磁学-材料物理-半导体-信息储存

  20世纪中叶,以操控电子电荷属性为基础的传统微电子技术取得了飞速发展,为人类的生活带来了极大便利.随着人类对产品性能的要求越来越高,对于微电子产品而言,由于晶体管数量的不断增加而带来的散热、兼容等一系列的问题,使得微电子技术的发展受到了严重的制约[1].为了解决上述瓶颈和挑战,科学家们始终孜孜不倦地探索新材料、新原理和新技术,在尝试优化结构和改进工艺的同时也在寻求利用新材料中的新奇物理效应来实现信息技术的革新.自旋电子学作为凝聚态物理学与材料科学及微电子技术的新兴交叉学科,伴随着巨磁电阻效应(GMR)的发现成为近代磁学的里程碑,揭开了人类利用电子自旋这一电子所具有的另一个本征属性来进行信息存储和读写的序幕[2].随着材料制备和微纳米加工技术的日益成熟,更多新型功能材料及器件被设计和制备出来,为科学家们深入研究其中的物理机理提供了良好的基础.过去20多年中,自旋电子学材料、物理及相关器件的研究得到了突飞猛进的发展,极大地推动了信息产业的变革式发展,尤其是磁存储密度的量级提升[3−5].以信息存储产业需求为先导,进一步降低器件尺寸和提高磁信息存储密度是科学家们普遍关注的热点问题之一.科学家们首先利用两组态的GMR[6]、隧穿磁电阻(TMR)[7]自旋电子学材料,通过降低其单元尺寸和减少薄膜厚度来提高这类器件的存储密度等物理性能指标.经过十余年的基础研究,基于TMR的磁性隧道结(MTJ)作为磁随机存储器单元得到了迅速发展.特别是,利用自旋转移矩[8]可以实现MTJ磁化翻转,加速其作为磁随机存储器单元的实用化进程,解决磁场诱导MTJ磁化翻转中磁场难以微型化的技术瓶颈.随着研究的不断深入,科学家们也逐步尝试利用新的物理效应[9](例如自旋轨道矩(SOT))推动TMR存储器件的继续发展.与此同时,随着TMR材料制备工艺的不断成熟,基于TMR的自旋电子学器件也逐步进入大规模信息存储产业中并得到实际应用.需要指出的是,科学家们发现当磁性器件的尺寸降低到一定程度时(如纳米级别),量子尺寸效应和热效应使得存储单元无法长时间正常工作甚至失效,这让数据保存的时间大幅度缩短,数据稳定性也随之降低.随着对自旋电子学器件微型化、集成化的需求不断提高,以GMR和TMR效应为基础的二组态自旋电子学材料遇到了前所未有的技术瓶颈,受到了摩尔定律和超顺磁极限的严重制约.与此同时,过去数十年中科学家们为了优化提高磁存储单元的核心指标—磁电阻比值而呕心沥血,但是在磁电阻比值经历了一段快速提升过程,室温下达到604%之后,便无法进一步提升.此外,TMR的最高比值仍未达到理论预期值[10−12],且与半导体二极管的开关比存在一定程度的差距,这也为磁信息存储的进一步发展蒙上一层阴影.从应用的角度来看,国家集成电路长远规划(2019—2026年)的蓝图中,高集成密度(3D(threedimensional)存储模式)、低能耗和高运算效率的电路模式将占据最高的优先级并成为产业化和商业化的首选.虽然科学家们也在不断探索利用多场调控等手段提高信息磁存储关键性指标,优化原有的二组态磁存储构架[13−17],但是仍无法完美地弥补二组态的固有短板.为了从根本上突破这一技术瓶颈,适应未来信息产业发展的需要,人们将研究的重点集中在新型自旋电子学材料的设计和基础物理问题的探索上.目前,主要的研究方向集中在两条主线上:1)继续探索新型磁性功能材料和具有新自旋结构的材料体系(例如基于畴壁运动的赛道存储器[18]、磁性斯格明子[19]等),优化二组态存储模式,提高存储密度;2)突破传统二组态存储模式,寻找具有空间多组态存储的新结构、新材料从而实现3D存储模式[20].基于这两大主要研究方向,科学家们做出了大量原创性的理论和实验工作,并在物理原理、材料设计和器件加工等多方面取得了重要性突破,一系列研究成果将进一步促进自旋电子学的蓬勃发展,同时为实现高密度新型信息磁存储奠定坚实基础.其中,霍尔天平是利用垂直磁性多层膜材料的反常霍尔效应所设计的新型自旋电子学材料,其核心为垂直铁磁层/隔离层/垂直铁磁层所构成的三明治结构.接下来,本文将重点介绍近期霍尔天平材料在新型信息存储器件中的现状、应用和未来可能的发展方向.

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