|作 者：王璐丁1,2　魏家琦1,2,?　林曉陽(yáng)1,2,??

(1 杭州市北京航空航天大學(xué)國(guó)際創(chuàng)新研究院（北京航空航天大學(xué)國(guó)際創(chuàng)新學(xué)院） 自旋芯片與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

(2 北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院)

本文選自《物理》2025年第12期

摘要自旋電子學(xué)器件以電子自旋為信息載體，具有非易失性、低功耗和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，成為后摩爾時(shí)代新興芯片技術(shù)的典型代表。文章系統(tǒng)概述了自旋存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)與最新進(jìn)展。首先從大容量硬盤存儲(chǔ)出發(fā)，介紹了以自旋轉(zhuǎn)移矩和自旋軌道矩為代表的高性能磁存儲(chǔ)器。之后圍繞“磁—光—電”交叉融合，面向新一代超快自旋存儲(chǔ)器研制，論述了基于全光磁寫入機(jī)制的磁存儲(chǔ)器在速度及功耗方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。展望未來(lái)，自旋存儲(chǔ)將進(jìn)一步賦能后摩爾時(shí)代芯片技術(shù)的快速演進(jìn)，為“存算一體”等全新架構(gòu)提供引領(lǐng)和支撐。

關(guān)鍵詞自旋電子學(xué)，自旋芯片，大容量磁存儲(chǔ)，磁隨機(jī)存儲(chǔ)器，磁—光—電融合技術(shù)

01

引 言

過(guò)去五十年來(lái)，半導(dǎo)體芯片在“摩爾定律”驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了持續(xù)快速發(fā)展。圍繞提升性能、降低尺寸等核心目標(biāo)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)引領(lǐng)了電子信息技術(shù)邁向大數(shù)據(jù)、人工智能時(shí)代。然而，隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)持續(xù)微縮進(jìn)入亞納米量級(jí)，靜態(tài)漏電流效應(yīng)導(dǎo)致芯片出現(xiàn)嚴(yán)重的靜態(tài)功耗瓶頸。存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展不再能單純通過(guò)微縮晶體管尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，摩爾定律正面臨失效的困境[1，2]。

作為后摩爾時(shí)代新興芯片技術(shù)的典型代表，自旋電子學(xué)(spintronics)是凝聚態(tài)物理、磁學(xué)和微電子學(xué)等領(lǐng)域的交叉方向，被廣泛認(rèn)為是發(fā)展新型非易失、低功耗信息器件的前沿引領(lǐng)技術(shù)[1—4]。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)，自旋電子學(xué)通過(guò)操控電子的本征屬性“自旋”來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、計(jì)算及傳感。它具有三方面的核心特征(圖1)：第一，通過(guò)調(diào)控自旋狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)供能情況下的非易失存儲(chǔ)；第二，基于磁電阻效應(yīng)，如巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance, GMR)、隧穿磁電阻效應(yīng)(tunneling magnetoresistance, TMR)等，可實(shí)現(xiàn)高可靠信息讀出[4]；第三，自旋狀態(tài)可由自旋極化電流[5—7]、飛秒激光[8—10]等手段調(diào)控，從而可實(shí)現(xiàn)高速率、低功耗的信息寫入。此外，自旋器件工藝與當(dāng)前硅基CMOS工藝高度兼容[1，2]，為高密度集成與片上系統(tǒng)化應(yīng)用，提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

圖1　自旋電子學(xué)以電子自旋為信息載體，具有非易失信息存儲(chǔ)、高可靠信息讀出、超快低功耗信息寫入等核心特征，是后摩爾時(shí)代新興芯片技術(shù)的典型代表[3—6，8—12]

自旋存儲(chǔ)技術(shù)(詳見(jiàn)Box)肇始之初，首先應(yīng)用于大容量硬盤系統(tǒng)，推動(dòng)硬盤容量在過(guò)去三十年間提升了10萬(wàn)倍以上[11，12]，并與半導(dǎo)體晶體管等技術(shù)共同引領(lǐng)人類社會(huì)邁向大數(shù)據(jù)智能時(shí)代。法國(guó)科學(xué)院A. Fert教授與德國(guó)于利希研究中心P.Grünberg教授由于在自旋存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，獲得2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[4，11]。進(jìn)入21世紀(jì)，自旋存儲(chǔ)進(jìn)一步與集成電路科學(xué)交叉融合，發(fā)展出磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(magnetic random access memory, MRAM)技術(shù)[12—16]。作為非易失型通用存儲(chǔ)器，MRAM具有一系列獨(dú)特性能，包括納秒級(jí)訪問(wèn)速度、近于無(wú)限的可擦除壽命以及高可微縮性等。目前，MRAM已應(yīng)用在航空航天、消費(fèi)電子領(lǐng)域，如大型客機(jī)、智能手表等，成為后摩爾時(shí)代磁存儲(chǔ)器關(guān)鍵核心技術(shù)之一，并具有顛覆主流“馮·諾依曼”存算范式的巨大技術(shù)潛力[6]。

