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项目名称    磁纳米异质结构的非易失性和可编程自旋逻辑器件(2017YFA0206200)
项目来源    国家重点研发计划
起始时间    2017-7~
项目经费    2920万元
项目类别    纵向项目
状态    进行中
项目优势    产品或工艺创新性突出 社会效益显著
技术优势   
可行性   
简介    研究背景:自旋逻辑(Spin Logic, SL)器件利用电子自旋进行逻辑运算。它兼有运算和存储功能，具有非易失、多功能、可编程、尺寸小、速度快、功耗低、寿命长、操作次数多等优点，是后“摩尔定律”时代有望大幅提升微电子器件性能、且欧美日韩争相开发的关键纳米技术。其中磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)的SL 与半导体工艺最兼容，已成为SL 的重点研发方向。同时，斯格明子(Skyrmion)作为小尺寸的新型磁结构，材料体系与MTJ 兼容，成为SL未来发展方向之一。本项目研究MTJ 和Skyrmion 的非易失SL，极具前瞻性、迫切性和可实现性，具有重要科学和应用价值。 研究目标:研制自旋轨道力矩(Spin Orbit Torque, SOT)和自旋转移力矩(Spin Transfer Torque, STT)操控的MTJ、Skyrmion 等磁纳米异质结构和非易失、多功能、可编程的SL 单元，并实现单元级联和多种布尔逻辑；研制4K 容量、集成CMOS、 计算存储融合的SL 芯片。 研究内容:(1)优化高性能MTJ 结构，研究其SOT、STT 等量子效应及作用机制，设计多功能和可编程的SL 单元及级联方法；(2)实现室温亚50nm 的Skyrmion，探索基于Skyrmion 等磁纳米异质结构且电学操控的非易失性SL 单元及级联方法； (3)开发兼容非易失SL 和CMOS 的电路模型及设计方法，研究计算与存储融合的新型计算机架构，实现包含加法器等的SL 原型芯片。 关键科学问题:在磁纳米异质结构中，STT 和SOT 等自旋量子效应产生的机制、对磁矩翻转的调控模式、Skyrmion 的形成与操控机制；实现以MTJ、Skyrmion 等磁纳米异质结构为SL 单元的器件原理。 关键技术:磁性超薄膜制备技术、电子束曝光等微纳米级加工技术、短脉冲电学测量技术、高分辨磁光克尔观测技术、高分辨洛伦兹透射电镜技术、非易失SL 器件和芯片的设计与晶圆加工及集成技术等。 技术路线：(1)通过先进薄膜制备技术，研制高性能的MTJ、Skyrmion 及其它磁纳米异质结构；(2)利用深紫外和电子束曝光等技术制备微纳米级SL 单元；(3)利用短脉冲电学测量技术、自旋分辨的实时观测技术等研究MTJ、Skyrmion 等磁纳米异质结构的自旋动力学特性；(4)设计出非易失性SL 与CMOS 混合集成、且计算与存储融合的原型芯片；(5)联手国内外微(磁)电子公司，加工4K 容量的模拟计算原型芯片。
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