[论文解读] Spin-Orbit-Torque Field-Effect Transistor (SOTFET): A New Magnetoelectric Memory

Xiang Li, Phillip Dang+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2019

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices被引用 1

一句话总结

本文提出了一种自旋-轨道力矩场效应晶体管（SOTFET），这是一种新型磁电存储器，通过利用多铁材料将自旋态变化与晶体管中的电荷调制耦合，实现了基于自旋的存储与半导体逻辑的集成。SOTFET具备高能效和大电阻变化，将非易失性存储与场效应晶体管的可扩展性和性能相结合。

ABSTRACT

Spin-based memories are attractive for their non-volatility and high durability but provide modest resistance changes, whereas semiconductor logic transistors are capable of large resistance changes, but lack memory function with high durability. The recent availability of multiferroic materials provides an opportunity to directly couple the change in spin states of a magnetic memory to a charge change in a semiconductor transistor. In this work, we propose and analyze the spin-orbit torque field-effect transistor (SOTFET), a device with the potential to significantly boost the energy efficiency of spin-based memories, and to simultaneously offer a palette of new functionalities.

研究动机与目标

• 解决基于自旋的存储器与传统半导体晶体管之间的能效和性能差距。
• 克服基于自旋的存储器中电阻变化有限的问题，以及标准晶体管缺乏非易失性的问题。
• 利用多铁材料实现磁性自旋态与半导体电荷态之间的直接耦合。
• 设计一种设备，结合自旋电子学的非易失性和耐用性与场效应晶体管的大信号调制能力。
• 通过统一的磁电架构，实现内存与逻辑集成的新功能。

提出的方法

• SOTFET将具有自旋-轨道力矩（SOT）效应的磁性层集成，利用电荷电流操控磁化。
• 使用多铁材料实现电场对磁性的控制，从而实现磁态的低功耗切换。
• 该器件架构将磁性层与半导体场效应晶体管沟道耦合，使自旋态变化能够调制晶体管的电导率。
• 在重金属沟道中的自旋-轨道耦合产生有效磁场，使磁性层在无外部磁场的情况下实现切换。
• 多铁层产生的电场调制自旋积累，从而控制晶体管的电流-电压特性。
• 系统通过混合机制运行：自旋-轨道力矩用于切换，电场控制用于稳定记忆态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将多铁材料中的自旋-轨道力矩与电场控制相结合，构建一种具有晶体管式信号调制能力的非易失性存储器？
• RQ2 如何在保持低能耗的前提下显著增强基于自旋的存储器中的电阻变化？
• RQ3 基于自旋电子学的存储功能与半导体逻辑能否在单一器件架构中实现集成？
• RQ4 SOTFET能否同时实现高能效和与传统晶体管相当的大信号输出？
• RQ5 在该混合器件中，实现自旋态与电荷输运耦合的关键物理机制是什么？

主要发现

• SOTFET实现了与传统场效应晶体管相当的大电阻变化，克服了基于自旋的存储器通常存在的信号调制有限的问题。
• 该器件通过自旋-轨道力矩和电场控制实现低能耗切换，显著提升了能效。
• 多铁材料的集成实现了磁态变化与晶体管沟道中电荷调制的直接耦合。
• SOTFET架构支持非易失性和高耐用性，结合了自旋电子学与半导体逻辑的最佳特性。
• 所提出的器件为可扩展、低功耗的内存与逻辑集成提供了路径，并通过磁电耦合实现了新功能。
• 理论分析证实了在SOTFET架构中实现高信噪比和低开关能量的可行性。