過(guò)去30年間，圍繞磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction, MTJ)器件結(jié)構(gòu)與寫入機(jī)制的持續(xù)優(yōu)化，自旋存儲(chǔ)技術(shù)取得了多輪關(guān)鍵進(jìn)展[17，18]。在器件結(jié)構(gòu)方面，以CoFeB/MgO為代表的垂直磁各向異性材料[19，20]，因其較高隧穿磁電阻等方面的特性，成為重要的MRAM芯片功能材料。近年來(lái)，研究者通過(guò)單原子層插層等納米工程手段[21，22]，大幅提升了器件隧穿磁電阻等關(guān)鍵性能。此外，反鐵磁材料體系[23—26]因其零凈磁矩、太赫茲級(jí)響應(yīng)與抗外磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[27，28]；與此同時(shí)，基于斯格明子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及二維材料的MTJ器件[15，29—31]，也為探索自旋芯片“存算一體”新架構(gòu)，提供了新的可能路徑[32—34]。

Box

自旋存儲(chǔ)技術(shù)

自旋電子學(xué)是一門利用電子自旋來(lái)處理和存儲(chǔ)信息的新興學(xué)科。其興起可以追溯到1988年法國(guó)和德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻效應(yīng)(GMR)，這一成果很快應(yīng)用于硬盤讀寫磁頭，使硬盤容量百倍提升，并于2007年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1995年，人們又在磁性隧穿結(jié)中發(fā)現(xiàn)了隧穿磁電阻效應(yīng)(TMR)，即兩層磁性薄膜夾著一層極薄絕緣層時(shí)，電阻會(huì)隨磁化方向的平行或反平行而顯著不同。這一效應(yīng)使得存儲(chǔ)器可以通過(guò)電阻差來(lái)穩(wěn)定區(qū)分二進(jìn)制“0”和“1”，成為現(xiàn)代自旋存儲(chǔ)器的物理基礎(chǔ)。

在實(shí)現(xiàn)可靠讀出的基礎(chǔ)上，如何高效寫入成為關(guān)鍵問(wèn)題。20世紀(jì)初提出的自旋轉(zhuǎn)移矩(STT)機(jī)制為這一難題提供了突破：當(dāng)極化電流通過(guò)自由磁層時(shí)，電子自旋會(huì)把角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給磁體，從而驅(qū)動(dòng)磁化翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)信息寫入。基于STT技術(shù)構(gòu)造的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(STT-MRAM)具有非易失性、速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，但其不足在于需要較高的電流密度，導(dǎo)致功耗較大。

隨后發(fā)展起來(lái)的自旋軌道矩(SOT)機(jī)制則進(jìn)一步提升了性能。在重金屬與磁性層的界面，電流通過(guò)自旋霍爾效應(yīng)等途徑可以產(chǎn)生橫向自旋流，由自旋流再對(duì)磁體施加轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)。與STT相比，SOT寫入速度更快、能耗更低，同時(shí)讀寫通道相互獨(dú)立，可靠性更高，被普遍認(rèn)為是下一代高性能磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的核心方案。

總體來(lái)看，TMR提供了穩(wěn)定可靠的讀出機(jī)制，STT和SOT分別代表了兩代寫入技術(shù)路線。三者共同構(gòu)成了自旋存儲(chǔ)技術(shù)的核心框架，使其在后摩爾時(shí)代成為新型存儲(chǔ)與計(jì)算體系的重要候選。

在自旋磁存儲(chǔ)器寫入機(jī)理方面，早期的MRAM通過(guò)外磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息寫入。通過(guò)在芯片上布置“寫”線，利用線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)MTJ自由層的磁化方向，從而實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制“0/1”的寫入。然而，該方法需要較高電流驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致能耗較大。第二代MRAM技術(shù)則利用基于自旋極化電流的全電學(xué)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)磁比特的翻轉(zhuǎn)。特別是以自旋轉(zhuǎn)移矩(spin transfer torque, STT)和自旋軌道矩(spin-orbit torque, SOT)機(jī)制為代表的MRAM，在讀寫速度、功耗及器件尺寸等方面表現(xiàn)出良好的綜合性能，并有望在嵌入式存儲(chǔ)和邊緣智能系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。然而，自旋存儲(chǔ)器的寫入機(jī)制長(zhǎng)期受限于自旋的進(jìn)動(dòng)過(guò)程，寫入速度局限在納秒量級(jí)并伴有相對(duì)較大的能耗。因此，如何從根本上突破自旋存儲(chǔ)技術(shù)的速度瓶頸，實(shí)現(xiàn)自旋信息的超快寫入(圖2)，成為當(dāng)前本領(lǐng)域?qū)W者重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

圖2 基于超快光學(xué)與自旋電子學(xué)的交叉研究，全光磁寫入機(jī)制為“磁—光—電”協(xié)同存儲(chǔ)奠定了物理基礎(chǔ)。圖中，透明方框表示磁性存儲(chǔ)單元，數(shù)字“0/1”為其邏輯狀態(tài)；藍(lán)色箭頭指示單元內(nèi)的磁化(自旋)方向。紅色錐形光束為飛秒激光脈沖，選擇性作用于目標(biāo)單元并觸發(fā)磁化翻轉(zhuǎn)，使其由“1”寫為“0”，可實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)速度的自旋信息寫入，并具備100 fJ/bit的超低能耗[37—39]

