近日，北京航空航天大学微电子学院赵巍胜团队在第65届电气电子工程师学会（IEEE）国际电子器件会议（International Electron Devices Meeting, IEDM）上发表题为“Field-Free Switching of Perpendicular Magnetization through Voltage-Gated Spin-Orbit Torque”的研究成果（IEDM 28.6.1-28.6.4 (2019)），这是北航历史上首次在IEDM发表论文，也是中国大陆首次在IEDM发表磁随机存储器（MRAM）相关论文。赵巍胜教授是论文唯一通讯作者，彭守仲讲师是第一作者，芦家琪是学生第一作者，北京航空航天大学是第一单位。该工作获得了国家自然科学基金、国际合作项目以及国家科技重大专项的支持。

随着半导体器件特征尺寸不断减小，漏电流导致的高静态功耗成为制约集成电路发展的重要瓶颈。基于自旋电子技术的磁存储器件具有非易失存储、低功耗、抗辐照、高读写速度等优点，有望成为克服“后摩尔时代”功耗瓶颈的关键技术，受到学术界和工业界的广泛关注。如何实现无需外磁场的低功耗数据写入是磁随机存储器面临的核心问题之一。针对这一问题，赵巍胜团队提出利用反铁磁/铁磁结构的自旋轨道矩（Spin-Orbit Torque, SOT）和交换偏置场实现垂直磁矩的无磁场翻转，同时利用电压调控磁各向异性（Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy, VCMA）效应降低数据写入时的能量势垒并进行选择性写入，最终实现高密度、超低功耗的电压调控自旋矩磁随机存储器（Voltage-controlled Spin Torque MRAM, VST-MRAM）（图1）。测试结果表明，当所加调控电压为0.6 V时，SOT写入电流密度仅为6.2 MA/cm2，下降了49%（图2ab）。进一步地，当所加电压为1.5 V时，SOT写入电流密度下降一个数量级，数据写入功耗仅为6.2 fJ/bit，数据写入时延仅为2 ns（图2c）。上述研究结果表明，VST-MRAM有望克服当前磁存储器面临的写入功耗高、写入时延长等关键问题，具有广阔的实际应用前景。

背景链接：IEDM始于1955年，具有六十多年历史，是微电子器件领域的顶级会议， 在国际半导体技术领域具有权威的学术地位和广泛的影响力。该会议主要报道国际半导体和电子器件方面的最新研究进展，是著名高校、研发机构和行业领军企业报告其技术突破的重要平台，每年Intel、Samsung、TSMC和IBM等国际知名半导体公司都利用这个会议发布最新研究成果，具有“风向标”的作用，被誉为“微电子器件领域的奥林匹克盛会”。

图1 基于电压调控自旋矩的存储器件及存储阵列示意图

图2 测试结果及存储器件性能对比