调控重金属/铁磁金属界面实现高性能自旋电子器件

随着半导体器件特征尺寸不断减小,漏电流导致的静态功耗成为制约集成电路发展的重要瓶颈。磁隧道结和斯格明子等自旋电子器件具有非易失存储、低功耗、抗辐照、高读写速度等优点,有望成为克服“后摩尔时代”功耗瓶颈的关键技术,受到学术界和工业界的广泛关注。近年来,自旋电子学领域涌现出大量新材料和新器件,带来了一系列新效应和显著的器件性能提升。研究表明,重金属/铁磁金属界面对自旋电子器件的垂直磁各向异性、隧穿磁阻率、磁阻尼系数、自旋轨道矩和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用等性能都具有重要影响。例如,将钽/钴铁硼/氧化镁结构中的重金属钽替换成钨可以显著提高垂直磁各向异性和隧穿磁阻率,并使器件在450℃温度下退火后仍然保持稳定,从而与CMOS后端工艺兼容。因此,为了实现高性能自旋电子器件,需要对重金属/铁磁金属界面进行深入研究。

近期,北京航空航天大学微电子学院赵巍胜教授课题组撰写了题为“Modulation of Heavy Metal/Ferromagnetic Metal Interface for High-Performance Spintronic Devices”的综述论文,彭守仲博士、朱道乾和周家琦为共同第一作者。论文全面总结了调控重金属/铁磁金属界面实现高性能自旋电子器件方面的最新进展。论文首先从理论和实验两方面介绍了调控重金属/铁磁金属界面来增强垂直磁各向异性和隧穿磁阻率,从而显著提高磁隧道结的存储可靠性并降低读取错误率;随后介绍了重金属/铁磁金属界面对磁阻尼系数和自旋轨道矩的影响,阐述了该界面对低功耗数据写入技术的重要作用;之后介绍了调控重金属/铁磁金属界面来增强Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,分析了其对斯格明子和磁畴壁器件的影响;最后讨论了当前面临的重大挑战,并对未来的研究方向和应用前景进行了展望。

相关论文近期在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201900134)。