中科院亚纳秒MRAM技术获重大突破

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近年来，磁随机存储器（MRAM）因其出色的性能受到工业界与学术界的广泛关注。然而，受限于物理尺寸难以缩小至DRAM/NAND水平、写入速度无法达到SRAM（小于1纳秒，即十亿分之一秒）级别等关键技术瓶颈，MRAM在主流存储市场面临容量不及DRAM/NAND、速度不如SRAM的两难局面。其写入速度难以匹敌SRAM的根本原因，在于它依赖电流产生阻尼自旋矩作用于存储层，从而实现“0”和“1”状态之间的切换。在STT-MRAM以及自旋极化与磁矩共线的SOT-MRAM中，阻尼自旋矩会在状态转换过程中引发磁矩进动，该过程通常持续2-10 ns，严重限制了写入速度。

为突破上述写入机制中的物理限制，中国科学院集成电路制造技术全国重点实验室的研究团队发现了一种由类场自旋矩驱动的超快电写入方式，能够在无外加磁场的情况下实现无磁矩进动的快速切换。这一新机制有望从根本上解决MRAM在速度与高密度集成方面所面临的物理难题。实验结果显示，在比当前基于阻尼自旋矩的写入电流低一个数量级的条件下，可在200 ps（即0.2 ns）内完成“0”和“1”状态的稳定写入。同时，该器件的数据保持能力与集成密度均优于传统SRAM。这项成果有望率先应用于对读写速度要求极高的人工智能与高性能计算领域。

相关研究成果以“Subnanosecond in-plane magnetization switching induced by fieldlike spin-orbit torques from ferromagnets”为题发表在Phys. Rev. Applied (23, 044041 (2025); 链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.044041)。微电子所博士生张晗颖为论文第一作者。

本研究得到了北京市自然科学基金重点项目、国家自然科学基金以及中国科学院战略先导专项等项目的资助。

（a）阻尼矩写入过程；（b）类场矩写入过程；（c）0.2纳秒写入脉冲引起的高低阻态转变；（d）写入电流密度与写入脉宽之间的关系。

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