半导体所垂直自旋器件的全电写入和硅基集成研究取得新进展

　　基于自旋轨道矩(Spin-orbit torque)效应的第三代自旋芯片有望突破传统半导体芯片速度和功耗面临的物理极限，已成为英特尔、三星、台积电等国际半导体企业布局的重要技术路线。采用垂直磁化比特的第三代自旋芯片有望实现更高的热稳定性和数据保持时间，但面临如何以可高密度集成方式实现高能效全电写入的关键技术难题。
 

　　近日，中国科学院半导体研究所朱礼军研究员团队研究提出通过合金化大幅提高垂直自旋产生效率的新方法，分别采用轻金属Cu重掺杂自旋霍尔金属Pt形成合金Pt0.5Cu0.5，实现了垂直自旋扭矩5倍以上的增强效应，并实现了基于4吋热氧化硅晶圆、高垂直各向异性FeCoB器件阵列在超低电流密度下(1.8×107 A/cm2)100%翻转比例的全电写入，电流密度为迄今公开报道的所有兼容CMOS集成的全电写入方案中的最低值。
 

　　该成果发表于《先进功能材料》(Advanced Functional Materials 2026, 36:e74926，论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.74926)，朱礼军研究员为通讯作者，半导体所直博生宋子研为第一作者，合作者陕西师范大学物理学院朱陆军副教授帮助完成了样品微结构的扫描透射电镜表征。相关工作得到了科技部、基金委和北京市的资助。
 

　　此前，该团队提出了利用电场对称性破缺在自旋轨道矩器件中诱导垂直自旋的新机制，以及实现晶圆级全电写入的普适技术方案(Applied Physics Reviews 2022,9:041401, https://doi.org/10.1063/5.0116765；Advanced Materials 2024,35:2406552, https://doi.org/10.1002/adma.202406552)。该方案无需组分/厚度梯度或单晶结构，且兼容400oC以上热稳定性，被美国电气和电子工程师学会(IEEE)磁学协会韩国分会主席Byong-Guk Park教授评价为“兼容高密度集成和晶圆级制造的全电写入方案”(npj Spintronics 2025, 3:8)。