北航新闻网7月19日电（通讯员 邓修齐）捷报频传，再启新程。北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队在超快低功耗磁存储器件领域取得新进展。在与CMOS兼容的晶圆级磁隧道结（MTJ）中，团队基于压控自旋轨道矩效应实现了最快达13.2ps的全电学写入脉宽新纪录，将磁存储器件的电学写入速度较现有水平提升一个数量级，使MTJ跻身迄今电学写入速度最快的晶圆级非易失存储器件之列，并深入揭示了电压调控自旋轨道矩写入磁动力学跨时间尺度演化的物理规律。成果以“Picosecond Switching of Magnetic Tunnel Junctions by Spin-Orbit Torque”为题，在线发表于国际顶级综合学术期刊《科学·进展》（Science Advances）。

研究背景：一场关于时间的竞赛

AI迅猛发展，摩尔定律逐渐失效，“存储墙”问题成为高带宽存储与计算之间亟待跨越的关键障碍。近日，“韬（tau）定律”引起半导体行业广泛关注：电子系统的演进逻辑正由几何缩微转向时间缩微，即压缩器件—电路—芯片—系统的时间常数。在最底层的器件级，存储单元的写入时延日益成为系统性能的关键约束。基于自旋轨道矩的磁随机存储器（SOT-MRAM）凭借非易失、高速、低功耗与CMOS工艺兼容等优势，被认为是缩短存储器写入时延的根技术之一。

图1 “存储墙”问题与磁存储解决方案，SOT-MRAM有望替代SRAM高速缓存

突破瓶颈：顶尖测试技术与国产自主先进存储器结合

目前，国际上MRAM器件最快的电学写入仍停留在百皮秒量级，进一步提升磁存储器件的电写入速度，是研发下一代高带宽存储器与存算一体技术的关键。

面对这一挑战，团队自主创新构建了覆盖秒至十皮秒范围、跨越11个数量级的电学写入与动态探测平台。首先，从材料、工艺到系统全链条自主研发的高功率皮秒级电脉冲源与测试技术，填补了10~100ps区间电学脉冲测试方案的空白；其次，110 GHz高带宽链路将待测器件、脉冲源与其他仪表相连，可兼容由不同工艺制备的电子器件，并确保测试条件的高度一致性；最后，基于光电技术的触发同步实现了超高时间分辨率的磁电阻监测，用于揭示超快翻转的磁动力学演化过程。

图2 团队研发的跨时间尺度（皮秒-秒）电学写入与动态探测平台。该平台已用于测试国产工业级SOT-MRAM阵列，阵列器件具有较高磁电阻和热稳定性

依托这一顶尖测试平台，团队系统研究了type-ySOT-MTJ的超快电写入特性。在零外磁场条件下，系统测量了不同脉宽下的翻转几率与阈值，并实现最快13.2ps电脉冲驱动的确定性写入。团队进一步在器件顶电极上叠加栅压，借助自旋矩协同效应，器件实测写入能耗低至232fJ/bit，经电极尺寸优化后有望进一步降至约30fJ/bit。器件写入寿命超过10¹²次，隧穿磁电阻TMR达85.7%、热稳定势垒因子Δ大于64，足以在室温下保存十年以上。晶圆级磁存储器由北航集成电路科学与工程学院与致真存储（北京）科技有限公司联合研发，介质、器件、设计与工艺完全自主可控。研究成果展示了第三代磁存储器SOT-MRAM极致的速度与每比特能耗优势。

首次发现：压控自旋轨道矩效应的跨时间尺度U型演化曲线

在实现皮秒级超低功耗写入之后，团队还分析了压控磁各向异性与自旋轨道矩的跨时间尺度协同效应，首次观察到非单调的U型曲线：电压调控SOT效率在长脉冲下显著，进入亚纳秒区间后近乎消失，在皮秒尺度又重新恢复。团队对写入脉宽、栅压与器件展开了系统的参数扫描，这一发现在多个不同器件上均可重复。

图3 三端口磁隧道结的全电学皮秒磁化翻转和压控自旋轨道矩效率随时间尺度演化的完整图谱

理论分析与微磁学模拟给出了解释：从直流到皮秒，磁矩翻转的主导机制依次经历热激活、非相干进动与相干进动三个阶段——十纳秒以上区间，电压直接影响热稳定性势垒进而改变翻转概率；纳秒至亚纳秒区间的电压调控在宏观上“失效”，源于成核进动促进与畴壁位移迟滞的相互抵消；而皮秒区间的相干进动，则允许电压对磁各向异性的直接调控。电压调控效果作为一支“探针”，映射出自旋轨道矩写入动力学的微观机制随时间尺度演化的完整图谱，为超快自旋器件的进一步优化设计提供了重要依据。

面向应用：为突破存储墙提供思路

该成果首次将晶圆级非易失存储器件的全电学写入推进至皮秒尺度，打通了超快磁学研究从薄膜材料走向实用存储单元的关键一环。皮秒级写入速度已可与先进CMOS逻辑的时钟节拍相衔接，加之非易失、低功耗、抗辐照与晶圆级制备的固有优势，这类器件有望在高速缓存等传统SRAM主导的层级中获得应用空间——在SRAM 6T单元尺寸缩微基本停滞的现实下，为缓存器件读写时延的进一步压缩、突破AI时代存储墙提供思路。从实验室演示到芯片应用，先进工艺开发与规模验证仍有一段路要走，团队将沿此方向持续深耕，不断突破极限。

赵巍胜教授团队长期深耕超高速、超低功耗磁存储器件和自旋芯片技术研发，相关系列成果先后发表于Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、PNAS、IEDM等国际权威期刊和会议。

北京航空航天大学为第一完成单位，该项研究由杭州市北航国际创新研究院自旋芯片与技术全国重点实验室、北航集成电路科学与工程学院、致真存储（北京）科技有限公司合作完成。成果共同第一作者包括北航博士生肖晨、副教授蔡文龙、博士生马鼎昊和致真存储张洪超博士、曹凯华博士，通讯作者为蔡文龙副教授与赵巍胜教授。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、卓越青年科学家计划、科学探索奖、北航高水平学生科技创新团队支持项目等资助与支持。

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed0607.

(审核：高静)

编辑：史越