日本東北大學(xué)，開發(fā)成功超高速小電流MRAM

　　日本東北大學(xué)2016年3月21日宣布，開發(fā)成功了可超高速動(dòng)作的新型磁存儲(chǔ)器(MRAM：Magnetic Random Access Memory)的基礎(chǔ)元件，并實(shí)際驗(yàn)證了動(dòng)作。該元件可兼顧迄今MRAM元件難以實(shí)現(xiàn)的小電流動(dòng)作和高速動(dòng)作。

　　三種自旋軌道力矩磁化反轉(zhuǎn)元件構(gòu)造。(a)與(b)為以前的構(gòu)造，(c)為此次開發(fā)的構(gòu)造(該圖摘自東北大學(xué)的發(fā)布資料) (點(diǎn)擊放大)

　　PC及智能手機(jī)使用的SRAM及DRAM等半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，因構(gòu)成元件的微細(xì)化，性能獲得了提高，但隨著微細(xì)化的進(jìn)一步發(fā)展，其耗電量增大的問(wèn)題顯現(xiàn)出來(lái)。而以磁化(N極/S極)方向來(lái)存儲(chǔ)信息的MRAM具有出色的微細(xì)化特性、不消耗電力的非易失性、與現(xiàn)行SRAM/DRAM有相同的高速特性以及無(wú)限次擦寫特性等，作為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的替代技術(shù)而備受期待。

　　最近20年，經(jīng)過(guò)從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的廣泛研發(fā)，部分MRAM已開始了實(shí)用化。2011年，由電流引起的基板垂直方向磁流(自旋流)的“自旋軌道力矩磁化反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。人們知道這種方式有兩種構(gòu)造，一種是(a)磁化朝著與基板垂直的方向(Z軸方向)，另一種是(b)在基板內(nèi)與電流垂直的方向(Y軸方向)。但是存在的課題是，(a)磁化反轉(zhuǎn)所需要的電流絕對(duì)值較大、(b)在高速區(qū)域磁化反轉(zhuǎn)所需要的電流會(huì)明顯増大。

　　研究小組此次探討了(c)在基板內(nèi)磁化朝著電流平行方向(X軸方向)的構(gòu)造。根據(jù)理論計(jì)算，設(shè)計(jì)出了材料和元件構(gòu)造，并用微細(xì)加工技術(shù)，在硅基板上制作了納米尺寸的元件。通入電流的重金屬通道層使用了鉭(Ta)，進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁性層使用了硼鐵化鈷(CoFeB)合金。在對(duì)制作的元件評(píng)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，磁化反轉(zhuǎn)需要的電流密度在5×1011A/m2以下，在實(shí)用上是足夠小的值。

　　此次還通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，新構(gòu)造元件能夠在小電流下實(shí)現(xiàn)速度為傳統(tǒng)MRAM元件10倍左右的納秒級(jí)運(yùn)行。不僅在應(yīng)用方面為GHz級(jí)別的超高速運(yùn)行開辟了道路，而且從基本意義上來(lái)說(shuō)，因?yàn)閄-Y-Z垂直坐標(biāo)系中的所有自旋軌道力矩磁化反轉(zhuǎn)方式都已研究明確，所以有望進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)自旋-軌道相互作用的了解。

　　此次研發(fā)是日本內(nèi)閣府“革新性研發(fā)推進(jìn)計(jì)劃(ImPACT)”及文部科學(xué)省“旨在實(shí)現(xiàn)未來(lái)社會(huì)的ICT基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)”中的一部分。這項(xiàng)研究成果已于3月21日(英國(guó)時(shí)間)刊登在英國(guó)科學(xué)期刊《自然納米技術(shù)》(NatureNanotechnology)網(wǎng)絡(luò)版上。