自旋电子科学与技术 精装版

自旋电子学是凝聚态物理学、物理电子学、微电子学、固体电子学等多学科交叉形成的一门新兴学科，目前已经成为信息科学与技术领域的重要组成部分。利用对电子自旋属性的控制以及电子自旋的诸多效应可以设计电子器件。例如，基于巨磁阻效应的自旋电子器件在硬盘上作为磁头的广泛使用，使硬盘容量在过去20年增长过10万倍，巨磁阻效应的发现者—法国科 学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国科 学家彼得·格林贝格（Peter Grünberg）也因此于2007 年被授予诺贝尔物理学奖。

本书基于自旋电子学领域近15年快速发展所取得的重要研究成果编写而成，力求具有前瞻性、系统性和实用性，内容涵盖从物理机理到电子器件、从特种设备到加工工艺、从芯片设计到应用场景的相关知识。全书共14章，主要包括自旋电子的起源与发展历程、巨磁阻效应及器件、隧穿磁阻效应及器件、自旋转移矩效应及器件、自旋轨道矩效应及器件、自旋纳米振荡器、斯格明子、自旋芯片电路设计及仿真、自旋芯片特种设备及工艺、自旋芯片测试与表征技术、磁传感芯片及应用、大容量磁记录技术、磁随机存储芯片及应用，以及自旋计算器件与芯片等内容。

本书可作为高等学校自旋电子学相关专业研究生和高年级本科生的教材，也可作为自旋电子学相关领域科研工作者和工程技术人员的重要参考资料。

赵巍胜 中国科学技术协会第十届全 国委员会常务委员会委员、第八届教 育部科学技术委员会委员、北京航空航天大学副校长、自旋芯片与技术全 国重点实验室常务副主任、“空天信自旋电子技术”工信 部重点实验室主任、《集成电路与嵌入式系统》期刊主编。 2019 年入选IEEE Fellow，2020 年入选教 育部“长江学 者奖励计划”，2021 年获科学探索奖和中国电子学会科学技术奖（自然科学）一等奖，2022年获华为奥林帕斯先锋奖，2023 年获中国仪器仪表学会科学技术奖技术发明一等奖，2020—2022 年连续入选爱思唯尔“中国高被引学 者”，曾担任IEEENANOARCH 2016 及ACM GLSVLSI 2020 国际会议大会主席。 2007 年获法国巴黎南大学（现巴黎萨克雷大学）物理学博士学位，2009 年任法国国家科学院研究员（终身职位），2013 年入职北京航空航天大学。长期从事自旋电子学、新型信息器件、新型非易失存储器等领域的交叉研究，取得了一系列原创性研究成果。2018—2023 年间，共发表ESI 高被引论文15 篇，总被引20 000余次，H 因子76；获150 余项发明专利授权，产权转让或授权使用50 余项。

