存算體及人工智能神經網絡芯片采用非馮諾依曼架構體系，可大降低數據的訪問延遲和傳輸能耗，提升計算速度。SOT-MRAM以其高速、高耐久度等點，在此類應用中將發揮巨大的勢。當前，存算體和人工智能神經網絡芯片域亟需種全線性的多態存儲器件（圖1b），以便為人工智能神經網絡的神經元、突觸、存內計算等提供硬件支撐。但現有的SOT多態磁性存儲器件及其他類型的存儲器件大都是非全線性的（圖1a），其輸入-輸出曲線的部分區域為線性，其他部分為非線性區，要使器件工作在線性區需要額外的時間、能耗和電路開銷，阻礙了其在高速、低功耗和高集成密度的存算體及人工智能神經網絡芯片方面的應用^[1]。

圖1、（a）目前的多態存儲器件，（b）理想的全線性存儲器件，（c）目前電流磁化翻轉曲線，（d）通過調節DMI和交換耦合實現的線性磁化翻轉曲線。

今年5月，微電子所楊美音副研究員和博士研究生李彥如為共同作者，微電子所導中心羅軍研究員和半導體所王開友研究員為通訊作者，在Physical Review Applied期刊上發表了題為“All-linear multistate magnetic switching induced by electrical current"的學術論文^[2]，該團隊合作研制出全線性的電流誘導多態自旋軌道矩（SOT）磁性存儲器件，并實現了低能耗、可編輯的突觸功能，對基于SOT-MRAM的低功耗存算體邏輯和神經形態計算提供了種新方法。

圖2、（a）離子注入引起的全線性磁化翻轉，（b）局域離子注入注入實現的可編譯的突觸功能。

為了獲得全線性的多態磁性存儲器件，該團隊在理論上模擬調節磁性材料中的“DMI效應"和“交換耦合效應"的比例，發現可將非全線性的磁化翻轉曲線調控成全線性的磁化翻轉曲線（圖1c，d）。該理論預測的結果獲得了實驗驗證。該團隊在本次工作創新的采用離子注入工藝，成功調節了普通磁性材料中“DMI效應"和“交換耦合效應"的比例，實現了SOT磁性存儲器件的全線性磁化翻轉（圖2a）。同時，通過局域的離子注入，實現了無外場的線性多態存儲和突觸功能。該突觸可在同超低電流脈沖下實現興奮和抑制功能，并具備可編譯性。

圖3 面內場Hx下垂直磁場脈沖作用的磁疇壁運動速度。樣品(a) S1, (b) S2, 和 (c) S3. 插圖分別是面內場Hx（負、零和正）下的磁疇壁運動的軌跡。(d) 測量的A和D值。

本項工作中樣品的磁動力學過程觀測，磁疇壁運動速度和DMI作用測量的工作由北京航空航天大學張學瑩老師組合作提供（如圖3），此系列測量表征工作用了北航-致真團隊自主研制的多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統，該系統除了能夠獲得高分辨率的動態磁疇觀測外，在磁性薄膜材料和自旋電子器件動力學分析域也有著突出的勢，它自帶了磁場探針臺，能夠讓用戶用軟件定義電、磁等多種想要的波形，在進行電輸運測量的同時，觀察器件磁疇的變化，鍵觸發后，在樣品上同步施加垂直/面內磁場、電流脈沖、微波信號，并同步采集克爾圖像信息，能夠直觀、高效、無損地測量多種參數，包括飽和磁化強度、各向異性強度、海森堡交換作用強度和DMI強度等，是傳統的磁光克爾顯微鏡所不具備的。

圖4 多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統

產品基本參數：

? 向和縱向克爾成像分辨率可達300 nm；

? 配置二維磁場探針臺，面內磁場高達1 T，垂直磁場高達0.3 T（配置磁場增強模塊后可達1.5 T）；

? 快速磁場選件磁場反應速度可達1 μs；

? 可根據需要選配直流/ 高頻探針座及探針；

? 可選配二次諧波、鐵磁共振等輸運測試；

? 配置智能控制和圖像處理系統，可同時施加面內磁場、垂直磁場和電學信號同步觀測磁疇翻轉；

? 4K~800K，80K~500K 變溫選件可選。

參考信息：

[1] //www.ime.ac.cn/zhxx/zhxw/202105/t20210521_6036245.html

[2] M Yang et al., PHYSICAL REVIEW APPLIED 15, 054013 (2021)

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