自旋量子材料与器件团队实现拓扑绝缘体驱动的低功耗磁随机存储器

磁性随机存储器(MRAM)是后摩尔时代新型存储技术的有力竞争者。如何实现更高密度、更低功耗和更快速度的MRAM，是下一代信息技术的关键科学和技术问题。松山湖材料实验室自旋量子材料与器件课题组长期专注于通过拓扑绝缘体作为信息写入层的新型超低功耗MRAM技术：通过费米面调节工程证实了拓扑表面态对自旋轨道力矩(SOT)的关键作用[ Phys. Rev. Lett.  123, 207205 (2019)]；通过拓扑绝缘体与亚铁磁体系的结合实现了更高的SOT效率和更快的写入速度[ Adv. Mater.  31, 1901681 (2019); Phys. Rev. Appl.  18, 064012 (2022)]，并且进一步实现了反铁磁耦合的双磁斯格明子晶格[ Adv. Mater.  32, 2003380 (2020)]；通过拓扑磁结构的手性对称性破缺，实现了零外磁场辅助的SOT写入方式[ Nano Lett.  21, 515 (2021)]；制备出室温下工作的基于第三代拓扑绝缘体(BiSb) ₂ Te ₃ 的SOT-MRAM存储单元器件[ Nature Commun.  12, 6251 (2021)]。

最近，松山湖材料实验室自旋量子材料与器件课题组与加州大学洛杉矶分校、阿卜杜拉国王科技大学、电子科技大学和中科院物理所合作，实现了基于拓扑绝缘体和具有更高存储密度的垂直磁各向异性隧道结(pMTJ)相结合的SOT-MRAM存储器件，通过拓扑表面态的高效电荷-自旋转换机制实现了室温下~10 ⁵  A/cm ² 的超低临界翻转电流密度；在SOT写入操作的同时，通过在磁性隧道结两端施加一个小的STT隧穿电流提供面外极化的自旋，从而打破镜面对称性实现零外磁场下工作的全电学操控的SOT-MRAM器件；进一步通过微磁学方法对SOT+STT协同操控磁性的机制进行了模拟，指出了STT产生的面外极化对SOT确定性写入操作的关键性作用，以及给出了含时的电流驱动磁矩的动态翻转过程；通过翻转几率测试对纳米尺度SOT-MRAM存储器件的热稳定性进行了评估，Δ = 66的热稳定性因子满足存储器超过10年工作时间的稳定性寿命要求。这一研究工作为未来基于量子材料的新型拓扑SOT-MRAM存储器奠定了科学与技术基础，有望为下一代低功耗和高密度的信息存储技术提供基于源头创新的新型解决方案。

相关研究成果以“ Low-power and field-free perpendicular magnetic memory driven by topological insulators ”为题发表在 Advanced Materials 期刊，松山湖材料实验室为论文第一单位，崔宝山和张旭博士后为论文第一和共同第一作者，吴昊研究员为论文通讯作者。特别感谢材料制备与表征平台在磁/电输运测试方面的设备/平台支持。该工作得到了科技部国家重点研发计划(2022YFA1402801)、国家自然科学基金委(52271239)、广东省基金委 (2022B1515120058)、松山湖材料实验室启动基金(Y1D1071S511)的经费支持。

图1. 拓扑 SOT-MRAM器件的原理示意图和结构表征

图2. a-c：拓扑SOT-MRAM的TMR曲线和SOT写入过程；

d-e：SOT+STT协同操控磁矩的写入过程