全電學操控的非易失性多功能可編程自旋邏輯研究

　　基于自旋的數據存儲和運算技術是解決大數據時代計算能力不足和存儲空間不夠的優選方案之一。而磁隨機存儲器和自旋邏輯器件分別是自旋電子學可以明確針對存儲和邏輯運算兩方面挑戰難題而提出的對應關鍵技術。它們兩者共同的物理和器件基礎是：(1)高磁電阻比值的磁性隧道結材料和(2)電流驅動的磁矩翻轉機理。后者還是磁隨機存儲器分代的標準。第一代和第二代磁隨機存儲器分別利用電流誘導的磁場和自旋極化電流攜帶的自旋轉移力矩(STT)進行數據寫入操作。其中自旋轉移力矩驅動的磁隨機存儲器(STT-MRAM)即將逐漸嵌入現有的微電子設備，有望成為繼計算機硬盤磁讀頭后第二個大規模應用的自旋電子學核心器件。

　　最近自旋軌道力矩(SOT)效應的發現以及隨之而來新型電流操控磁矩技術的發明，為設計自旋存儲和邏輯運算器件提供了新的發展思路，也為基于該效應的自旋器件提供了更加豐富的功能、更加優異的性能。不僅具備經典自旋轉移力矩型器件所具有的數據非易失性、低能耗、CMOS兼容性和抗輻射等特點，自旋軌道力矩型(SOT)器件還具有超高速、長壽命、高熱穩定性、多功能、調控手段豐富等特征，非常適于開發高速存儲器件和可編程的邏輯運算器件。特別值得強調的是，自旋軌道力矩型器件的多功能特征得益于自旋軌道力矩驅動磁矩翻轉過程的豐富可調性，如電流驅動的磁矩翻轉方向可受偏置磁場極性的調控、臨界翻轉電流密度可通過偏置磁場的強度或者電壓操控磁各向異性來調節。遺憾的是，現在自旋軌道力矩型器件多功能性的發揮還離不開外加磁場的協助，這無疑增加了器件設計的復雜度、器件功耗以及器件小型化的難度。為了將自旋軌道力矩型器件真正推向大規模實際應用，科研人員還需要發現既可保持器件多功能特性、同時還能實現器件全電學操作的新原理、新方法。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02研究組研究員韓秀峰課題組很早就研究并注意到自旋軌道力矩(SOT)效應的重要性和潛在應用價值，并于2009年最早申請了一個利用自旋軌道力矩翻轉磁矩并應用于磁隨機存儲器和自旋邏輯的中國發明ZL(200910076048.X)。此后，該研究組一直堅持研究自旋軌道力矩效應及其相關自旋電子學原型器件探索，先后從實驗和理論角度清楚表明了兩類自旋軌道力矩—類阻尼力矩和類場力矩對磁矩翻轉過程的影響[Phys. Rev. B, 94 (2016) 174434]，實驗演示了利用自旋霍爾效應設計多功能可編程自旋邏輯陣列器件的可行性和可實現途徑[Adv. Electron. Mater. 3 (2017) 1600282； J. Magn. Magn. Mater. 428 (2017) 401 (Letter to Editor)]，并實現了零外加磁場條件下的自旋軌道力矩翻轉[Appl. Phys. Lett. 109 (2016) 132402]。

　　最近，M02研究組在原有研究基礎上創新性地利用磁性材料層間耦合效應替代原有自旋軌道力矩器件工作所需的外加磁場，在完全不依賴外加磁場的條件下，實現了純電學手段操控的多模態自旋軌道力矩翻轉。并且基于這一原理，在單一自旋霍爾邏輯單元中實現了多種邏輯功能的可編程操作。如圖1.(a)和(b)所示，磁性多層膜異質結構為Pt/Co/Ru/Co/Pt，通過優化磁性層Co的厚度，在兩層Co中分別實現了垂直磁各向異性和面內磁各向異性，兩層磁性層通過中間的非磁金屬層Ru實現反鐵磁耦合。其中垂直磁各向異性層的磁化翻轉可以通過y方向電流驅動完成。在此過程中，面內磁性層通過層間耦合效應，為垂直層提供一個面內的等效磁場，因此可以在不施加任何外磁場的條件下，實現垂直層磁矩的純電流翻轉。且面內層磁矩的方向，決定垂直層磁矩的翻轉極性。例如當面內層磁矩被磁化到+y或-y方向時，垂直層磁矩的翻轉極性分別為逆時針和順時針[圖1.(c)和(d)]。

　　更重要的是，面內層磁矩也可以被沿x方向的脈沖電流所翻轉。該過程類似于經典STT效應導致的磁化翻轉。因此可以利用x方向電流預先驅動面內層磁矩指向+y或-y方向，然后可以實現不同的垂直層磁矩翻轉極性[圖1.(e)和(f)]。進一步，利用這一翻轉特性，可實現全電學操作的可編程自旋霍爾邏輯器件，其邏輯操作如圖2所示。利用一個預先施加的沿x方向的脈沖電流預置面內層磁矩的方向。該操作相當于對整個器件增加了一個“反相器”的功能，使得器件的邏輯功能可以在“與”和“與非”之間實現純電學的切換。

　　這種自旋邏輯方案，實現了不需要外磁場輔助的、純電學操控的自旋霍爾邏輯器件，并且保持了原有方案的數據非易失性、邏輯單元的多功能性和可編程性，且便于與CMOS工藝相兼容。這一進展使得自旋霍爾邏輯器件朝實用化方向和自旋邏輯運算存儲一體化又邁進了一大步，具有非常重要的科學和應用價值。相關研究工作已經在《先進材料》雜志上發表 [Xiao Wang, Caihua Wan and Xiufeng Han et al. Field-Free Programmable Spin Logics via Chirality Reversible Spin–Orbit Torque Switching. Adv. Mater. 30 (2018) 1801318]。相關SOT自旋邏輯和SOT自旋存儲器的系列設計方案已獲得美國ZL授權[自旋邏輯器件和包括其的電子設備, US15/256,262]。該項課題研究得到國家自然科學基金委員會、科技部和中科院有關項目基金的支持。