隨著人類社會(huì)向著進(jìn)一步信息化和智能化社會(huì)的轉(zhuǎn)型，低功耗存儲(chǔ)技術(shù)將在從嵌入式存儲(chǔ)器到物聯(lián)網(wǎng)上大規(guī)模推廣應(yīng)用。而非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM），如自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MRAM和下一代自旋軌道轉(zhuǎn)矩MRAM，正在成為實(shí)現(xiàn)未來低功耗技術(shù)的關(guān)鍵。近年來，基于二維范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的器件的發(fā)展和性能帶來了具有前所未有的材料性質(zhì)，有望為新型自旋電子存儲(chǔ)器件開辟新的可能。
近日，來自新加坡國立大學(xué)Hyunsoo Yang和西班牙加泰羅尼亞納米科技研究所的Sergio O. Valenzuela 和Stephan Roche教授領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在Nature上以Two-dimensional materials prospects for non-volatile spintronic memories為題發(fā)表綜述文章，概述了非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的當(dāng)前發(fā)展和挑戰(zhàn)，總結(jié)了二維材料技術(shù)給未來MRAM存儲(chǔ)器技術(shù)可能帶來的機(jī)遇。文章不僅分析了二維材料如何為未來自旋電子存儲(chǔ)器技術(shù)提供的顛覆性解決方案，而且展望了未來自旋電子存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展路線圖。
圖1 非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元的基本現(xiàn)象和二維材料前景。
圖源：Nature 606, 663–673 (2022).
新興技術(shù)通常在達(dá)到成熟生產(chǎn)階段之前會(huì)經(jīng)歷一個(gè)成長周期。例如，1989年，當(dāng)NAND閃存首次商業(yè)化時(shí)，它與傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器（如電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）產(chǎn)生了激烈的競爭。即使1995年其市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到18億美元以上?，半導(dǎo)體行業(yè)仍然不確定這項(xiàng)技術(shù)是否最終真的會(huì)取代非易失性存儲(chǔ)器。然而，MP3播放器和智能手機(jī)等新應(yīng)用迅速增加了終端需求，推動(dòng)了NAND flash的開發(fā)，以降低每比特的成本，從而實(shí)現(xiàn)了三維NAND flash創(chuàng)新。
而如今，消費(fèi)類電子產(chǎn)品的移動(dòng)性和小型化趨勢不斷推動(dòng)NAND閃存市場的發(fā)展，?2020年其市場規(guī)模已超過500億美元。相比之下，盡管自旋電子存儲(chǔ)器在低功耗和速度方面的潛力已被證明，但就市場規(guī)模而言，它們?nèi)蕴幱诎l(fā)展期。
最先進(jìn)的新一代磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）基于自旋傳遞轉(zhuǎn)矩機(jī)制，已經(jīng)在一些細(xì)分市場取得了重大成功。然而，可以預(yù)見，在不久的將來，非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器市場將通過解決各種嵌入式應(yīng)用程序（包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)存計(jì)算）中的功率和數(shù)據(jù)傳輸挑戰(zhàn)而顯著擴(kuò)大?？紤]到嵌入式新興非易失性存儲(chǔ)器市場預(yù)計(jì)將從2019年的兩千萬美元增長?達(dá)到2025年的25億美元?，它將有力地推動(dòng)非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的增長，就像移動(dòng)消費(fèi)電子產(chǎn)品在過去推動(dòng)了NAND閃存的增長一樣。
為了實(shí)現(xiàn)這種增長，非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)必須應(yīng)對(duì)各種各樣的技術(shù)挑戰(zhàn)，而這些挑戰(zhàn)需要材料和設(shè)備集成的突破。在這方面，二維材料可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。事實(shí)上，自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)之后，相關(guān)二維材料家族不斷壯大，二維材料已經(jīng)成為潛在超緊湊設(shè)備架構(gòu)或自旋信息處理全新概念的潛在推動(dòng)者。基于二維材料的自旋電子器件的科學(xué)進(jìn)展，以及二維材料與傳統(tǒng)微電子材料大規(guī)模共集成的最新進(jìn)展，為開發(fā)創(chuàng)新的非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)開辟了廣闊的前景。
圖2 最先進(jìn)的非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)。
圖源：Nature 606, 663–673 (2022).
非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)構(gòu)建在磁性隧道結(jié)（MTJ）上，磁性隧道結(jié)由兩個(gè)由薄絕緣體分隔的鐵磁（FM）層組成。其中一個(gè)FM層（稱為自由層FL）存儲(chǔ)信息，而另一個(gè)層（參考層RL）為讀取自由層信息提供穩(wěn)定的參考。目前已經(jīng)出現(xiàn)了兩種依靠電動(dòng)產(chǎn)生的自旋電流來控制自由層磁化的主要技術(shù)：自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩（STT）和自旋軌道轉(zhuǎn)矩（SOT）。
自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩概念于1996年首次引入，并于2005年在自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩-非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)。通過磁性隧道結(jié)注入垂直電流，可以在雙端幾何形狀中觀察到自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩。通過勢壘的電流隧道是自旋極化的，由于角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，足夠大的電流會(huì)導(dǎo)致自由層磁化反轉(zhuǎn)。自由層和參考層的相對(duì)磁化方向決定了器件的電阻，該電阻由隧道磁電阻（TMR）監(jiān)測。
自旋軌道轉(zhuǎn)矩-非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器基于三個(gè)終端設(shè)備，其中在自由層附近添加了額外的導(dǎo)電路徑。由于自旋霍爾效應(yīng)和/或Rashba–Edelstein效應(yīng)，流經(jīng)該路徑的電荷電流導(dǎo)致自旋極化電流注入自由層。在這種器件中，自旋軌道轉(zhuǎn)矩可以在不通過磁性隧道結(jié)隧道勢壘的情況下切換自由層磁化。以增加另一個(gè)端子為代價(jià)，寫入和讀取電流路徑的解耦可防止讀取操作期間的寫入錯(cuò)誤，并降低電壓擊穿風(fēng)險(xiǎn)。通過允許自旋扭矩方向獨(dú)立于堆棧中的各向異性方向進(jìn)行設(shè)置，它進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多功能單元設(shè)計(jì)。使用自旋軌道轉(zhuǎn)矩，在皮秒時(shí)間尺度上觀察到磁化切換。
圖3 將二維材料集成到非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)中的挑戰(zhàn)。
圖源：Nature 606, 663–673 (2022).
