SOT MRAM的原理与发展近况(二)

SOT MRAM既然使用了不同于STT MRAM的翻转机制，在元件结构上也自然不同。STT MRAM的读、写电流均直接垂直通过MTJ；而SOT MRAM的读取电流如旧，但写入电流则依靠与自由层平行邻接的材料中流过的电流，带动二者界面上的自旋轨道作用所产生的转矩，用以翻转自由层的磁矩。

SOT MRAM用以产生自旋轨道转矩的材料基本上有2类，一类是重金属，一类是拓朴絶缘体。重金属如W、Pt、Ta等表面具有强烈自旋轨道作用的金属，这是从半导体材料角度喜欢的硏究取向，因为熟悉；拓朴绝缘体如Bi₂Se₃，这类材料是做物理、材料人的最爱，因为有创新。

用以衡量这些材产生自旋轨道转矩效率的参数叫自旋霍尔角度(spin Hall angle)，简单来説，自旋霍尔角度是自旋流和电流绝对值的比值，角度值愈大，电流翻转磁矩的效率愈髙。去年在SOT MRAM材料最大的进展是发现Bi_0.9Sb_0.1拓朴绝缘体具有巨大的自旋霍尔角度。一般重金属的自旋霍尔角度在0.4以下，拓朴绝缘体可以逹个位数甚至接近20，但拓朴绝缘体的导电只靠表面态(surface state)，材料中心(bulk)是绝缘体，总电导(conductance)很低，要比重金属低1~2个数量级，所以功耗小不了。但是Bi_0.9Sb_0.1的自旋霍尔角度髙达54，而电导与重金属相若，所以功耗超低。如果Bi_0.9Sb_0.1可以真的用于SOT MRAM，则写入速度可以快20倍，单元密度可以大10倍，一举将SOT MRAM推向联合存储器(united memory)的宝座。这是去年材料界的盛事，发表于《Nature Materials》(注1)。

由于转矩的机制改变，元件结构跟着改变，也带来新的挑战。第一个是STT MRAM是2-terminal元件，而SOT MRAM有可能是3-terminal元件——如果没有特别的工程努力的话。主要原因是STT MRAM读、写使用同一线路，所以只需要2个端点；而SOT MRAM读自读、写自写，因此需要额外的端点。这在设计上是个麻烦，而且增加单元面积。所幸这问题已有解决方式，譬如在去年的《Nature Electronics》(注2)中显示SOT用来产生转矩的电流在此导线平面中流动，而与自由层接触的出平面(out-of-plane)电流可以用来读信号，只要这两种电流的大小可以操控得宜，读与写的结构又可以合而为一，成为2-terminal元件。

另一个问题是自旋轨道转矩的翻转机制只能将自由层的磁矩翻转至其垂直于原来方向，最后稳定的方向还得有方法调整、指定。最想当然尔的方式是外加磁场，但这是设计元件的人最不愿意看到的事。基本上要能够在元件结构上创造不对称(asymmetry)，让磁矩翻转后倒向的方向可以控制。最近赖、林两位教授发现SOT可以导致交换偏压(exchange bias)的偏移，在元件设计的用处之一就是造成元件的不对称，这结果也发表在今年2月的《Nature Materials》上。

如果要为SOT现阶段的发展做一个小结，那会是基础机制大致齐备，但工程尚待努力。做得出工作样品的极为有限，而其特性差理想值还甚远。但也不用太悲观，毕竟当初STT MRAM也是这麽过来的。

注1：Nature Materials 17, p. 808~813 (2018).

注2：Nature Electronics 1, p. 508~511 (2018).