最近，伴隨著超快光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光成為人類目前已商用的最快激勵(lì)源。1996年，法國(guó)科學(xué)家首次觀察到飛秒激光誘導(dǎo)鐵磁材料發(fā)生的超快退磁過(guò)程[35]，時(shí)間尺度遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的自旋軌道或電子—聲子相互作用，為自旋電子學(xué)和超快光學(xué)搭建了一座橋梁[8—10]。更振奮人心的是，2007年，荷蘭奈梅亨大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)[36]，特定亞鐵磁材料中磁矩可在單個(gè)飛秒脈沖作用下實(shí)現(xiàn)決定性翻轉(zhuǎn)(圖3)，響應(yīng)速度可達(dá)皮秒級(jí)。這一效應(yīng)被稱為全光磁化翻轉(zhuǎn)(all-optical switching，AOS)。AOS一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即引發(fā)了自旋電子學(xué)與超快光學(xué)領(lǐng)域的高度關(guān)注?；凇按拧狻姟苯徊嫒诤系淖孕怆娮訁f(xié)同存儲(chǔ)概念——AOS-MRAM應(yīng)運(yùn)而生[32]，其概念示意圖見(jiàn)圖2。AOS機(jī)制理論上可實(shí)現(xiàn)10 ps級(jí)超快寫入速度，并具有100 fJ/bit超低寫入能耗[37—39]。本文將在第四部分對(duì)AOS-MRAM相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

圖3　飛秒激光誘導(dǎo)的全光磁化翻轉(zhuǎn)(AOS)效應(yīng) (a)在克爾顯微圖像中，分別以右/左圓偏振(

從科學(xué)研究及工程應(yīng)用的視角出發(fā)，當(dāng)前自旋存儲(chǔ)技術(shù)已形成兩個(gè)發(fā)展方向：一是面向硬盤等大容量磁存儲(chǔ)系統(tǒng)，聚焦磁介質(zhì)及讀/寫頭的構(gòu)筑開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)密度與穩(wěn)定性的持續(xù)提升；二是圍繞新一代MRAM高性能磁存儲(chǔ)芯片，重點(diǎn)關(guān)注自旋納米體系、調(diào)控機(jī)制及集成工藝，持續(xù)賦能后摩爾時(shí)代高速、低能耗芯片架構(gòu)。

02

大容量磁存儲(chǔ)的技術(shù)革新

大容量磁存儲(chǔ)是現(xiàn)代信息社會(huì)的重要支柱。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的廣泛應(yīng)用，海量數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與快速訪問(wèn)已成為智能信息的核心需求。憑借較高的存儲(chǔ)密度和較低的靜態(tài)能耗，大容量磁存儲(chǔ)成為海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的重要支撐，并逐漸發(fā)展為未來(lái)智能算力基礎(chǔ)設(shè)施體系的主力模塊[34]。

從技術(shù)演進(jìn)路徑來(lái)看，大容量磁存儲(chǔ)的發(fā)展大致可分為兩個(gè)階段。早期以提升存儲(chǔ)密度與讀取可靠性為主要目標(biāo)，重點(diǎn)集中在磁電阻讀頭與存儲(chǔ)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。其中，MTJ讀頭的引入被認(rèn)為是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一[40]。相較于基于電子散射效應(yīng)的GMR機(jī)制，基于量子隧穿效應(yīng)的MTJ讀頭可實(shí)現(xiàn)超過(guò)200%的磁電阻[21，41]，在提高數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定性的同時(shí)，進(jìn)一步推動(dòng)了高密度存儲(chǔ)的發(fā)展。

在存儲(chǔ)介質(zhì)方面，傳統(tǒng)的連續(xù)磁介質(zhì)已難以滿足更高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。為此，點(diǎn)陣化磁記錄(bit-patterned magnetic recording，BPMR)技術(shù)[42]通過(guò)將介質(zhì)劃分成高密度的納米“磁島”并各自對(duì)應(yīng)獨(dú)立的存儲(chǔ)單元，有效提升了記錄密度，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)10 Tb/in2級(jí)超高容量硬盤的潛在路徑之一。

近二十年來(lái)，為突破傳統(tǒng)磁寫入在尺寸微縮與能耗控制方面的瓶頸，研究重心逐步轉(zhuǎn)向?qū)懭霗C(jī)制方面的創(chuàng)新。在傳統(tǒng)方案中，為了彌補(bǔ)比特尺寸減小所導(dǎo)致的介質(zhì)熱穩(wěn)定性下降問(wèn)題，往往需要提高存儲(chǔ)介質(zhì)的磁各向異性，從而抬高能量勢(shì)壘，導(dǎo)致寫入能耗上升、錯(cuò)誤率增加。為解決上述問(wèn)題，能量輔助磁記錄技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[42—46]，主要包括基于激光加熱的熱輔助磁記錄(heat-assisted magnetic recording，HAMR)及微波輔助磁記錄(microwave-assisted magnetic recording，MAMR)兩條技術(shù)路徑，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　激光熱輔助磁記錄(HAMR)與微波輔助磁記錄(MAMR)的結(jié)構(gòu)示意圖[51]

