客户成果｜中科院微电子所《Materials Futures》：基于可控畴壁手性的无外场SOT翻转技术-致真精密仪器（青岛）有限公司

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客户成果｜中科院微电子所《Materials Futures》：基于可控畴壁手性的无外场SOT翻转技术

发布时间：

2026-07-29

近日，中国科学院微电子研究所罗军、何世坤、杨美音教授团队，在基于可控畴壁手性的无外磁场自旋轨道矩（SOT）翻转技术方面取得重要进展，相关成果以"Field-free spin–orbit torque switching enabled by controllable domain wall chirality"为题发表于知名期刊《Materials Futures》。在本项研究中，致真精密仪器磁光克尔（MOKE）测量系统被用于精确捕捉薄膜磁畴的微观动态演化，直接可视化了预磁化偏置对畴壁手性翻转极性的控制过程。

▲《Materials Futures》期刊论文截图

在自旋电子学领域，SOT-MRAM（自旋轨道矩磁随机存储器）具有非易失性、亚纳秒切换速度、超高耐久性等优势，被视为下一代嵌入式缓存的理想候选技术。然而，确定性的磁化翻转通常需要外加磁场打破系统对称性，这不仅增加了系统功耗，也限制了高密度集成和CMOS工艺兼容性。实现无外磁场确定性翻转已成为SOT-MRAM规模化应用的核心瓶颈，新型对称性破缺机制也成为领域研究焦点。

▲可控畴壁手性介导的无外场SOT翻转机制示意图。

针对上述挑战，该团队创新开展应变工程，在W/CoFeB/MgO异质结体系中同步引入张量应变调控与X轴预磁化偏置，首次实现了易锥磁各向异性体系中畴壁手性的精确控制。通过张量应变诱导Fe 3d轨道从z²（垂直方向）向x²-y²（面内方向）重新占据，体系的磁各向异性从纯垂直配置转变为易锥构型，使磁化矢量稳定在锥面上。在此基础上，施加X轴磁场预磁化打破了能量简并，迫使相邻畴壁自发采取互补的手性构型（左旋/右旋配对），从而在SOT驱动下实现确定性磁化翻转，无需外加磁场。

▲Hall器件中的畴壁手性可控翻转：预磁化过程、MOKE畴图像及不同预设角度的翻转行为。

本研究在宽温区与变磁场条件下完成了磁化调控、磁输运特性测试及磁光响应表征等多项高精度实验。致真精密仪器MOKE测量系统为磁性表征提供了关键支撑。借助该设备，团队精确测定了不同预磁化条件下易锥体系中畴壁手性的变化规律，证实了预磁化场方向对畴壁内部磁矩结构和翻转极性的决定性调控作用。MOKE成像清晰捕捉了畴壁在不同预设磁场（从-1000 Oe到+1000 Oe）下的动态变化过程，直观展示了翻转行为从顺时针→无翻转→逆时针的连续过渡，直接验证了畴壁手性调控的可靠性和可重复性。

结合理论计算，团队进一步揭示了应变调控易锥磁各向异性的物理起源：张量应变引起Fe 3d轨道占据重新分布，降低了体系的垂直能量势垒。预磁化场沿X轴偏置打破了能量简并，使相邻畴壁自发采取互补的手性构型，进而在电流驱动下产生反向运动的畴壁，实现确定性翻转。这一"应变+畴壁手性"策略实现了磁各向异性的精确工程调控，为高性能SOT-MRAM的研发提供了全新的材料设计平台。

器件实验结果表明，基于该机制的亚100 nm SOT-MTJ器件（基于28 nm工艺、约80 nm节点直径）实现了近100%的无外场翻转概率，热稳定性因子达到64，耐久性超过10^12次，隧道磁阻比（TMR）为116%，切换速度达到1 ns。所有器件均在行业标准300 mm晶圆平台上制备，TMR、矫顽场、平行态电阻及SOT通道电阻等参数的晶圆级均匀性分布验证了该方案在工业化生产中的可行性和可控性。