第 1 章 自旋电子的起源与发展历程 1

1.1　自旋电子的起源　1

1.1.1　电子的发现　1

1.1.2　电子自旋的发现　4

1.1.3　磁性与自旋　7

1.2　自旋电子的发展历程　10

1.2.1　自旋电子的早期应用　11

1.2.2　自旋电子的大规模应用　14

1.2.3　自旋芯片的新近发展　15

1.3　本章小结　19

思考题　19

参考文献　20

第　2 章 巨磁阻效应及器件　25

2.1　巨磁阻效应原理　26

2.1.1　巨磁阻效应的发现　26

2.1.2　巨磁阻效应的理论模型　29

2.2　巨磁阻效应器件　31

2.2.1　电流在平面内型器件　32

2.2.2　电流垂直于平面型器件　35

2.3　本章小结　39

思考题　39

参考文献　39

第3　章 隧穿磁阻效应及器件　43

3.1　隧穿磁阻效应　43

3.1.1　隧穿磁阻效应的发现　43

3.1.2　隧穿磁阻效应的理论模型　45

3.2　面内磁隧道结器件　46

3.2.1　磁各向异性的机理　47

3.2.2　基于Al-O 势垒的磁隧道结　48

3.2.3　基于MgO 势垒的磁隧道结　49

3.2.4　面内磁隧道结的基本结构及性能优化　54

3.3　垂直磁隧道结器件　57

3.3.1　垂直磁各向异性的发展　57

3.3.2　垂直磁隧道结的基本结构及性能优化　60

3.4　本章小结　65

思考题　66

参考文献　66

第4　章 自旋转移矩效应及器件　73

4.1　自旋转移矩效应　73

4.1.1　磁动力学原理及其发展历程　73

4.1.2　自旋转移矩效应的原理　76

4.1.3　自旋转移矩效应的实验验证　78

4.2　自旋转移矩器件　79

4.2.1　基于面内磁各向异性的磁隧道结　79

4.2.2　基于垂直磁各向异性的磁隧道结　83

4.2.3　新型自旋转移矩器件结构优化　87

4.3　本章小结　92

思考题　92

参考文献　93

第5　章 自旋轨道矩效应及器件　99

5.1　自旋轨道矩效应　99

5.1.1　自旋轨道耦合　100

5.1.2　自旋霍尔效应　101

5.1.3　Rashba-Edelstein 效应　102

5.1.4　自旋轨道矩翻转的微观机理　103

5.1.5　自旋轨道矩与自旋转移矩的协同效应　105

5.2　自旋轨道矩器件的关键材料　106

5.2.1　非磁性重金属　106

5.2.2　反铁磁金属　108

5.2.3　拓扑绝缘体　109

5.3　自旋轨道矩器件　110

5.3.1　面内磁各向异性自旋轨道矩器件　110

5.3.2　面内杂散场辅助的自旋轨道矩器件　111

5.3.3　交换偏置场辅助的自旋轨道矩器件　112

5.3.4　自旋轨道矩与自旋转移矩协同器件　114

5.3.5　自旋轨道矩与电压调控磁各向异性协同器件　116

5.4　本章小结　119

思考题　119

参考文献　120

第6　章 自旋纳米振荡器　129

6.1　自旋纳米振荡器概述　129

6.1.1　自旋纳米振荡器的工作原理　130

6.1.2　自旋纳米振荡器的基本结构　131

6.1.3　自旋纳米振荡器的振荡模式　135

6.2　自旋纳米振荡器的关键性能　139

6.2.1　自旋纳米振荡器的基础性能　139

6.2.2　自旋纳米振荡器的同步特性　142

6.3　基于自旋纳米振荡器的潜在应用　144

6.3.1　基于自旋纳米振荡器的类脑计算　144

6.3.2　基于自旋纳米振荡器的其他潜在应用　145

6.4　自旋纳米振荡器存在的问题与解决方案　147

6.4.1　自旋纳米振荡器的性能瓶颈　147

6.4.2　自旋纳米振荡器集成电路设计的复杂性　148

6.5　本章小结　149

思考题　150

参考文献　150

第7　章 斯格明子　155

7.1　斯格明子概述　155

7.1.1　斯格明子的定义与拓扑稳定性　155

7.1.2　斯格明子的发现过程　160

7.1.3　斯格明子的研究意义　160

7.2　斯格明子的研究方法　162

7.2.1　斯格明子的微磁学仿真计算　162

7.2.2　斯格明子表征的相关实验技术　163

7.3　斯格明子的材料体系　166

7.3.1　手性磁体　166

7.3.2　磁性薄膜　166

