射频辅助翻转在垂直磁性隧道结中的应用

为什么微小磁体对未来存储重要

现代电子设备越来越依赖磁性随机存取存储器（MRAM），这是一种有望使我们的设备更快、更节能且更耐用的技术。在一种领先的MRAM设计的核心，是由纳米级薄磁层叠加而成的堆栈，这些磁层必须能够可靠地翻转数十亿乃至数万亿次而不发生损耗。本文探讨了一种巧妙的方法：在执行写入操作的主电脉冲之前，加入一个经过精心调谐的射频（RF）“推力”，以更轻柔、更容易地促使这些微小磁体翻转。

磁性存储的构件

研究聚焦于垂直磁性隧道结（p‑MTJ），它们是最先进自旋转矩MRAM（STT‑MRAM）中的核心单元。每个单元是直径仅几十纳米的圆柱形堆栈，由两个磁性层和一个超薄绝缘隧道层隔开。一个层的磁化方向被固定，而另一个“自由”层可以向上或向下翻转，代表数字 0 或 1。当两层磁化方向相同时，电阻较低；当方向相反时，电阻较高。写入数据需要通过堆栈施加短促且高电压的电流脉冲，但将电压推得过高或持续时间过长会损伤脆弱的隧道层，从而限制存储器的寿命。

在主推力之前的温和射频推动

为减轻这种应力，作者测试了一种把短促射频脉冲与常规直流（DC）写脉冲结合的写入方法。射频脉冲是一个幅度很小的振荡电压，持续约 30 纳秒，置于主 DC 脉冲之前或与之部分重叠。该振荡会轻微扰动自由磁层，使其从静止位置被“摇动”出来，但射频本身不足以完成翻转。随后立即施加更强的 DC 脉冲。通过先用低功率射频信号搅动磁体，然后用 DC 推动，团队发现成功翻转的概率提高了，尽管射频脉冲的能量远小于 DC 脉冲。

实验揭示了什么

研究者制造了直径在 25 至 85 纳米之间的圆形 p‑MTJ，并在重复的 RF+DC 脉冲序列下测量每个器件发生磁态翻转的频率。他们将 DC 脉冲调到在没有 RF 的情况下每个器件约有一半概率翻转，然后量化加入 RF 脉冲后概率的提高幅度。观察到适度的 RF 辅助可以将翻转概率提高大约最多 30%，其具体效果依赖于器件尺寸和时序。关键的是，即便 RF 与 DC 脉冲在时间上并未重叠——也就是说结点上的峰值电压并未超过单独 DC 脉冲的峰值——这种改善仍然出现。这使得该方法有利于在不增加电应力的前提下延长器件的使用寿命。

较慢的射频更有效

一个特别重要的发现是，较低的 RF 频率效果更好。先前的工作大多针对自由层的固有“振铃”频率——其铁磁共振通常在多 GHz 频段——而本研究表明，低于 GHz 的亚 GHz 频段音调（在标准芯片工艺中更容易且更便宜产生）反而更有效。在固定射频功率下，随着 RF 频率降低、远低于磁体的自然共振频率，翻转概率的提升增大。由于射频电流导致的简单加热不会强烈依赖频率，这一趋势指向更微妙的磁性运动机制，可能涉及界面处的缓慢、非均匀区域，或由射频场驱动的磁化混沌轨迹。

理论如何帮助解释这种提升

为了解释这些结果，作者进行了大规模模拟并建立了解析模型，追踪自由层磁化在 RF 与 DC 叠加驱动下的运动（在室温条件下）。模拟重现了若干关键趋势，例如存在射频功率阈值以及随着脉冲间延时增长有效性下降。然而，模拟低估了射频影响持续的时长，并预测了略高于实验所示的阈值功率。这些差异表明真实的 p‑MTJ 存在比理想化模型更缓慢、更复杂的磁动力学，可能与磁层的微观变异和额外的面内各向异性有关。

这对未来存储芯片意味着什么

在实际层面，该研究表明加入一个小的射频预脉冲可以在不提高最大写入电压的情况下使 MRAM 单元更可靠地翻转。这为缩短主 DC 脉冲留下了空间，而后者已知是导致隧道层长期损伤的主要因素之一。由于表现最好的射频频率相对较低并且与标准芯片电路兼容，这种方法有望被集成到未来的 STT‑MRAM 设计中，以改善耐久性并可能提高能效。该工作还强调了真实磁性器件比简单教科书模型表现得更为丰富，利用这些复杂性——而不是与之对抗——或许是构建更快、更强韧、更高效存储技术的关键。

引用: Hayward, M., Perna, S., d’Aquino, M. et al. Radio-frequency assisted switching in perpendicular magnetic tunnel junctions. npj Spintronics 4, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44306-026-00138-y

关键词: 自旋电子学, MRAM, 磁性隧道结, 射频开关, 非易失性存储