存算一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、高耐久度等優點，在此類應用中將發揮巨大的優勢。當前，存算一體和人工智能神經網絡芯片領域亟需一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一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，微電子所先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的低功耗存算一體邏輯和神經形態計算提供了一種新方法。
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。該突觸可在同一超低電流脈沖下實現興奮和抑制功能，并具備可編譯特性。
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利用了北航-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領域也有著突出的優勢，它自帶了磁場探針臺，能夠讓用戶利用軟件定義電、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，一鍵觸發后，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] http://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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