半導(dǎo)體所垂直自旋器件的全電寫入和硅基集成研究取得新進展
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、臺積電等國際半導(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現(xiàn)更高的熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持時間，但面臨如何以可高密度集成方式實現(xiàn)高能效全電寫入的關(guān)鍵技術(shù)難題。
近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所朱禮軍研究員團隊研究提出通過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重摻雜自旋霍爾金屬Pt形成合金Pt0.5Cu0.5，實現(xiàn)了垂直自旋扭矩5倍以上的增強效應(yīng)，并實現(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)比例的全電寫入，電流密度為迄今公開報道的所有兼容CMOS集成的全電寫入方案中的最低值。
該成果發(fā)表于《先進功能材料》（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，該團隊提出了利用電場對稱性破缺在自旋軌道矩器件中誘導(dǎo)垂直自旋的新機制，以及實現(xiàn)晶圓級全電寫入的普適技術(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，被美國電氣和電子工程師學(xué)會（IEEE）磁學(xué)協(xié)會韓國分會主席Byong-Guk Park教授評價為“兼容高密度集成和晶圓級制造的全電寫入方案”（npj Spintronics 2025, 3:8）。
圖1.（a）垂直各向異性FeCoB器件結(jié)構(gòu)；（b）零磁場下實現(xiàn)“0”和“1”狀態(tài)的100%全電翻轉(zhuǎn)；（c）晶圓級均一自旋軌道矩器件陣列及其功耗和翻轉(zhuǎn)比例。
