磁纳米异质结构的非易失性和可编程自旋逻辑器件(2017YFA0206200)


项目来源 国家重点研发计划 起讫时间 2017-7~
项目经费 2920万元 项目类别 纵向项目
承担角色 骨干成员 项目状态 进行中
项目优势 产品或工艺创新性突出 社会效益显著
技术优势
可行性
项目简介
研究背景:自旋逻辑(Spin Logic, SL)器件利用电子自旋进行逻辑运算。它兼有运算和存储功能,具有非易失、多功能、可编程、尺寸小、速度快、功耗低、寿命长、操作次数多等优点,是后“摩尔定律”时代有望大幅提升微电子器件性能、且欧美日韩争相开发的关键纳米技术。其中磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)的SL 与半导体工艺最兼容,已成为SL 的重点研发方向。同时,斯格明子(Skyrmion)作为小尺寸的新型磁结构,材料体系与MTJ 兼容,成为SL未来发展方向之一。本项目研究MTJ 和Skyrmion 的非易失SL,极具前瞻性、迫切性和可实现性,具有重要科学和应用价值。

研究目标:研制自旋轨道力矩(Spin Orbit Torque, SOT)和自旋转移力矩(Spin Transfer Torque, STT)操控的MTJ、Skyrmion 等磁纳米异质结构和非易失、多功能、可编程的SL 单元,并实现单元级联和多种布尔逻辑;研制4K 容量、集成CMOS、
计算存储融合的SL 芯片。

研究内容:(1)优化高性能MTJ 结构,研究其SOT、STT 等量子效应及作用机制,设计多功能和可编程的SL 单元及级联方法;(2)实现室温亚50nm 的Skyrmion,探索基于Skyrmion 等磁纳米异质结构且电学操控的非易失性SL 单元及级联方法;
(3)开发兼容非易失SL 和CMOS 的电路模型及设计方法,研究计算与存储融合的新型计算机架构,实现包含加法器等的SL 原型芯片。

关键科学问题:在磁纳米异质结构中,STT 和SOT 等自旋量子效应产生的机制、对磁矩翻转的调控模式、Skyrmion 的形成与操控机制;实现以MTJ、Skyrmion 等磁纳米异质结构为SL 单元的器件原理。

关键技术:磁性超薄膜制备技术、电子束曝光等微纳米级加工技术、短脉冲电学测量技术、高分辨磁光克尔观测技术、高分辨洛伦兹透射电镜技术、非易失SL 器件和芯片的设计与晶圆加工及集成技术等。

技术路线:(1)通过先进薄膜制备技术,研制高性能的MTJ、Skyrmion 及其它磁纳米异质结构;(2)利用深紫外和电子束曝光等技术制备微纳米级SL 单元;(3)利用短脉冲电学测量技术、自旋分辨的实时观测技术等研究MTJ、Skyrmion 等磁纳米异质结构的自旋动力学特性;(4)设计出非易失性SL 与CMOS 混合集成、且计算与存储融合的原型芯片;(5)联手国内外微(磁)电子公司,加工4K 容量的模拟计算原型芯片。