随着摩尔定律逐渐走到物理极限，传统半导体芯片的功耗与速度瓶颈越来越难以突破，而基于电子自旋属性的新一代芯片，被认为是突破这一困境的核心技术方向。近日，中国科学院半导体研究所的研究团队，就在第三代自旋芯片的核心关键技术上，取得了重要的突破性进展。
我们熟悉的传统半导体芯片，依靠电子的电荷属性来存储和处理数据，而自旋芯片则是利用电子的自旋状态来实现信息的读写，理论上拥有速度更快、功耗更低、非易失性的优势。
其中，基于 \\ 自旋轨道矩（Spin-orbit torque，SOT）\\ 效应的第三代自旋芯片，更是被英特尔、三星、台积电等国际半导体巨头重点布局的技术路线，它有望彻底突破传统芯片面临的物理极限，解决当下芯片的功耗与速度难题。
如果采用垂直磁化比特来构建这类自旋芯片，还能实现更高的热稳定性和更长的数据保持时间，让存储的数据更稳定、更持久。但一直以来，这类器件都面临着一个核心难题：如何以可高密度集成的方式，实现高能效的全电写入？简单来说，就是怎么用很小的电流，就能完成数据的写入，同时还要能和现有的 CMOS 集成工艺兼容，这样才能大规模量产。
图源：Walden Kirsch/Intel
这次，中科院半导体所朱礼军研究员的团队，就提出了一个全新的解决思路：通过合金化的方式，大幅提高垂直自旋的产生效率！
团队将轻金属 Cu，重掺杂到自旋霍尔金属 Pt 当中，制备出了 Pt₀.₅Cu₀.₅的合金材料。这么简单的组分调整，居然带来了惊人的性能提升：垂直自旋扭矩的效率，直接增强了 5 倍以上！
靠着这个新的合金材料，团队在 4 英寸的热氧化硅晶圆上，成功制备出了高垂直各向异性的 FeCoB 器件阵列，并且实现了超低电流密度下的 100% 全电写入—— 这个写入的电流密度，仅仅只有 1.8×10⁷ A/cm²！
更重要的是，这是迄今为止，所有公开报道的、兼容 CMOS 集成的全电写入方案当中，最低的电流密度！这意味着，未来这类自旋芯片的写入功耗，能做到比之前的方案低得多，同时整个工艺还能和现有的硅基集成工艺完美兼容，完全具备大规模量产的潜力。
本次研究的所有结果，都基于严谨的实验测试与表征，用到扫描电子显微镜、透射电子显微镜、自旋轨道矩性能测试系统等仪器。
目前，这项研究的相关成果，已经发表在国际知名材料学期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上，相关工作也得到了国家自然科学基金委员会、科学技术部等的资助与支持。
这项突破，不仅解决了垂直自旋器件全电写入的功耗瓶颈，还实现了与硅基集成工艺的完美兼容，为第三代自旋芯片的大规模量产，扫清了一个关键的技术障碍。未来，我们有望看到基于这项技术的国产低功耗自旋芯片，走进更多的应用场景当中。
