中科院微电子所突破亚纳秒MRAM技术

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近年来，磁随机存储器（MRAM）凭借其卓越的性能受到了工业界与学术界的广泛关注。然而，由于其物理尺寸难以缩小至DRAM/NAND水平，以及写入速度无法达到SRAM（小于1纳秒，即十亿分之一秒）的标准，MRAM在主流存储器市场中处于一种容量难以匹敌DRAM/NAND，而速度又无法与SRAM媲美的两难境地。MRAM写入速度受限于SRAM的根本原因在于其利用电流产生的阻尼自旋矩来操控存储层，从而实现“0”和“1”状态的切换。在STT-MRAM及自旋极化与磁矩方向一致的SOT-MRAM中，这种阻尼自旋矩会在“0”和“1”状态转换时引发磁矩的进动现象，这一过程通常需要持续2至10纳秒，严重制约了MRAM的写入效率。

针对这一物理机制上的局限性，中国科学院集成电路制造技术全国重点实验室的三维存储器件与工艺研究小组发现了一种全新的类场自旋矩效应，该效应能够实现无磁矩进动且无需外部磁场的超快速电写入方式，从根本上解决了MRAM在高速度与高密度集成方面所面临的物理难题。实验数据显示，在比目前广泛采用的阻尼自旋矩写入机制所需的电流低一个数量级的情况下，仅需200皮秒（0.2纳秒），即可完成“0”和“1”状态的稳定切换，同时展现出优于SRAM的数据保持能力和更高的集成密度。这项突破性进展预计将在人工智能和高性能计算等领域率先得到实际应用。

这项研究以“Subnanosecond in-plane magnetization switching induced by fieldlike spin-orbit torques from ferromagnets”为标题发表于《Physical Review Applied》期刊（2025年，第23卷，第044041期；链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.044041）。微电子研究所博士研究生张晗颖担任该论文的第一作者。

本项研究得到了北京市自然科学基金重点项目、国家自然科学基金以及中国科学院战略性先导科技专项等多项资助的支持。

（a）阻尼矩写入过程示意图；（b）类场矩写入过程示意图；（c）0.2纳秒写入脉冲引起的高低态转变图；（d）写入电流密度与写入脉宽之间的关系曲线。

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