2023年北京市优博展览 — 集成电路学院朱道乾《新型自旋轨道矩器件和机理研究》

朱道乾

朱道乾，北京航空航天大学集成电路学院2022届博士毕业生，师从赵巍胜教授。攻读博士学位期间，研究方向为自旋轨道矩磁存储器件，以第一作者、共同第一作者身份在Nature Electronics、IEEE IEDM和Physical Review Applied等期刊和会议发表10篇论文，包括2篇Nature Electronics，2篇IEEE IEDM和1篇ESI高被引论文，授权国家发明专利2项。谷歌学术引用1700余次。曾获中国电子学会集成电路特等奖学金、北航“博士研究生十佳”和北航集成电路学院优秀共产党员等荣誉奖励。目前在北航从事博士后研究工作。

自旋轨道矩磁存储器（Spin-orbit Torque Random Access Memory: SOT-MRAM）具备非易失、低功耗和高速写入等优良特性，是解决“后摩尔时代”集成电路功耗瓶颈的重要技术路径。针对当前SOT-MRAM面临的瓶颈，本文主要开展了三方面研究内容：

（1）基于Landau-Lifshitz-Gilbert方程，理论推导了垂直SOT器件的阈值写入电流表达式，为优化器件写入功耗和电路建模提供了理论指导；

（2）发现了自旋轨道矩和自旋转移矩的协同作用，基于此研制了一种新型SOT器件——自旋协同矩器件，解决了垂直SOT器件的无磁场写入难题；

（3）发现了自旋轨道矩对反铁磁/铁磁界面交换偏置场（EB）的电学调控作用，基于此研制了一种新型磁存储器件——EB-MRAM器件，为进一步提升SOT器件的存储密度提供了有效方案。

本文针对自旋轨道矩磁存储器SOT-MRAM面临的关键科学问题，从器件结构设计和机理研究出发展开了系统研究，主要创新性如下：

（1）基于Landau-Lifshitz-Gilbert方程，全面考虑SOT类阻尼项和类场项的影响，理论推导了垂直自旋轨道矩器件的阈值写入电流表达式，与数值仿真结果吻合得很好，相关工作发表于Physical Review Applied；

（2）在国际上首次提出并实验验证自旋轨道矩和自旋转移矩的协同作用，并研制自旋协同矩器件，解决了垂直SOT器件的无磁场写入难题。相关工作发表于Nature Electronics，得到当刊编辑重点评价，入选ESI高被引论文；

（3）发现SOT对反铁磁/铁磁界面交换偏置场（EB）的电学调控作用，并提出了新型磁存储器件方案EB-MRAM，有望突破当前各类存储芯片在10 nm节点的技术瓶颈，相关工作发表于Nature Electronics和IEEE IEDM。

（1） D. Zhu* , Z. Guo*, A. Du*, D. Xiong, R. Xiao, W. Cai, K. Shi, S. Peng, K. Cao, S. Lu, D. Zhu, G. Wang, H. Liu, Q. Leng and W. Zhao, First demonstration of three terminal MRAM devices with immunity to magnetic fields and 10 ns field free switching by electrical manipulation of exchange bias, IEEE IEDM (2021) (67th International Electron Devices Meeting).

（2）M. Wang*, W. Cai*, D. Zhu* , Z Wang*, J. Kan, Z. Zhao, K. Cao, Z. Wang, Y. Zhang, T. Zhang, C. Park, J. Wang, A. Fert and W. Zhao, Field-free switching of a perpendicular magnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques, Nat. Electron., 1, 582 (2018). (共同第一作者)

（3）S. Peng*, D. Zhu* , W. Li, H. Wu, A. J. Grutter, D. A. Gilbert, J. Lu, D. Xiong, W. Cai, P. Shafer, Kang L. Wang, and W. Zhao, Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin–orbit torque, Nat. Electron., 3, 757 (2020). (共同第一作者)

（4） D. Zhu , and W. Zhao, Threshold Current Density for Perpendicular Magnetization Switching Through Spin-Orbit Torque, Phys. Rev. Appl., 13, 044078 (2020).

（5） D. Zhu* , W. Kang*, S. Li, Y. Huang, X. Zhang, Y. Zhou and W. Zhao, Skyrmion Racetrack Memory With Random Information Update/Deletion/Insertion, IEEE Trans. Electron Devices, 65, 87 (2018).

（1）对于英文论文撰写，大量、广泛的文献阅读是必需的，一方面是打好基础、跟踪前沿，另一方面也是在培养自己的写作能力。第一篇论文写起来会比较痛苦，但是给自己限定一个时间（例如10天到2周），真正写出一个初稿还是很有成就感的，这个坎基本也就迈过去了；接下来是在语法、语言、逻辑等方面进行反复修改，需要坚决杜绝低级错误。对于中文论文撰写，建议好好学习课题组的项目书，语言表达需要避免口语化。