节能型自旋电子器件材料开发

自1980年代以来,互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术一直是半导体产业的主力。随着移动设备的重要性日益提高,对具有高可扩展性和低功耗且超越CMOS技术的需求更加迫切,磁电自旋轨道(MESO)逻辑即被认为是能超越CMOS的新兴技术。MESO包含两种转导机制:磁电转换和自旋-电荷的拓扑转换。台湾国立交通大学曾教授团队致力于发展这两种转导机制相关的关键材料,在室温下合成了同时具备铁电和反铁磁的新型磁电钙钛矿薄膜,当薄膜与铁磁层连接时,此异质结构可以实现电压控磁性,且可以在低电压范围(+/- 1伏)内非常有效地控制铁磁层的翻转。除此之外,该团队也研究了拓扑绝缘子的自旋轨道能量和铁磁体/重金属异质结构的无场自旋轨道转换。最终目标是将两个转换组件结合,形成具有低压(<1伏)可扩展互连的MESO逻辑,并证明相较于CMOS技术,MESO逻辑具有非挥发性和更优越的节能效果。

节能型自旋电子器件材料开发

晶体管技术尺寸减小是将电场运用于高品质绝缘闸极介电层,控制半导体的导电率;这项基础原则,自Moore和Dennard的开创性观察结果提出后便长时间未有任何改变。尽管晶体管大小的尺寸越来越小,电压和频率减小的进展却相当缓慢,进一步地降低电压,一直受到电流控制中波兹曼极限(室温下电流每次改变10倍,电压便会改变60 mV)的阻碍。为处理此问题,研究者已投入相当精力着手研发、发表并检验多种超越CMOS元件,然而,目前仍难以完成具有较佳能量效率、高逻辑密度(逻辑密度亦即每单位面积之运算函数数量) 、非挥发性(抵销泄漏功率)和高效能内连导线,而技术上合适的计算逻辑元件。

针对这点,研究团队在2019年发表了磁电自旋-轨道(MESO)元件,MESO元件由两项可微缩技术之转换机制构成:铁电/磁电切换机制和自旋流转电流之拓扑转换机制。该元件连接电内连导线,因此为电荷/电压驱动,并如上述代表图所示,产生电荷/电压输出。MESO元件由一磁电电容器、一铁电和一自旋流转电流转换模组组成;相较于CMOS技术,MESO元件有较佳的切换能量(10至30倍)、较低的切换电压(1/ 5倍),以及提升的逻辑密度(5倍);此外,其非挥发性使待机功率超低,这对现代运算是相当重要的。

曾教授的团队致力于发展与上述两种转换机制相关的重要材料,近年来合成了新的磁电钙钛矿材料GdNi x Fe 1-x O 3 (GFNO)。GFNO室温下在单斜晶结构内同时具备铁电和反铁磁性特性,GFNO的铁电极化最高至70 μC/cm 2,将其覆盖一层Co铁磁层后,完成的异质结构呈现电压控制磁性,此异质结构元件呈现两种显著特性。首先,其VCM取决于运用之偏电压的强度与极性,因此在固定电压下,可读出磁性状态数量倍增,此外,元件的磁矩能有效地在+/-1伏特内达成翻转,这两种特性能满足MESO元件对低功率、高纪录密度的需求。

自旋流转电流转换材料方面,依据我们对拓扑绝缘体的研究,着重在可调整自旋-轨道能量以及厚度和界面控制;我们也以铁磁-反铁磁异质结构为基础,开发出无磁场自旋-轨道切换元件。这些材料系统属于自旋-轨道耦合(SOC)材料,与MESO元件所需的磁电材料同等重要。

本研究团队的目标是整合两种材料系统(电磁和SOC),使具有非挥发性和高效能电荷式内连导线的可缩小超CMOS自旋电子逻辑元件得以发展。与CMOS相比,我们希望该元件能够(i)每次操作在能量上持续减少,接近至阿焦耳等级的切换能量;(ii)实质改善逻辑密度;(iii)因受电阻率的影响小,而改善内连导线的微缩性。我们所发展的技术,也需要有能与CMOS技术无缝整合的方式。我们相信,结合非挥发性和超低功率,MESO逻辑能发展出可免于对图灵架构、冯诺伊曼架构和阿姆达尔定律做出妥协的电脑架构;量子材料、创新整合与新逻辑架构的结合,则能发展出超越先进CMOS技术的运算。

作者简介 曾院介教授现为交通大学材料系特聘教授,同时担任国际事务处副处长。他是自旋电子学/磁性学方面的专家,曾组织许多国际磁性学会议并担任学术委员,并曾在2016年担任台湾同步辐射研究中心(NSRRC)用户执行委员会主席。文章来源 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11767

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