Nature：面向非易失性自旋电子存储器的二维材料

随着人类社会向着进一步信息化和智能化社会的转型，低功耗存储技术将在从嵌入式存储器到物联网上大规模推广应用。而非易失性磁随机存取存储器（MRAM），如自旋转移转矩MRAM和下一代自旋轨道转矩MRAM，正在成为实现未来低功耗技术的关键。近年来，基于二维范德华异质结构的器件的发展和性能带来了具有前所未有的材料性质，有望为新型自旋电子存储器件开辟新的可能。

近日，来自新加坡国立大学Hyunsoo Yang和西班牙加泰罗尼亚纳米科技研究所的Sergio O. Valenzuela 和Stephan Roche教授领导的国际研究团队联合在Nature上以Two-dimensional materials prospects for non-volatile spintronic memories为题发表综述文章，概述了非易失性磁随机存取存储器的当前发展和挑战，总结了二维材料技术给未来MRAM存储器技术可能带来的机遇。文章不仅分析了二维材料如何为未来自旋电子存储器技术提供的颠覆性解决方案，而且展望了未来自旋电子存储器技术的发展路线图。

图1 非易失性磁随机存取存储器单元的基本现象和二维材料前景。

图源：Nature606, 663–673 (2022).

新兴技术通常在达到成熟生产阶段之前会经历一个成长周期。例如，1989年，当NAND闪存首次商业化时，它与传统的非易失性存储器（如电可擦除可编程只读存储器）产生了激烈的竞争。即使1995年其市场规模已经达到18亿美元以上 ，半导体行业仍然不确定这项技术是否最终真的会取代非易失性存储器。然而，MP3播放器和智能手机等新应用迅速增加了终端需求，推动了NAND flash的开发，以降低每比特的成本，从而实现了三维NAND flash创新。

而如今，消费类电子产品的移动性和小型化趋势不断推动NAND闪存市场的发展， 2020年其市场规模已超过500亿美元。相比之下，尽管自旋电子存储器在低功耗和速度方面的潜力已被证明，但就市场规模而言，它们仍处于发展期。

最先进的新一代磁随机存取存储器（非易失性磁随机存取存储器）基于自旋传递转矩机制，已经在一些细分市场取得了重大成功。然而，可以预见，在不久的将来，非易失性磁随机存取存储器市场将通过解决各种嵌入式应用程序（包括神经网络和内存计算）中的功率和数据传输挑战而显著扩大。考虑到嵌入式新兴非易失性存储器市场预计将从2019年的两千万美元增长 达到2025年的25亿美元 ，它将有力地推动非易失性磁随机存取存储器的增长，就像移动消费电子产品在过去推动了NAND闪存的增长一样。

为了实现这种增长，非易失性磁随机存取存储器技术必须应对各种各样的技术挑战，而这些挑战需要材料和设备集成的突破。在这方面，二维材料可以发挥关键作用。事实上，自从石墨烯被发现之后，相关二维材料家族不断壮大，二维材料已经成为潜在超紧凑设备架构或自旋信息处理全新概念的潜在推动者。基于二维材料的自旋电子器件的科学进展，以及二维材料与传统微电子材料大规模共集成的最新进展，为开发创新的非易失性磁随机存取存储器技术开辟了广阔的前景。

图2 最先进的非易失性磁随机存取存储器技术。

图源：Nature606, 663–673 (2022).

非易失性磁随机存取存储器技术构建在磁性隧道结（MTJ）上，磁性隧道结由两个由薄绝缘体分隔的铁磁（FM）层组成。其中一个FM层（称为自由层FL）存储信息，而另一个层（参考层RL）为读取自由层信息提供稳定的参考。目前已经出现了两种依靠电动产生的自旋电流来控制自由层磁化的主要技术：自旋转移转矩（STT）和自旋轨道转矩（SOT）。

自旋转移转矩概念于1996年首次引入，并于2005年在自旋转移转矩-非易失性磁随机存取存储器芯片级实现。通过磁性隧道结注入垂直电流，可以在双端几何形状中观察到自旋转移转矩。通过势垒的电流隧道是自旋极化的，由于角动量的转移，足够大的电流会导致自由层磁化反转。自由层和参考层的相对磁化方向决定了器件的电阻，该电阻由隧道磁电阻（TMR）监测。

