近日，上海科技大學信息科學與技術學院后摩爾中心(PMICC)寇煦豐課題組聯合沙特阿卜杜拉國王科技大學張錫祥團隊，在美國舊金山舉行的第70屆國際電子器件會議(International Electron Device Meeting, IEDM)上，以題為“Field-Free Rashba-Type Crystal Torque MRAM with High Efficiency and Thermal Stability”報告了新型磁存儲器(MRAM)最新研究成果。IEDM自1955年創辦以來，一直是國際半導體技術界的權威會議和風向標，為全球集成電路領域提供了一個展示技術突破的重要平臺。此次上海科技大學再次以第一完成單位在IEDM上發表論文，體現了學校在微電子領域的科研實力和影響力的持續增強。
 

　　當前，數據驅動的新計算范式對存儲需求呈現爆炸式增長，市場迫切需要高速、低能耗的新型存儲器件。MRAM 因其兼具非易失性、高讀寫速度(1 ns)、高擦寫次數(1015)的特點，被視為下一代存儲技術的重要候選，受到全球半導體廠商的高度關注。然而，當前主流的電流型STT-MRAM面臨可靠性和可擴展性方面的挑戰，而下一代自旋軌道矩磁存儲器(SOT-MRAM)對輔助磁場的依賴，始終是制約其大規模商業化應用的關鍵難題之一。
 

　　在前期研究中，寇煦豐課題組充分發揮窄禁帶化合物半導體InSb自旋軌道耦合效應強、遷移率高的優勢、以及其與CdTe在晶格匹配方面的協同效應，采用分子束外延(MBE)技術成功制備了高質量的3英寸InSb/CdTe異質結薄膜，并驗證了界面誘導的強自旋軌道矩效應(IEDM-2021)。在此基礎上，本次研究通過引入AlInSb/InSb/CdTe量子阱結構，將體系電荷-自旋流轉換效率提升了 45.6%，顯著降低了 SOT-MRAM 所需的翻轉電流密度。研究還發現InSb(111)晶體的閃鋅礦結構可以打破空間對稱性破缺，從而產生顯著的面外晶體力矩(Crystal-Torque, CT)，實現CT-MRAM器件在無外場輔助下的可靠寫入操作。相較于其他無磁場翻轉方案，本工作揭示的晶體力矩機制不僅簡化了器件結構并提升了寫入操作的便捷性，更因其內稟特性，可在40℃至+125℃的工作溫區內穩定工作，且寫入電流密度較其他幾類SOT-MRAM器件降低了1-2個量級。該研究為破解傳統 MRAM 商業化瓶頸提供了新思路，有望加速 SOT-MRAM 的產業化進程，滿足智能化時代的數據存儲需求。
 

　　上海科技大學是該成果的第一完成單位，信息學院后摩爾中心寇煦豐課題組2021級碩士研究生黃浦陽、2022級博士研究生姚珊、2020級博士研究生職正航和阿卜杜拉國王科技大學陳愛天為文章共同第一作者，寇煦豐教授和張錫祥教授為共同通訊作者。
 

圖1 | 基于AlInSb/InSb/CdTe量子阱結構的CT-MRAM器件
 

圖2 | 無輔助磁場CT-MRAM器件實現40℃至+125℃溫度區間的高效工作