近日，上海科技大学信息科学与技术学院后摩尔中心（PMICC）寇煦丰课题组联合沙特阿卜杜拉国王科技大学张锡祥团队，在美国旧金山举行的第70届国际电子器件会议(International Electron Device Meeting, IEDM)上，以题为“Field-Free Rashba-Type Crystal Torque MRAM with High Efficiency and Thermal Stability”报告了新型磁存储器（MRAM)最新研究成果。IEDM自1955年创办以来，一直是国际半导体技术界的权威会议和风向标，为全球集成电路领域提供了一个展示技术突破的重要平台。此次上海科技大学再次以第一完成单位在IEDM上发表论文，体现了学校在微电子领域的科研实力和影响力的持续增强。
当前，数据驱动的新计算范式对存储需求呈现爆炸式增长，市场迫切需要高速、低能耗的新型存储器件。MRAM 因其兼具非易失性、高读写速度（1 ns）、高擦写次数（1015）的特点，被视为下一代存储技术的重要候选，受到全球半导体厂商的高度关注。然而，当前主流的电流型STT-MRAM面临可靠性和可扩展性方面的挑战，而下一代自旋轨道矩磁存储器（SOT-MRAM）对辅助磁场的依赖，始终是制约其大规模商业化应用的关键难题之一。
在前期研究中，寇煦丰课题组充分发挥窄禁带化合物半导体InSb自旋轨道耦合效应强、迁移率高的优势、以及其与CdTe在晶格匹配方面的协同效应，采用分子束外延（MBE）技术成功制备了高质量的3英寸InSb/CdTe异质结薄膜，并验证了界面诱导的强自旋轨道矩效应（IEDM-2021）。在此基础上，本次研究通过引入AlInSb/InSb/CdTe量子阱结构，将体系电荷-自旋流转换效率提升了 45.6%，显著降低了 SOT-MRAM 所需的翻转电流密度。研究还发现InSb（111）晶体的闪锌矿结构可以打破空间对称性破缺，从而产生显著的面外晶体力矩（Crystal-Torque, CT），实现CT-MRAM器件在无外场辅助下的可靠写入操作。相较于其他无磁场翻转方案，本工作揭示的晶体力矩机制不仅简化了器件结构并提升了写入操作的便捷性，更因其内禀特性，可在40℃至+125℃的工作温区内稳定工作，且写入电流密度较其他几类SOT-MRAM器件降低了1-2个量级。该研究为破解传统 MRAM 商业化瓶颈提供了新思路，有望加速 SOT-MRAM 的产业化进程，满足智能化时代的数据存储需求。
上海科技大学是该成果的第一完成单位，信息学院后摩尔中心寇煦丰课题组2021级硕士研究生黄浦阳、2022级博士研究生姚珊、2020级博士研究生职正航和阿卜杜拉国王科技大学陈爱天为文章共同第一作者，寇煦丰教授和张锡祥教授为共同通讯作者。
图1 | 基于AlInSb/InSb/CdTe量子阱结构的CT-MRAM器件
图2 | 无辅助磁场CT-MRAM器件实现40℃至+125℃温度区间的高效工作
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