SOT MRAM的原理與發展近況(二)

SOT MRAM既然使用了不同於STT MRAM的翻轉機制，在元件結構上也自然不同。STT MRAM的讀、寫電流均直接垂直通過MTJ；而SOT MRAM的讀取電流如舊，但寫入電流則依靠與自由層平行鄰接的材料中流過的電流，帶動二者界面上的自旋軌道作用所產生的轉矩，用以翻轉自由層的磁矩。

SOT MRAM用以產生自旋軌道轉矩的材料基本上有2類，一類是重金屬，一類是拓樸絶緣體。重金屬如W、Pt、Ta等表面具有強烈自旋軌道作用的金屬，這是從半導體材料角度喜歡的硏究取向，因為熟悉；拓樸絕緣體如Bi₂Se₃，這類材料是做物理、材料人的最愛，因為有創新。

用以衡量這些材產生自旋軌道轉矩效率的參數叫自旋霍爾角度(spin Hall angle)，簡單來説，自旋霍爾角度是自旋流和電流絕對值的比值，角度值愈大，電流翻轉磁矩的效率愈髙。去年在SOT MRAM材料最大的進展是發現Bi_0.9Sb_0.1拓樸絕緣體具有巨大的自旋霍爾角度。一般重金屬的自旋霍爾角度在0.4以下，拓樸絕緣體可以逹個位數甚至接近20，但拓樸絕緣體的導電只靠表面態(surface state)，材料中心(bulk)是絕緣體，總電導(conductance)很低，要比重金屬低1~2個數量級，所以功耗小不了。但是Bi_0.9Sb_0.1的自旋霍爾角度髙達54，而電導與重金屬相若，所以功耗超低。如果Bi_0.9Sb_0.1可以真的用於SOT MRAM，則寫入速度可以快20倍，單元密度可以大10倍，一舉將SOT MRAM推向聯合記憶體(united memory)的寶座。這是去年材料界的盛事，發表於《Nature Materials》(註1)。

由於轉矩的機制改變，元件結構跟著改變，也帶來新的挑戰。第一個是STT MRAM是2-terminal元件，而SOT MRAM有可能是3-terminal元件——如果沒有特別的工程努力的話。主要原因是STT MRAM讀、寫使用同一線路，所以只需要2個端點；而SOT MRAM讀自讀、寫自寫，因此需要額外的端點。這在設計上是個麻煩，而且增加單元面積。所幸這問題已有解決方式，譬如在去年的《Nature Electronics》(註2)中顯示SOT用來產生轉矩的電流在此導線平面中流動，而與自由層接觸的出平面(out-of-plane)電流可以用來讀信號，只要這兩種電流的大小可以操控得宜，讀與寫的結構又可以合而為一，成為2-terminal元件。

另一個問題是自旋軌道轉矩的翻轉機制只能將自由層的磁矩翻轉至其垂直於原來方向，最後穩定的方向還得有方法調整、指定。最想當然爾的方式是外加磁場，但這是設計元件的人最不願意看到的事。基本上要能夠在元件結構上創造不對稱(asymmetry)，讓磁矩翻轉後倒向的方向可以控制。最近賴、林兩位教授發現SOT可以導致交換偏壓(exchange bias)的偏移，在元件設計的用處之一就是造成元件的不對稱，這結果也發表在今年2月的《Nature Materials》上。

如果要為SOT現階段的發展做一個小結，那會是基礎機制大致齊備，但工程尚待努力。做得出工作樣品的極為有限，而其特性差理想值還甚遠。但也不用太悲觀，畢竟當初STT MRAM也是這麼過來的。

註1：Nature Materials 17, p. 808~813 (2018).

註2：Nature Electronics 1, p. 508~511 (2018).