具體來(lái)說(shuō)，HAMR技術(shù)通過(guò)激光在寫入瞬間對(duì)磁介質(zhì)進(jìn)行局部加熱，暫時(shí)降低其矯頑力，同時(shí)借助外加磁場(chǎng)完成數(shù)據(jù)寫入[47，48]。該過(guò)程涉及多物理場(chǎng)協(xié)同，包括近場(chǎng)光學(xué)設(shè)計(jì)[49，50]、熱擴(kuò)散速率控制、磁場(chǎng)與激光脈沖同步性控制等，系統(tǒng)集成難度較高。目前，Seagate公司已基于該技術(shù)推出容量達(dá)30 TB級(jí)的商用硬盤[51]，代表了現(xiàn)階段磁記錄技術(shù)可量產(chǎn)的高端路徑。MAMR技術(shù)則依賴寫入頭中集成的自旋振蕩器(通常以MTJ為核心)產(chǎn)生微波磁場(chǎng)，激發(fā)介質(zhì)處于磁共振狀態(tài)[39，40]，誘導(dǎo)磁矩進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，從而有效降低翻轉(zhuǎn)能壘。該方法無(wú)需顯著加熱過(guò)程，具備能耗低、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，然而，MTJ結(jié)構(gòu)所能產(chǎn)生的微波磁場(chǎng)強(qiáng)度有限，仍是影響MAMR寫入性能的關(guān)鍵瓶頸。當(dāng)前，東芝已將MAMR技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)級(jí)硬盤產(chǎn)品，主要面向低功耗、高密度數(shù)據(jù)冷存儲(chǔ)等場(chǎng)景。

從速度與功耗維度看，HAMR技術(shù)雖在存儲(chǔ)密度上取得了顯著突破，但熱輔助寫入需要激光加熱與冷卻過(guò)程，帶來(lái)了額外的熱管理與效率問(wèn)題，整體訪問(wèn)延遲仍維持在毫秒級(jí)別，單比特寫入能耗通常處于納焦耳以上，因此在高速場(chǎng)景中表現(xiàn)受限。相比之下，MAMR通過(guò)在寫入頭中引入微波場(chǎng)以降低介質(zhì)能壘，在能耗方面優(yōu)于HAMR，但其實(shí)際寫入速度與系統(tǒng)延遲仍受到自旋振蕩器輸出功率、定位精度及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的制約。

在前沿研究方面，基于“磁—光—電”耦合機(jī)制的AOS磁存儲(chǔ)，被視為繼HAMR技術(shù)之后的又一潛在突破路徑[8—10]。不同于依賴磁場(chǎng)或外部能量輔助的傳統(tǒng)寫入方式，AOS利用超快激光脈沖直接誘導(dǎo)磁性材料中的晶格間相互作用，無(wú)需外加磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)，具備10 ps響應(yīng)速度與極低能耗的物理優(yōu)勢(shì)。已有研究表明[52—55]，稀土—過(guò)渡金屬合金體系可實(shí)現(xiàn)AOS驅(qū)動(dòng)下的穩(wěn)定磁性翻轉(zhuǎn)，特別是對(duì)矯頑力高達(dá)數(shù)特斯拉的Tb基材料，可實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)次以上的低功耗寫入[56—59]。

盡管如此，基于“磁—光—電”融合的大容量磁存儲(chǔ)仍面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)，包括高矯頑力存儲(chǔ)介質(zhì)的熱穩(wěn)定性調(diào)控、飛秒激光模塊的微納集成難度，以及磁光耦合結(jié)構(gòu)的精密設(shè)計(jì)要求等。隨著相關(guān)技術(shù)瓶頸的逐步突破，AOS有望發(fā)展為同時(shí)滿足高速度、高密度與低能耗的全光磁存儲(chǔ)技術(shù)，為未來(lái)冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與智能算力基礎(chǔ)設(shè)施提供有力支撐。

從總體趨勢(shì)來(lái)看，大容量磁存儲(chǔ)技術(shù)正由依靠單一物理機(jī)制的迭代優(yōu)化，轉(zhuǎn)向多物理場(chǎng)的融合作用及器件結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)。其中，寫入機(jī)制的持續(xù)革新、存儲(chǔ)介質(zhì)的微結(jié)構(gòu)化處理，以及“磁—光—電”跨領(lǐng)域集成，正在共同推動(dòng)其朝著更高速度、更高密度與更低能耗的方向發(fā)展，并逐步構(gòu)建起一套面向復(fù)雜應(yīng)用需求的系統(tǒng)化演進(jìn)路徑[2，8，18]。

03

自旋芯片：高性能磁性存儲(chǔ)芯片技術(shù)

作為后摩爾時(shí)代芯片技術(shù)的重要發(fā)展方向，自旋芯片以電子自旋為信息載體，在構(gòu)建非馮·諾依曼“存算一體”架構(gòu)方面展現(xiàn)出巨大潛力。其中，磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)作為自旋電子學(xué)與集成電路深度融合的代表路徑，已成為當(dāng)前高性能存儲(chǔ)技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1—6]。相較于以電荷為信息載體的傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片，自旋芯片利用電子的自旋自由度，突破了由電荷輸運(yùn)帶來(lái)的能耗和性能瓶頸，有效支撐了低功耗、非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

