半導體所在橫向自旋軌道矩誘導磁化定向翻轉的研究中取得新進展(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2020-09-25

自旋軌道矩（spin-orbit torque, 以下簡稱SOT）是近年來發展起來的新一代電流驅動磁化翻轉技術，具有信息寫入速度快、功耗低、耐久度高、穩定性好等獨特優勢，是未來非易失性存儲器的理想選擇方案之一。通常，非磁/鐵磁雙層膜結構中由SOT所產生的有效磁場指向面內方向，因此對于垂直磁化的鐵磁層而言，需要引入外加磁場等額外的對稱性破缺才能實現定向的磁化翻轉。如何通過原理創新，突破零磁場下SOT誘導磁化定向翻轉的難題，在當今自旋電子學領域具有重要的理論和應用價值。 

 

中科院半導體所半導體超晶格國家重點實驗室研究員王開友等人，近年來通過引入自旋流密度梯度[Nature Materials, 2017, 16(7): 712]和內置面內耦合磁場[Advanced Electronic Materials, 2018, 4(9): 1808104]等方法，成功實現了零磁場、可重構的SOT誘導磁化定向翻轉；在此基礎上，他們還演示了全電控自旋邏輯[IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(9): 1554]和自旋人工突觸可塑性功能[Advanced Functional Materials, 2019, 29(25): 1808104]。

 

最近，該研究團隊又提出并在實驗上驗證了橫向自旋軌道矩（Lateral SOT，以下簡稱LSOT）誘導的垂直磁化定向翻轉。如圖1所示，他們利用局域激光退火獲得了不對稱的非磁/鐵磁水平異質結構，發現在零外加磁場下，即使沒有垂直方向自旋流的注入，僅僅利用LSOT就可以實現零磁性下垂直磁化的完全定向翻轉，其翻轉取向僅取決于局域激光退火的位置。該結果突破了SOT對傳統非磁/鐵磁雙層膜體系中垂直自旋流注入的依賴。該成果以題為 “Deterministic magnetization switching using lateral spin-orbit torque”的論文發表在《先進材料》上[Advanced Materials, 2020, 32(16): 1907929]。半導體所王開友研究員為論文通訊作者，已出站博士后曹易和博士生盛宇為論文共同第一作者，合作者包括半導體所姬揚研究員和鄭厚植院士、以及英國諾丁漢大學Kevin William Edmonds副教授。 

 

圖1 局域激光退火后Pt/Co/Pt結構中由LSOT誘導的Co層磁化定向翻轉。當上下Pt厚度分別為3nm和2.6nm時，來自它們的傳統SOT效應幾乎相互抵消，而垂直磁化的Co層依然可以在LSOT誘導下實現完全的定向翻轉。  

 

在此基礎上，他們進一步在實驗上演示了一種可編程的互補型LSOT邏輯器件。如圖2所示，基于一對激光局域退火位置分別在-y和+y方向的LSOT器件，利用電流初始化對邏輯功能進行編程，分別實現了AND，OR，NAND和NOR等邏輯門，并演示了利用3個LSOT器件組合而成的原型半加器。此外，將磁化狀態作為一種邏輯輸入，即可利用工作電流對邏輯功能進行編程，實現無需初始化的存算一體邏輯操作，演示了包括IMP（蘊涵門）在內的多種狀態邏輯門（stateful logic gate）。這種互補型LSOT邏輯單元，在器件層面為非馮·諾伊曼式的存內計算方案提供了一種可行的思路。該成果以題目為“Complementary lateral-spin-orbit building blocks for programmable logic and in-memory computing”的論文發表在《先進電子材料》上 [Advanced Electronic Materials, 2020, DOI: 10.1002/aelm.202000296]。半導體所王開友研究員為論文通訊作者，博士生張楠和已出站博士后曹易為論文共同第一作者，合作者包括半導體所姬揚研究員和鄭厚植院士、以及英國諾丁漢大學Andrew W. Rushforth副教授。 

圖2 翻轉取向互補的一對LSOT器件的布爾邏輯操作示例 

 

該系列研究工作得到了中科院前沿科學重點研究項目、科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金重點研究專題、以及王寬誠教育基金等經費支持。