材料的發(fā)展使自旋轉(zhuǎn)矩記憶技術(shù)取得了重大進(jìn)展。然而，到目前為止，學(xué)術(shù)界僅確定了有限數(shù)量的最佳材料組合；尤其是，近二十年來，由于尚未找到替代方案，CoFeB/MgO一直發(fā)揮著重要作用。因此，非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)面臨著嚴(yán)重的限制，威脅著其未來的發(fā)展和廣泛的部署。
近年來，各種新出現(xiàn)的二維材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示出解決上述問題和挑戰(zhàn)的潛力。在單層原子材料中，二維材料具有原子級(jí)的厚度，其界面原子無懸掛鍵，非常光滑。通過范德華相互作用，它們相互作用較弱，元素混合最少。此外，鑒于其原子薄的性質(zhì)，它們的性質(zhì)可以通過外部電場或鄰近效應(yīng)來調(diào)節(jié)。它們以金屬、絕緣、半導(dǎo)體、鐵磁和反鐵磁的形式存在，沒有或具有破壞的晶體對(duì)稱性，并且可以以任何優(yōu)選的組合和順序堆疊。
因此，二維材料的特性和多功能性使其對(duì)自旋電子學(xué)，尤其是對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)非常有吸引力，因?yàn)榇鎯?chǔ)技術(shù)強(qiáng)烈依賴超薄材料及其界面來實(shí)現(xiàn)所需的功能。雖然基于二維材料的技術(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到基于MgO/CoFeB的磁性隧道結(jié)的成熟水平，但范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)研究中正發(fā)揮著越來越突出的作用。
圖4 自旋轉(zhuǎn)矩存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展路線圖。
圖源：Nature 606, 663–673 (2022).
今天，各種內(nèi)存技術(shù)在計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和嵌入式應(yīng)用程序中相互補(bǔ)充。圖4概述了非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的未來發(fā)展路線圖。自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩-非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器已經(jīng)商業(yè)化，用于存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器以及可穿戴電子設(shè)備中的永久性內(nèi)存。非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器正在培育關(guān)鍵的新興市場，如可穿戴、汽車、物聯(lián)網(wǎng)、生物傳感器、各種高速緩存和緩沖存儲(chǔ)器應(yīng)用。近年來，非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器在嵌入式非易失性內(nèi)存市場中正發(fā)揮著核心作用。
實(shí)際中，每種應(yīng)用的要求都有很大差異。閃存更換自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩-非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器需要高數(shù)據(jù)保留率（>20?年），但耐久性很低。相比之下，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器替換自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩-非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器需要高耐久性和高帶寬。
文章指出，當(dāng)磁性隧道結(jié)特征尺寸預(yù)計(jì)低于30–40 nm時(shí)，目前學(xué)術(shù)界還未知如何使用傳統(tǒng)材料實(shí)現(xiàn)14 nm節(jié)點(diǎn)以外的芯片尺寸縮放。目前使用散裝材料和傳統(tǒng)氧化鎂基磁性隧道結(jié)的技術(shù)，包括PMA和隧道屏障粗糙度，將在多個(gè)方面達(dá)到極限。
在這種背景下，基于二維材料的自旋電子器件的發(fā)展非常引人注目，將為技術(shù)進(jìn)步提供新的機(jī)會(huì)。特別是，最近有研究人員在包含二維材料的堆疊中觀察到自旋軌道轉(zhuǎn)矩的磁化切換。未來幾年，通過二維材料規(guī)?；a(chǎn)等努力，將加快在fab環(huán)境中大規(guī)模集成二維材料，這將是第一個(gè)將石墨烯和層狀材料集成到半導(dǎo)體平臺(tái)中的成功案例。
因此，文章認(rèn)為，二維材料的大家族可以為非易失性自旋轉(zhuǎn)矩存儲(chǔ)器技術(shù)的未來發(fā)展制定路線圖。雖然許多技術(shù)材料和技術(shù)挑戰(zhàn)仍然存在，但是鑒于取得進(jìn)展的速度前所未有，以及發(fā)現(xiàn)和表征新二維材料的速度很快，二維材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用指日可待。這不僅有可能為基于二維材料的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的進(jìn)一步商業(yè)化開發(fā)提供框架，還可以作為探索基于自旋邏輯和功能化等其他自旋電子學(xué)設(shè)備的開拓者。
參考文獻(xiàn)：
[1] Yang, H., Valenzuela, S.O., Chshiev, M. et al. Two-dimensional materials prospects for non-volatile spintronic memories. Nature 606, 663–673 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04768-0
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