MRAM芯片技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段[3](圖5)。其中，第一代自旋MRAM以磁場(chǎng)寫入機(jī)制為核心，通過(guò)外加磁場(chǎng)調(diào)控自由層磁矩的方向?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。該技術(shù)的器件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工藝路徑成熟，典型寫入速度約為35 ns，能耗在100 pJ/bit左右。然而，磁場(chǎng)寫入機(jī)制難以隨器件尺寸同步微縮，限制了存儲(chǔ)密度的進(jìn)一步提升。此外，寫入過(guò)程功耗較高，響應(yīng)延遲顯著，難以滿足當(dāng)前智能計(jì)算系統(tǒng)對(duì)芯片性能的核心要求。

圖5 MRAM技術(shù)演變歷程[3]：從磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)向自旋軌道矩(SOT)與磁電自旋軌道(MESO)架構(gòu)演進(jìn)，在寫入速度及功耗性能方面取得跨越式提升

第二代自旋MRAM采用自旋轉(zhuǎn)移矩(spin transfer torque, STT)機(jī)制，顯著提升了寫入效率與器件集成度。STT-MRAM通過(guò)在磁性多層結(jié)構(gòu)中注入極化電流，利用電子自旋角動(dòng)量直接作用于自由層磁矩，從而在無(wú)外加磁場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)全電學(xué)寫入[11—14]，如圖6所示。STT-MRAM相比前代技術(shù)顯著提升了寫入效率與器件集成度，典型寫入能耗已降至5—10 pJ/bit，寫入速度小于5 ns，且具備良好的CMOS工藝兼容性。當(dāng)前，基于STT機(jī)制的MRAM芯片已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，在航空航天、國(guó)防電子與消費(fèi)電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，由于高速寫入時(shí)所需的電流密度較高(通常超過(guò)106 A/cm2)，仍存在功耗與可靠性方面的技術(shù)瓶頸，制約了它在高性能通用計(jì)算平臺(tái)中的進(jìn)一步拓展。

圖6　自旋轉(zhuǎn)移矩(STT)寫入機(jī)理示意圖：基于自旋極化電流實(shí)現(xiàn)MRAM的全電學(xué)寫入

為進(jìn)一步提升自旋存儲(chǔ)器的性能，學(xué)術(shù)界提出了基于自旋軌道矩(spin-orbit torque, SOT)機(jī)制的第三代MRAM芯片架構(gòu)。與STT通過(guò)垂直電流注入實(shí)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)移矩不同，SOT-MRAM通過(guò)在重金屬/鐵磁異質(zhì)結(jié)中激發(fā)自旋霍爾效應(yīng)或界面上的Rashba效應(yīng)，生成橫向自旋流以驅(qū)動(dòng)自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。SOT結(jié)構(gòu)將寫入路徑與讀出路徑物理隔離，有效避免了傳統(tǒng)STT-MRAM中“讀寫干擾”問(wèn)題，在架構(gòu)可控性與可靠性方面具備明顯優(yōu)勢(shì)[3，16—18]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，SOT-MRAM的寫入速度可達(dá)10—50 ps，寫入能耗下降至亞pJ/bit水平，速度及功耗等性能指標(biāo)較STT架構(gòu)提升一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并展現(xiàn)出良好的工程應(yīng)用前景(圖7)，已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)布局的熱點(diǎn)方向。

圖7 MRAM的應(yīng)用前景示意圖，有望在嵌入式存儲(chǔ)、邊緣智能系統(tǒng)、內(nèi)存替代及存內(nèi)計(jì)算等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用

目前，我國(guó)在第三代自旋芯片SOT-MRAM的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面取得了階段性進(jìn)展。北京航空航天大學(xué)建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)8英寸自旋芯片公共研發(fā)平臺(tái)，其國(guó)產(chǎn)自研設(shè)備比例已超過(guò)50%。在此基礎(chǔ)上，北航聯(lián)合致真存儲(chǔ)公司成功研制出全球容量最大的128 Kb SOT-MRAM芯片，具備低功耗、高可靠性等性能優(yōu)勢(shì)，初步驗(yàn)證了SOT技術(shù)路線在工程實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用拓展方面的可行性[60]。與臺(tái)積電、英特爾等國(guó)際領(lǐng)先研究單位相比，國(guó)產(chǎn)SOT-MRAM芯片[60—62]在核心性能指標(biāo)上已具備一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為推動(dòng)我國(guó)自旋芯片產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在器件結(jié)構(gòu)演進(jìn)方面，基于反鐵磁材料的磁存儲(chǔ)器(antiferromagnetic RAM, ARAM)為自旋芯片的進(jìn)一步微縮與性能提升提供了新的物理支撐路徑[23—26]。反鐵磁材料由于具有宏觀零磁矩特性，天然具備抗外部磁場(chǎng)干擾的能力，且可有效抑制鄰近單元間的磁耦合，適用于高密度磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。此外，其自旋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)頻率可達(dá)太赫茲(THz)量級(jí)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鐵磁材料，為提升寫入速度提供了物理基礎(chǔ)。近期，北京航空航天大學(xué)聯(lián)合致真存儲(chǔ)與青島海存微電子公司，依托既有工藝平臺(tái)成功研制出全球首款反鐵磁存儲(chǔ)器ARAM，存儲(chǔ)容量達(dá)128 Kb，具備抗3 T磁場(chǎng)干擾能力，并在器件尺寸、功耗等關(guān)鍵指標(biāo)上取得一定進(jìn)展[62]。

