半导体所垂直自旋器件集成研究迎新进展

作为后摩尔时代突破传统半导体芯片速度与功耗物理极限的关键方向，基于自旋轨道矩效应的第三代自旋芯片已成为英特尔、三星、台积电等国际半导体巨头的核心布局赛道。其中，采用垂直磁化比特的自旋芯片因兼具更高热稳定性与数据保持时间，成为自旋电子学领域的研发重点，但如何以可高密度集成的方式实现高能效全电写入，长期以来是制约其产业化的关键技术难题。近日，中国科学院半导体研究所朱礼军研究员团队在该领域取得重大技术突破，相关成果为第三代自旋芯片的硅基集成与产业化应用奠定了重要基础。

据悉，朱礼军团队创新性提出通过合金化大幅提升垂直自旋产生效率的新方法，选用轻金属 Cu 重掺杂自旋霍尔金属 Pt 制备出 Pt0.5Cu0.5 合金。实验结果显示，该合金实现了垂直自旋扭矩 5 倍以上的增强 效应，这一材料层面的创新为自旋器件的高能效运行提供了核心支撑。在此基础上，团队基于 4 吋热氧化硅晶圆，在高垂直各向异性 FeCoB 器件阵列中完成了全电写入验证，成功实现 100% 翻转比例的同时，所用电流密度仅为 1.8×107 A/cm2。这一数值刷新了行业纪录，成为目前公开报道中所有兼容 CMOS 集成的全电写入方案中的最低值，标志着我国在垂直自旋器件的硅基集成与低功耗设计领域达到国际领先水平。

此次突破并非一蹴而就，而是朱礼军团队长期深耕自旋轨道矩器件领域的成果积累。此前，该团队已率先提出利用电场对称性破缺在自旋轨道矩器件中诱导垂直自旋的全新机制，并研发出实现晶圆级全电写入的普适技术方案，该普适技术方案摒弃了传统设计对组分 / 厚度梯度、单晶结构的依赖，还具备 400℃以上的热稳定性，适配半导体行业主流的晶圆级制造工艺，被 IEEE 磁学协会韩国分会主席 Byong-Guk Park 教授高度评价为 “兼容高密度集成和晶圆级制造的全电写入方案”。

从材料创新到器件集成，从机制突破到工艺适配，朱礼军团队的系列研究成果持续破解第三代自旋芯片的核心技术瓶颈。此次实现的超低电流密度全电写入，不仅大幅降低了自旋器件的运行功耗，其基于 4 吋热氧化硅晶圆的器件阵列验证，更直接实现了与 CMOS 工艺的兼容适配，为自旋芯片的高密度硅基集成扫清了关键障碍。

未来，随着该技术在晶圆尺寸、器件集成度上的进一步突破，有望推动自旋电子学在存储器、计算芯片等领域的规模化应用，为后摩尔时代的半导体产业发展注入全新动力。