shù)據(jù)存儲需求。
 

　　上?？萍即髮W(xué)是該成果的第一完成單位，信息學(xué)院后摩爾中心寇煦豐課題組2021級碩士研究生黃浦陽、2022級博士研究生姚珊、2020級博士研究生職正航和阿卜杜拉國王科技大學(xué)陳愛天為文章共同第一作者，寇煦豐教授和張錫祥教授為共同通訊作者。
 

圖1 | 基于AlInSb/InSb/CdTe量子阱結(jié)構(gòu)的CT-MRAM器件
 

圖2 | 無輔助磁場CT-MRAM器件實(shí)現(xiàn)40℃至+125℃溫度區(qū)間的高效工作