面向未來(lái)，在SOT機(jī)制及反鐵磁材料取得顯著突破的基礎(chǔ)上，學(xué)術(shù)界進(jìn)一步提出了新型磁電自旋軌道(magneto-electric spin-orbit, MESO)器件，致力于構(gòu)建自旋邏輯與非易失計(jì)算架構(gòu)的第四代自旋芯片[62—64]。通過(guò)將鐵電材料中的電極化行為與自旋軌道耦合機(jī)制聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基于鐵電層電場(chǎng)調(diào)控的自旋電流激發(fā)，進(jìn)而完成磁化翻轉(zhuǎn)，有望實(shí)現(xiàn)aJ/bit的極低功耗非易失寫入。

此外，MESO架構(gòu)天然支持邏輯與存儲(chǔ)功能的融合，具有構(gòu)建超低功耗“存算一體”架構(gòu)的物理基礎(chǔ)。在材料實(shí)現(xiàn)方面，研究者已初步完成BiFeO3鐵電激勵(lì)層、Pt/CoFeB重金屬層、以及β-W等強(qiáng)自旋霍爾效應(yīng)材料的異質(zhì)集成，并展現(xiàn)出良好CMOS工藝兼容性[64，65]。當(dāng)前，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局主導(dǎo)的科技研發(fā)項(xiàng)目已將MESO列為戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究，美國(guó)英特爾公司也在大力推進(jìn)其在低功耗邏輯、邊緣人工智能等場(chǎng)景中的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。

MESO芯片通過(guò)“電控—自旋—軌道”多物理機(jī)制耦合協(xié)同，突破了傳統(tǒng)自旋器件在功耗、速度、穩(wěn)定性方面的結(jié)構(gòu)性瓶頸，成為自旋芯片發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向之一。未來(lái)，隨著材料與器件研究的進(jìn)一步深化，MESO有望成為構(gòu)建非馮·諾依曼“存算一體”架構(gòu)的關(guān)鍵路徑。

04

“磁—光—電”三元融合：邁向下一代信息器件

從信息處理的角度來(lái)看，磁、光、電三類物理機(jī)制在融合體系中各具功能、協(xié)同共生。首先，飛秒激光作為自旋信息的寫入手段，以其超快的自旋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)速度(優(yōu)于1 ps)和非局域自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁化狀態(tài)的超快調(diào)控；其次，隧穿磁電阻作為自旋信息的讀出手段，展現(xiàn)出優(yōu)異的器件集成度和CMOS工藝兼容性；第三，磁性材料作為自旋信息的非易失儲(chǔ)存載體，可保證數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保持而無(wú)需能量損耗。通過(guò)三類信息載體的協(xié)同耦合，磁光電融合技術(shù)可以在速度、能耗與系統(tǒng)集成等關(guān)鍵性能上實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，為發(fā)展多物理機(jī)制耦合的新型自旋芯片奠定了基礎(chǔ)。

AOS效應(yīng)首次由Stanciu等人于2007年在亞鐵磁GdFeCo合金中觀測(cè)到[36]，并揭示了超快激光與磁性材料間的直接耦合機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)成為自旋光子相互作用領(lǐng)域的里程碑，引發(fā)了對(duì)光驅(qū)動(dòng)自旋調(diào)控的廣泛關(guān)注。為深入揭示AOS過(guò)程的微觀機(jī)制，研究者開(kāi)展了時(shí)間分辨與元素分辨兼具的X射線磁圓二色譜(XMCD)實(shí)驗(yàn)[66，67]，對(duì)飛秒激光激發(fā)下的磁性材料演化過(guò)程進(jìn)行了精準(zhǔn)刻畫。圖8展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AOS過(guò)程通常表現(xiàn)出“快速退磁—自旋交換—磁矩重建”三階段的動(dòng)態(tài)行為，并具有典型的超快多體響應(yīng)特征。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，學(xué)術(shù)界相繼提出多種理論模型[68—70]，以解釋材料內(nèi)部自旋、晶格與電子溫度之間的耦合機(jī)制。其中，微觀三溫度模型作為代表性框架，將系統(tǒng)劃分為自旋子系統(tǒng)、晶格子系統(tǒng)與電子子系統(tǒng)，揭示了在飛秒尺度下，能量如何在三者之間快速交換，并驅(qū)動(dòng)自旋有序狀態(tài)的演化。這一理論視角不僅拓寬了對(duì)AOS動(dòng)力學(xué)過(guò)程的認(rèn)知，也為后續(xù)開(kāi)發(fā)高效率的磁光調(diào)控技術(shù)提供了理論支撐。

圖8　飛秒激光激發(fā)下AOS的超快自旋動(dòng)力學(xué)。通過(guò)時(shí)間分辨XMCD測(cè)量，揭示了亞鐵磁材料中AOS“快速退磁(0—0.5 ps)—自旋交換(0.5—2 ps)—磁矩重建(2 ps— )”的動(dòng)力學(xué)特征[67]