7.3.3　二维范德瓦尔斯材料　168

7.4　斯格明子电子学的物理基础　168

7.4.1　斯格明子的产生　168

7.4.2　斯格明子的输运　171

7.4.3　斯格明子的检测　173

7.5　斯格明子电子器件概念及应用　175

7.5.1　基于斯格明子的传统器件　175

7.5.2　基于斯格明子的新型计算器件　178

7.6　斯格明子电子学未来的发展与挑战　183

7.7　本章小结　184

思考题　185

参考文献　185

第8　章 自旋芯片电路设计及仿真　191

8.1　自旋电子器件建模与验证　192

8.1.1　物理模型　193

8.1.2　模型构架　198

8.1.3　模型仿真验证　201

8.2　自旋电子器件工艺设计包　205

8.2.1　器件单元库　206

8.2.2　工艺文件　206

8.2.3　版图验证文件　207

8.2.4　标准单元库　209

8.3　1 KB 磁存储器电路的设计与仿真验证　210

8.3.1　系统架构　210

8.3.2　核心模块电路　212

8.3.3　功能仿真验证　218

8.4　本章小结　219

思考题　220

参考文献　220

第9　章 自旋芯片特种设备及工艺　224

9.1　器件制备工艺概述　224

9.1.1　巨磁阻器件的制备工艺　225

9.1.2　磁隧道结器件的制备工艺　226

9.2　膜堆制备设备及工艺　228

9.2.1　超高真空磁控溅射设备及工艺　229

9.2.2　磁场退火设备及工艺　239

9.3　图形转移设备及工艺　241

9.3.1　光刻设备及工艺　241

9.3.2　刻蚀设备及工艺　246

9.4　器件片上集成工艺　251

9.4.1　磁隧道结前处理工艺　253

9.4.2　磁隧道结后处理工艺　255

9.5　本章小结　256

思考题　257

参考文献　257

第　10 章 自旋芯片测试与表征技术　263

10.1　薄膜基本磁性表征技术　263

10.1.1　磁强计　263

10.1.2　磁光克尔测量仪　266

10.1.3　铁磁共振表征技术　267

10.1.4　时间分辨磁光克尔测量仪　274

10.1.5　磁光克尔显微成像及磁畴动力学表征　276

10.1.6　布里渊光散射装置　283

10.1.7　X 射线磁圆二色　286

10.2　自旋电子器件表征技术　289

10.2.1　自旋输运测试　289

10.2.2　磁动态超快电学特性表征技术　296

10.2.3　自旋电子器件中的磁畴动力学表征　298

10.3　自旋芯片表征　299

10.3.1　晶圆级多维度磁场探针台　300

10.3.2　电流面内隧穿测试仪　301

10.4　本章小结　303

思考题　303

参考文献　303

第　11 章 磁传感芯片及应用　311

11.1　磁传感芯片概述　311

11.1.1　传感单元　312

11.1.2　惠斯通电桥结构　316

11.1.3　传感器电路　320

11.2　磁传感芯片中的噪声　320

11.2.1　噪声来源　322

11.2.2　降噪方法　324

11.3　磁传感芯片应用　326

11.3.1　电子罗盘　326

11.3.2　转速检测　329

11.3.3　电流检测　331

11.3.4　生物医学检测　332

11.4　本章小结　334

思考题　335

参考文献　335

第　12 章 大容量磁记录技术　341

12.1　硬盘存储技术的发展　341

12.1.1　水平磁记录与垂直磁记录　341

12.1.2　硬盘磁头　342

12.1.3　大容量存储面临的挑战　345

12.2　微波辅助磁记录　346

12.2.1　微波辅助磁翻转效应　346

12.2.2　微波辅助磁记录系统的结构　349

12.2.3　微波辅助磁记录系统的设计及优化　350

12.3　热辅助磁记录　353

12.3.1　热辅助磁记录基本原理　353

12.3.2　热辅助磁记录系统的结构　356

12.3.3　热辅助磁记录系统的设计及优化　358

12.4　本章小结　362

思考题　363

参考文献　363

第　13 章 磁随机存储芯片及应用　366

13.1　磁随机存储器的发展及现状　366

