自旋存储器

　　自旋随机储存器具有稳定，耐久，快速随机储存的优点，使得其具有成为通用储存器的可能，纳电子学的主要目标。可以通过单个的储存技术来提供数据和执行储存，适用的温度范围提高，在军用和航天有前途

　　概述

　　自旋储存器是通过自旋转移矩将信息写入的储存器。它具有功耗低的特点，在航空航天领域具有丰富的应用场景。

　　发展背景

　　存储器是计算机体系结构中的重要组成部分, 对计算机的速度、集成度和功耗等都有决定性的影响。然而, 目前的存储器难以同时兼顾各项性能指标, 例如, 硬盘的存储容量较高 (可达1.3 Tb/in2) 但访问速度极慢(通常为微秒级)。缓存则相反, 具有高速和低集成度的特点。

　　为充分发挥各类存储器的优势, 典型的计算机存储系统采用分级结构, 一方面, 频繁使用的指令与数据存于缓存 (Cache) 和主存 (Main Memory) 中, 能够以较快的速度与中央处理器交互; 另一方面, 大量非频繁使用的系统程序与文档资料被存于高密 度的硬盘 (HDD或SSD) 中。这样的分级结构使存储系统兼具高速和大容量的优点, 但是, 随着半导体工艺特征尺寸的不断缩小, 传统的基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 工艺的缓存(Static Random Access Memory, SRAM)和主存 (Dynamic Random Access Memory, DRAM) 遭遇了性能瓶颈。

　　在功耗方面, 由于CMOS晶体管的漏电流随着工艺尺寸的减小而增大, 因此, SRAM和 DRAM的静态功耗日益加剧。在速度方面, 处理器 与存储器的互连延迟限制了系统的主频。解决该问题的一个有效途径是构建非易失性 (Non-Volatile) 的缓存和主存, 使系统可工作于休眠模式而不丢失 数据, 从而消除漏电流和静态功耗, 而且非易失性存储器可通过后道工艺(Back-of-End-Line)直接集成于CMOS电路上，减小了互连延迟。

　　工作原理

　　考虑利用自旋霍尔效应辅助自旋转移矩(Spin-Hall-Assisted STT) 实现磁化翻转，在这种方式中, 最终的磁化翻转仍旧由传统的自旋转移矩完成, 但伴有自旋霍尔效应的辅助, 因此该过程需要分别流经磁隧道结和重金属薄膜的两条写入电流, 负责产生自旋转移矩和自旋霍尔效应。当流经重金属的电流低于某一阈值时,

　　自旋电子储存信息的写入通过磁化翻转，磁化翻转的过程仍旧由自旋转移矩主导, 自旋霍尔效应(或自旋轨道矩)只起次要作用; 当电流高于阈值时，磁化翻转过程与传统的自旋转移矩方式完全不同，磁化向量在极短的时间内越过面内方向, 表明自旋轨道矩消除了初始延迟, 主导了磁化翻转过程。但是, 这种情况下, 磁化向量并未被完全翻转, 表明自旋轨道矩在写入的后期起到阻碍作用, 因此需要在合适的时间移除。最终形成的写入方式: 沿重金属通入大于阈值的电流, 在大约0.5 ns的时刻撤除该电流, 由自旋转移矩完成后续的磁化翻转过程。这种写入方式消除了初始延迟, 提高了写入速度。但这种写入方式并未使读写路径分开, 仍有部分电流经过磁隧道结以产生自旋转移矩, 尽管如此, 由于有自旋霍尔效应的辅助, 流经磁隧道结的电流可以降至较低的水平, 减小势垒击穿的概率。

　　信息写入

　　自旋轨道矩写入方式的思路是借助反铁磁材料产生交换偏置场, 以此取代外加磁场。近期利用该技术成功实现了具有垂直磁各向异性的磁性薄膜的磁化翻转。他们设计的器件结构中, PtMn和IrMn均为反铁磁材料, 与之接触的Co/Ni和Co 均为具有垂直磁各向异性的磁性材料。交换偏置场由 “反铁磁/铁磁”界面产生, 其作用等效于外加磁场(Hext)。自旋霍尔效应由Pt产生,由反铁磁材料PtMn产生。实验证实了磁化翻转在交换偏置场和自旋霍尔效应的作用下完成, 且写入电流和交换偏置场的大小与早期Liu的测量结果基本吻合。此外, 他们的这两项研究还观测到另外一个重要现象: 磁化翻转的大小可根据电流强弱连续调节。该现象的可能成因是反铁磁材料的多晶态导致交换偏置场方向呈现非均匀分布，因此，在特定的写入电流作用下, 磁化翻转无法一致完成。磁化的可调性能够用于实现自旋忆阻器, 从而使自旋轨道矩在类脑计算领域得到应用。2

　　应用前景

　　自旋储存器的应用前景并不局限于传统的计算机存储体系, 还能够扩展到其他诸多领域，甚至有望成为通用存储器(Universal Memory)。例如, 宝马公司在发动机控制模块采用MRAM以保证数据在断电情况下不丢失。鉴于磁性存储具有抗辐射的优势, 空客公司在A350的飞行控制系统中采用MRAM以防止射线造成数据破坏。此外, 在物联网和大数据等新兴应用领域, 泛在的传感器终端需要搜集海量数据, 为节省存储功耗, 使用非易失性存储器势在必行, STT-MRAM以其相对优良的性能成为热门的候选器件。

　　本词条内容贡献者为:

　　胡建平 - 副教授 - 西北工业大学