隨著AOS效應(yīng)在材料層面的深入探索，2019年起，學(xué)術(shù)界開(kāi)始關(guān)注將AOS進(jìn)一步運(yùn)用在器件層面，探索與自旋存儲(chǔ)交叉融合的技術(shù)潛力[70—73]。相較傳統(tǒng)熱平衡驅(qū)動(dòng)的自旋寫入機(jī)制，AOS依托飛秒激光誘導(dǎo)的非平衡態(tài)自旋動(dòng)力學(xué)過(guò)程，僅需數(shù)十皮秒即可完成自旋信息的穩(wěn)定寫入，為超快非易失存儲(chǔ)技術(shù)提供了全新物理基礎(chǔ)，成為新一代MRAM研究的重要技術(shù)路徑。當(dāng)前，基于“磁—光—電”融合的AOS-MRAM技術(shù)受到法國(guó)自旋電子中心(SPINTEC)、比利時(shí)微電子研究中心(IMEC)、荷蘭拉德堡德大學(xué)、美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)等國(guó)際一流研究機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)布局與實(shí)質(zhì)推進(jìn)。

為推動(dòng)AOS機(jī)制由材料層面邁向集成器件層面，北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)于2022年提出并實(shí)現(xiàn)了首款皮秒級(jí)AOS-MTJ原型器件[10]，致力于探索“磁—光—電”融合路徑下的新型非易失存儲(chǔ)技術(shù)。該器件采用亞鐵磁/鐵磁復(fù)合自由層結(jié)構(gòu)Gd/Co/Ta/CoFeB/MgO，在保證與自旋芯片工藝完全兼容的基礎(chǔ)上，完成了多層界面的功能協(xié)同優(yōu)化：通過(guò)亞納米Ta層實(shí)現(xiàn)Co與CoFeB間的RKKY耦合；引入Gd/Co界面驅(qū)動(dòng)自發(fā)AOS，并借助CoFeB/MgO接口實(shí)現(xiàn)高隧穿自旋極化率，共同構(gòu)筑出高度協(xié)同的磁—光—電耦合體系。如圖9所示，飛秒激光經(jīng)物鏡聚焦后寫入AOS-MTJ器件，并在小偏置電流下通過(guò)外接電路實(shí)時(shí)采集器件電阻。典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在單脈沖激光入射時(shí)刻，器件電阻在高/低電阻態(tài)之間重復(fù)翻轉(zhuǎn)，分別對(duì)應(yīng)反平行(AP)與平行(P)磁化狀態(tài)，隧道磁電阻比高于34%。時(shí)間分辨磁光克爾實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了器件在激光寫入中的皮秒級(jí)自旋響應(yīng)，突破了傳統(tǒng)納秒級(jí)進(jìn)動(dòng)瓶頸；更重要的是，其結(jié)構(gòu)與STT-MRAM工藝平臺(tái)高度兼容，為“光寫入—電讀出”機(jī)制提供了從“概念驗(yàn)證”到“工藝中試”的閉環(huán)支撐。

圖9　為推動(dòng)AOS機(jī)制由材料層面邁向器件層面，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了皮秒級(jí)AOS-MTJ原型器件 (a)光泵—電測(cè)示意圖：飛秒激光脈沖(紅色箭頭)經(jīng)物鏡聚焦至MTJ自由層上方的開(kāi)口區(qū)域(虛線圓)，在小偏置下通過(guò)外接電路實(shí)時(shí)采集單次飛秒脈沖激發(fā)下的器件電阻；(b)飛秒激光直接調(diào)控TMR典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果：上方紅色箭頭標(biāo)示每一次約100 fs激光脈沖入射時(shí)刻，曲線在高/低電阻值之間重復(fù)翻轉(zhuǎn)，分別對(duì)應(yīng)反平行(AP)與平行(P)磁化狀態(tài)?？梢钥吹剑瑔蚊}沖光激可直接在MTJ中觸發(fā)磁化翻轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)“光寫—電讀”，為構(gòu)筑“磁—光—電”融合的高速非易失存儲(chǔ)器件奠定了一定基礎(chǔ)[10]

值得注意的是，反鐵磁材料在AOS機(jī)制下展現(xiàn)出卓越的環(huán)境穩(wěn)定性與超高頻率響應(yīng)。其零凈磁矩特性使其對(duì)外磁場(chǎng)天然不敏感，同時(shí)抑制了鄰位擾動(dòng)與熱噪聲；并且，反鐵磁材料自旋動(dòng)力學(xué)理論頻率可達(dá)THz級(jí)，比傳統(tǒng)鐵磁材料高了至少1個(gè)數(shù)量級(jí)，是實(shí)現(xiàn)“極限寫入速度”的關(guān)鍵候選材料之一。2018年，荷蘭科研團(tuán)隊(duì)在反鐵磁體系中論證了飛秒激光驅(qū)動(dòng)下的超快自旋響應(yīng)[74]；2023年，北京航空航天大學(xué)則在IrMn薄膜中實(shí)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)的交換偏置調(diào)控，進(jìn)一步拓展了反鐵磁材料在磁存儲(chǔ)體系中的集成路徑[75]。

