微電子研究所在全線性的電流誘導(dǎo)多態(tài)自旋軌道耦合磁性存儲(chǔ)器件研究獲進(jìn)展

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2021-05-28

近期，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心研究員羅軍課題組與中科院半導(dǎo)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(dǎo)多態(tài)自旋軌道耦合（SOT）磁性存儲(chǔ)器件，并實(shí)現(xiàn)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(jīng)形態(tài)計(jì)算提供了一種新方法。

 

存算一體及人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片采用非馮諾依曼架構(gòu)，可降低數(shù)據(jù)的訪問和傳輸能耗，提升計(jì)算速度。SOT-MRAM具有高速、高耐久度等優(yōu)點(diǎn)，在此類應(yīng)用中將發(fā)揮較大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，存算一體和人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片領(lǐng)域亟須一種全線性的多態(tài)存儲(chǔ)器件（圖1b），以便廣泛應(yīng)用在人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元、突觸、存內(nèi)計(jì)算等方面。然而，現(xiàn)有的SOT多態(tài)磁性存儲(chǔ)器件及其他類型的存儲(chǔ)器件大都是非全線性的（圖1a），其輸入-輸出曲線的部分區(qū)域?yàn)榫€性，其他部分為非線性區(qū)，要使器件工作在線性區(qū)，需要額外的時(shí)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片方面的應(yīng)用。

 

為解決上述問題，進(jìn)而獲得全線性的多態(tài)磁性存儲(chǔ)器件，研究人員在理論上模擬調(diào)節(jié)磁性材料中“DMI效應(yīng)”和“交換耦合效應(yīng)”的比例，發(fā)現(xiàn)可將非全線性的磁化翻轉(zhuǎn)曲線調(diào)控成全線性的磁化翻轉(zhuǎn)曲線（圖1c，d）。該理論預(yù)測(cè)的結(jié)果獲得了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究人員采用離子注入工藝，調(diào)節(jié)了普通磁性材料中“DMI效應(yīng)”和“交換耦合效應(yīng)”的比例，實(shí)現(xiàn)了SOT磁性存儲(chǔ)器件的全線性磁化翻轉(zhuǎn)（圖2a）。同時(shí)，通過(guò)局域的離子注入，展示出無(wú)外場(chǎng)的線性多態(tài)存儲(chǔ)和突觸功能。該突觸可在同一超低電流脈沖下實(shí)現(xiàn)興奮和抑制功能，并具備可編譯特性。

 

相關(guān)研究成果以All-linear multistate magnetic switching induced by electrical current為題，發(fā)表在《應(yīng)用物理評(píng)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(xué)的張學(xué)瑩、李紹新。研究工作獲得科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院的支持。

 

 

圖1.（a）目前的多態(tài)存儲(chǔ)器件，（b）理想的全線性存儲(chǔ)器件，（c）目前電流磁化翻轉(zhuǎn)曲線，（d）通過(guò)調(diào)節(jié)DMI和交換耦合實(shí)現(xiàn)的線性磁化翻轉(zhuǎn)曲線

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