13.2　Toggle-MRAM　369

13.2.1　磁场写入方法及原理　369

13.2.2　Toggle-MRAM 的主要应用场景　370

13.2.3　Toggle-MRAM 的发展现状与未来展望　371

13.3　STT-MRAM　371

13.3.1　STT-MRAM 的发展历程　371

13.3.2　STT-MRAM 的主要应用场景　374

13.3.3　STT-MRAM 的发展现状与未来展望　377

13.4　SOT-MRAM　377

13.4.1　SOT-MRAM 的写入机理　379

13.4.2　SOT-MRAM 的设计难点　381

13.4.3　SOT-MRAM 的工艺挑战　384

13.4.4　SOT-MRAM 的现状与展望　385

13.5　本章小结　387

思考题　387

参考文献　388

第　14 章 自旋计算器件与芯片　397

14.1　存算一体　397

14.1.1　存算一体的技术简介　397

14.1.2　存算一体的技术方案与挑战　399

14.1.3　自旋存算一体　403

14.2　自旋类脑器件及芯片　410

14.2.1　自旋类脑器件　411

14.2.2　类脑计算模型　413

14.2.3　类脑计算芯片　416

14.3　磁旋逻辑器件　417

14.3.1　磁旋逻辑器件的基本结构　418

14.3.2　基于磁电耦合效应的信息写入　418

14.3.3　基于逆自旋霍尔效应的信息读取　422

14.3.4　磁旋逻辑建模和仿真验证　425

14.3.5　磁旋逻辑器件展望　427

14.4　本章小结　427

思考题　428

参考文献　428

中英文术语对照表　443

自旋电子学是凝聚态物理学、物理电子学、微电子学、固体电子学等多学科交叉形成的一门新兴学科，目前已经成为信息科学与技术领域的重要组成部分。利用对电子自旋属性的控制以及电子自旋的诸多效应可以设计电子器件。例如，基于巨磁阻效应的自旋电子器件在硬盘上作为磁头的广泛使用，使硬盘容量在过去20年增长过10万倍，巨磁阻效应的发现者—法国科 学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国科 学家彼得·格林贝格（Peter Grünberg）也因此于2007 年被授予诺贝尔物理学奖。

本书基于自旋电子学领域近15年快速发展所取得的重要研究成果编写而成，力求具有前瞻性、系统性和实用性，内容涵盖从物理机理到电子器件、从特种设备到加工工艺、从芯片设计到应用场景的相关知识。全书共14章，主要包括自旋电子的起源与发展历程、巨磁阻效应及器件、隧穿磁阻效应及器件、自旋转移矩效应及器件、自旋轨道矩效应及器件、自旋纳米振荡器、斯格明子、自旋芯片电路设计及仿真、自旋芯片特种设备及工艺、自旋芯片测试与表征技术、磁传感芯片及应用、大容量磁记录技术、磁随机存储芯片及应用，以及自旋计算器件与芯片等内容。

本书可作为高等学校自旋电子学相关专业研究生和高年级本科生的教材，也可作为自旋电子学相关领域科研工作者和工程技术人员的重要参考资料。

赵巍胜 中国科学技术协会第十届全 国委员会常务委员会委员、第八届教 育部科学技术委员会委员、北京航空航天大学副校长、自旋芯片与技术全 国重点实验室常务副主任、“空天信自旋电子技术”工信 部重点实验室主任、《集成电路与嵌入式系统》期刊主编。 2019 年入选IEEE Fellow，2020 年入选教 育部“长江学 者奖励计划”，2021 年获科学探索奖和中国电子学会科学技术奖（自然科学）一等奖，2022年获华为奥林帕斯先锋奖，2023 年获中国仪器仪表学会科学技术奖技术发明一等奖，2020—2022 年连续入选爱思唯尔“中国高被引学 者”，曾担任IEEENANOARCH 2016 及ACM GLSVLSI 2020 国际会议大会主席。 2007 年获法国巴黎南大学（现巴黎萨克雷大学）物理学博士学位，2009 年任法国国家科学院研究员（终身职位），2013 年入职北京航空航天大学。长期从事自旋电子学、新型信息器件、新型非易失存储器等领域的交叉研究，取得了一系列原创性研究成果。2018—2023 年间，共发表ESI 高被引论文15 篇，总被引20 000余次，H 因子76；获150 余项发明专利授权，产权转让或授权使用50 余项。