磁随机存储器和磁逻辑及磁传感器等新型自旋电子芯片的研制

项目简介：

一、 磁随机存储器成果简介：

磁随机存取存储器(MRAM)属于新兴学科“自旋电子学”及其自旋电子技术，隶属于半导体和微电子与磁学的前沿交叉学科领域。除具有传统静态及动态随机存储器的高密度、读写速度快、可无限次擦写等优点外，MRAM还具有数据非易失性、低功耗、防辐射等其它综合优点，可广泛用于自动化、计算机和数据存储、航空航天等信息工业和国防领域，具有重要的科学意义和应用价值。

我们系统研究了磁随机存储器的材料、架构及设计原理、磁场、自旋极化电流(自旋转移力矩STT、自旋轨道磁矩SOT)驱动磁矩翻转的信息存取机制、信息存储单元的内禀存取机理、单元热稳定性及其信噪比等关键技术问题。目前，我们已提出了磁随机存储器的原理型器件设计结构，成为国际上第二代STT-MRAM最核心的三种基本设计结构之一；已获20项MRAM中国发明专利及美国和日本5项国际专利授权。

二、 磁逻辑成果简介：

随着CMOS器件尺寸逐渐接近量子极限，单位面积上的功耗，尤其是待机功耗，呈指数式增长；而器件运算速度却提升缓慢。主宰微电子产业发展逾半个世纪的“摩尔定律”行将终结。并且在现有冯诺依曼构架中，运算和存储功能分离。处理器需将很多时间和功耗浪费在数据传递而非计算本身上。这限制了速度的提升，导致严重的“存储墙”问题。

而自旋逻辑器件是利用电子自旋属性进行逻辑运算操作的新一代逻辑器件。它具有传统逻辑器件所不具有的数据非易失性、可编程特性、多功能和低功耗等优势，是构造非冯•诺依曼架构计算机的优良候选者。因为数据非易失性，它还能兼具数据存储和逻辑运算的双重功能。这使得我们能够基于存储器件构造逻辑器件，实现新颖的逻辑存储融合的计算机架构，为解决现有计算机系统的“存储墙”问题提供优良的选择方案。

三、弱磁探测磁敏传感芯片成果简介：

弱磁探测是一种关键技术，可用于空间卫星姿态调整、深海反潜、导弹制导、无损探伤、医学心脑磁图等方面。目前，基于隧穿磁电阻(TMR)的新型磁电阻磁敏传感器，由于高性能、低功耗和微型化等优点正逐步取代传统低灵敏度磁敏传感器。为探索超低频下具有超高灵敏度和极低噪声的新型TMR磁敏传感器，我们已研制出4种结构类型的磁敏电阻传感器原型器件。研究结果已获中国授权发明专利11项及美国专利授权1项。另外，通过采用间接双钉扎双交换耦合的磁性隧道结新结构和新材料体系，以及量子阱共振隧穿磁电阻(QW-TMR)等获得高TMR的新物理机制，极大地增强TMR磁敏传感器的探测能力，使之能够探测能力达到pT量级。

1. 磁性随机存储器技术指标如下：单元尺寸~100 nm；单元读写操作功耗~ pJ; 读写操作时间10~50 ns; 数据存储时间>10年。

2. 自旋逻辑器件技术指标如下：逻辑操作的功耗~ pJ; 操作时间<10 ns; 数据存储时间>10年；同一逻辑器件实现5种逻辑运算功能；逻辑操作次数>1015。

3. 磁敏传感芯片的动态范围为可调，灵敏度最高可达10~400 mV/V/Oe，信噪水平最高可达到1pT/√Hz @ 1Hz。

项目图片（包含图片名称或说明）：

纳米环磁随机存储

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