微電子研究所在全線性的電流誘導多態自旋軌道耦合磁性存儲器件研究獲進展

發布者：眺望科技                     發布日期：2021-05-28

近期，中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心研究員羅軍課題組與中科院半導體研究所研究員王開友課題組合作，研制出全線性的電流誘導多態自旋軌道耦合（SOT）磁性存儲器件，并實現了低能耗、可編輯的突觸功能，為基于SOT-MRAM的低功耗存算一體邏輯和神經形態計算提供了一種新方法。

 

存算一體及人工智能神經網絡芯片采用非馮諾依曼架構，可降低數據的訪問和傳輸能耗，提升計算速度。SOT-MRAM具有高速、高耐久度等優點，在此類應用中將發揮較大優勢。當前，存算一體和人工智能神經網絡芯片領域亟須一種全線性的多態存儲器件（圖1b），以便廣泛應用在人工智能神經網絡的神經元、突觸、存內計算等方面。然而，現有的SOT多態磁性存儲器件及其他類型的存儲器件大都是非全線性的（圖1a），其輸入-輸出曲線的部分區域為線性，其他部分為非線性區，要使器件工作在線性區，需要額外的時間、能耗和電路開銷，不利于其在高速、低功耗和高集成密度存算一體及人工智能神經網絡芯片方面的應用。

 

為解決上述問題，進而獲得全線性的多態磁性存儲器件，研究人員在理論上模擬調節磁性材料中“DMI效應”和“交換耦合效應”的比例，發現可將非全線性的磁化翻轉曲線調控成全線性的磁化翻轉曲線（圖1c，d）。該理論預測的結果獲得了實驗驗證。研究人員采用離子注入工藝，調節了普通磁性材料中“DMI效應”和“交換耦合效應”的比例，實現了SOT磁性存儲器件的全線性磁化翻轉（圖2a）。同時，通過局域的離子注入，展示出無外場的線性多態存儲和突觸功能。該突觸可在同一超低電流脈沖下實現興奮和抑制功能，并具備可編譯特性。

 

相關研究成果以All-linear multistate magnetic switching induced by electrical current為題，發表在《應用物理評論》（Physical Review Applied）上。微電子所副研究員楊美音和博士研究生李彥如為論文的共同第一作者，羅軍和王開友為論文的通訊作者。合作者包括北京航空航天大學的張學瑩、李紹新。研究工作獲得科學技術部、國家自然科學基金委和中科院的支持。

 

 

圖1.（a）目前的多態存儲器件，（b）理想的全線性存儲器件，（c）目前電流磁化翻轉曲線，（d）通過調節DMI和交換耦合實現的線性磁化翻轉曲線

圖2.（a）離子注入引起的全線性磁化翻轉，（b）局域離子注入注入實現的可編譯的突觸功能