全线性的电流诱导多态自旋轨道耦合磁性存储器件研究

　　近期，中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心研究员罗军课题组与中科院半导体研究所研究员王开友课题组合作，研制出全线性的电流诱导多态自旋轨道耦合（SOT）磁性存储器件，并实现了低能耗、可编辑的突触功能，为基于SOT-MRAM的低功耗存算一体逻辑和神经形态计算提供了一种新方法。

　　存算一体及人工智能神经网络芯片采用非冯诺依曼架构，可降低数据的访问和传输能耗，提升计算速度。SOT-MRAM具有高速、高耐久度等优点，在此类应用中将发挥较大优势。当前，存算一体和人工智能神经网络芯片领域亟须一种全线性的多态存储器件（图1b），以便广泛应用在人工智能神经网络的神经元、突触、存内计算等方面。然而，现有的SOT多态磁性存储器件及其他类型的存储器件大都是非全线性的（图1a），其输入-输出曲线的部分区域为线性，其他部分为非线性区，要使器件工作在线性区，需要额外的时间、能耗和电路开销，不利于其在高速、低功耗和高集成密度存算一体及人工智能神经网络芯片方面的应用。

　　为解决上述问题，进而获得全线性的多态磁性存储器件，研究人员在理论上模拟调节磁性材料中“DMI效应”和“交换耦合效应”的比例，发现可将非全线性的磁化翻转曲线调控成全线性的磁化翻转曲线（图1c，d）。该理论预测的结果获得了实验验证。研究人员采用离子注入工艺，调节了普通磁性材料中“DMI效应”和“交换耦合效应”的比例，实现了SOT磁性存储器件的全线性磁化翻转（图2a）。同时，通过局域的离子注入，展示出无外场的线性多态存储和突触功能。该突触可在同一超低电流脉冲下实现兴奋和抑制功能，并具备可编译特性。

　　相关研究成果以All-linear multistate magnetic switching induced by electrical current为题，发表在《应用物理评论》（Physical Review Applied）上。微电子所副研究员杨美音和博士研究生李彦如为论文的共同第一作者，罗军和王开友为论文的通讯作者。合作者包括北京航空航天大学的张学莹、李绍新。研究工作获得科学技术部、国家自然科学基金委和中科院的支持。

　　论文链接 

图1.（a）目前的多态存储器件，（b）理想的全线性存储器件，（c）目前电流磁化翻转曲线，（d）通过调节DMI和交换耦合实现的线性磁化翻转曲线

图2.（a）离子注入引起的全线性磁化翻转，（b）局域离子注入注入实现的可编译的突触功能