自旋轨道转矩-非易失性磁随机存取存储器基于三个终端设备，其中在自由层附近添加了额外的导电路径。由于自旋霍尔效应和/或Rashba–Edelstein效应，流经该路径的电荷电流导致自旋极化电流注入自由层。在这种器件中，自旋轨道转矩可以在不通过磁性隧道结隧道势垒的情况下切换自由层磁化。以增加另一个端子为代价，写入和读取电流路径的解耦可防止读取操作期间的写入错误，并降低电压击穿风险。通过允许自旋扭矩方向独立于堆栈中的各向异性方向进行设置，它进一步实现了多功能单元设计。使用自旋轨道转矩，在皮秒时间尺度上观察到磁化切换。

图3 将二维材料集成到非易失性磁随机存取存储器技术中的挑战。

图源：Nature606, 663–673 (2022).

材料的发展使自旋转矩记忆技术取得了重大进展。然而，到目前为止，学术界仅确定了有限数量的最佳材料组合；尤其是，近二十年来，由于尚未找到替代方案，CoFeB/MgO一直发挥着重要作用。因此，非易失性磁随机存取存储器技术面临着严重的限制，威胁着其未来的发展和广泛的部署。

近年来，各种新出现的二维材料和异质结构显示出解决上述问题和挑战的潜力。在单层原子材料中，二维材料具有原子级的厚度，其界面原子无悬挂键，非常光滑。通过范德华相互作用，它们相互作用较弱，元素混合最少。此外，鉴于其原子薄的性质，它们的性质可以通过外部电场或邻近效应来调节。它们以金属、绝缘、半导体、铁磁和反铁磁的形式存在，没有或具有破坏的晶体对称性，并且可以以任何优选的组合和顺序堆叠。

因此，二维材料的特性和多功能性使其对自旋电子学，尤其是对存储技术非常有吸引力，因为存储技术强烈依赖超薄材料及其界面来实现所需的功能。虽然基于二维材料的技术远未达到基于MgO/CoFeB的磁性隧道结的成熟水平，但范德华异质结构在自旋电子学研究中正发挥着越来越突出的作用。

图4 自旋转矩存储器技术发展路线图。

图源：Nature606, 663–673 (2022).

今天，各种内存技术在计算、数据存储和嵌入式应用程序中相互补充。图4概述了非易失性磁随机存取存储器的未来发展路线图。自旋转移转矩-非易失性磁随机存取存储器已经商业化，用于存储设备和服务器以及可穿戴电子设备中的永久性内存。非易失性磁随机存取存储器正在培育关键的新兴市场，如可穿戴、汽车、物联网、生物传感器、各种高速缓存和缓冲存储器应用。近年来，非易失性磁随机存取存储器在嵌入式非易失性内存市场中正发挥着核心作用。

实际中，每种应用的要求都有很大差异。闪存更换自旋转移转矩-非易失性磁随机存取存储器需要高数据保留率（>20 年），但耐久性很低。相比之下，静态随机存取存储器替换自旋转移转矩-非易失性磁随机存取存储器需要高耐久性和高带宽。

文章指出，当磁性隧道结特征尺寸预计低于30–40 nm时，目前学术界还未知如何使用传统材料实现14 nm节点以外的芯片尺寸缩放。目前使用散装材料和传统氧化镁基磁性隧道结的技术，包括PMA和隧道屏障粗糙度，将在多个方面达到极限。

在这种背景下，基于二维材料的自旋电子器件的发展非常引人注目，将为技术进步提供新的机会。特别是，最近有研究人员在包含二维材料的堆叠中观察到自旋轨道转矩的磁化切换。未来几年，通过二维材料规模化生产等努力，将加快在fab环境中大规模集成二维材料，这将是第一个将石墨烯和层状材料集成到半导体平台中的成功案例。

因此，文章认为，二维材料的大家族可以为非易失性自旋转矩存储器技术的未来发展制定路线图。虽然许多技术材料和技术挑战仍然存在，但是鉴于取得进展的速度前所未有，以及发现和表征新二维材料的速度很快，二维材料的产业化应用指日可待。这不仅有可能为基于二维材料的非易失性存储器技术的进一步商业化开发提供框架，还可以作为探索基于自旋逻辑和功能化等其他自旋电子学设备的开拓者。

参考文献：

[1] Yang, H., Valenzuela, S.O., Chshiev, M. et al. Two-dimensional materials prospects for non-volatile spintronic memories. Nature606, 663–673 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04768-0