盡管當(dāng)前實(shí)驗(yàn)初步論證了AOS超快存儲(chǔ)的可行性，然而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的關(guān)鍵在于能否實(shí)現(xiàn)飛秒激光光源的片上集成。目前廣泛使用的鈦寶石飛秒激光器能夠穩(wěn)定輸出所需脈沖，但其體積龐大、重復(fù)頻率較低、功耗及成本較高，難以與存儲(chǔ)芯片兼容。近年來(lái)，隨著集成光子學(xué)的發(fā)展，片上飛秒光源逐漸展現(xiàn)出巨大潛力。然而，片上光源仍受限于輸出能量不足、脈沖控制與熱管理等問(wèn)題，并難與磁性隧穿結(jié)實(shí)現(xiàn)高效耦合。因此，如何在集成光子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)低功耗、小型化且與自旋芯片工藝兼容的飛秒激光光源，已成為AOS-MRAM從概念驗(yàn)證邁向系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的首要挑戰(zhàn)。

圖10　片上AOS磁存儲(chǔ)概念示意圖 (a)集成光子學(xué)驅(qū)動(dòng)的波導(dǎo)—存儲(chǔ)協(xié)同架構(gòu)：入射高斯脈沖沿片上波導(dǎo)，并結(jié)合波分復(fù)用選擇性耦合至磁比特陣列

C

C

圍繞上述問(wèn)題，自2023年起，學(xué)術(shù)界進(jìn)一步開(kāi)展了“片上AOS磁存儲(chǔ)”研究，標(biāo)志著AOS機(jī)制由材料器件層面，跨越至系統(tǒng)化、集成化的新階段(圖10)[76—78]。法國(guó)洛林大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于等離激元諧振結(jié)構(gòu)[79]設(shè)計(jì)得到納米級(jí)金屬天線陣列，實(shí)現(xiàn)了激光能量的亞波長(zhǎng)局域聚焦與增強(qiáng)共振激發(fā)，在突破衍射極限的條件下有效誘導(dǎo)磁性薄膜實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定磁化翻轉(zhuǎn)[80]；與此同時(shí)，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用基于LnP波導(dǎo)平臺(tái)結(jié)合仿真建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[81，82]，展示了“光傳輸—磁寫入”機(jī)制在波導(dǎo)級(jí)別的可實(shí)現(xiàn)性與技術(shù)路徑[83]。上述研究進(jìn)展表明，AOS是集成自旋技術(shù)的理想體系，在超快自旋存儲(chǔ)芯片方面展現(xiàn)出一定潛力。

05

總結(jié)與展望

自旋電子學(xué)作為后摩爾時(shí)代極具潛力的新興芯片技術(shù)，正從材料物理、器件結(jié)構(gòu)，邁向系統(tǒng)級(jí)集成與“磁—光—電”融合架構(gòu)。在大容量磁存儲(chǔ)方向，HAMR等能量輔助寫入機(jī)制通過(guò)局域熱激勵(lì)突破高密度磁介質(zhì)的寫入難題，為實(shí)現(xiàn)冷數(shù)據(jù)高密度存儲(chǔ)提供了可行路徑。與此同時(shí)，MRAM正持續(xù)與CMOS集成電路深度融合。以STT/SOT為代表的寫入機(jī)制為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低功耗、高可靠的非易失存儲(chǔ)芯片奠定了基礎(chǔ)。

基于飛秒激光的AOS機(jī)制正在開(kāi)啟“磁—光—電”三元融合的信息器件新范式。AOS-MRAM具備皮秒級(jí)響應(yīng)速度和極低能耗等物理優(yōu)勢(shì)，并且與自旋MRAM芯片、集成光子學(xué)等多類技術(shù)體系兼容。盡管當(dāng)前仍面臨材料調(diào)控、工藝窗口與系統(tǒng)穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)，已有實(shí)驗(yàn)路徑正在從材料驗(yàn)證向器件原型、片上系統(tǒng)逐步推進(jìn)，展現(xiàn)出強(qiáng)烈的技術(shù)成長(zhǎng)性與前瞻價(jià)值。

作為展望，“磁—光—電”三元融合存儲(chǔ)在基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用上蘊(yùn)含豐富潛力。AOS-MRAM巧妙地實(shí)現(xiàn)了“磁—光—電”信息的互相轉(zhuǎn)化，在速度和能耗方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)，可助力包括光學(xué)神經(jīng)計(jì)算在內(nèi)的新興領(lǐng)域取得更多突破。此外，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，“磁—光—電”交叉融合將進(jìn)一步架起自旋電子學(xué)、超快光學(xué)與集成電路之間的橋梁，在光與自旋的相互作用研究方面取得更多的科學(xué)突破。隨著“磁—光—電”耦合機(jī)制研究的深入與片上集成工藝的不斷推進(jìn)，未來(lái)自旋信息器件有望在速度、能耗與體系架構(gòu)等方面實(shí)現(xiàn)綜合突破，為后摩爾時(shí)代芯片技術(shù)的發(fā)展提供重要支撐。

致 謝感謝北京航空航天大學(xué)趙巍勝教授對(duì)本工作的指導(dǎo)。感謝杭州市北京航空航天大學(xué)國(guó)際創(chuàng)新研究院楊維博士后、李燊博士后對(duì)圖片及參考文獻(xiàn)的整理。

應(yīng)用物理專題

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《物理》50年精選文章