MRAM技術(shù)新突破！臺(tái)灣清大團(tuán)隊(duì)發(fā)表新磁性翻轉(zhuǎn)技術(shù)

　　全球各半導(dǎo)體大廠如三星、東芝、英特爾等摩拳擦掌競(jìng)相投入磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，準(zhǔn)備在后摩爾定律世代一較高下。臺(tái)灣清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表以自旋流操控鐵磁-反鐵磁納米膜層的磁性翻轉(zhuǎn)，研究成果已于今年2月19日刊登于材料領(lǐng)域頂尖期刊《自然材料》(NatureMaterials)。

　　MRAM為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器技術(shù)，斷電時(shí)利用納米磁鐵所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)流失，是“不失憶”的存儲(chǔ)器。其結(jié)構(gòu)如三明治，上層是自由翻轉(zhuǎn)的鐵磁層，可快速處理數(shù)據(jù)，底層則是釘鎖住的鐵磁層，可用作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，兩層中則有氧化層隔開。

　　其運(yùn)作原理當(dāng)此二鐵磁層磁化方向相同，是低電阻態(tài)，代表“1”;二鐵磁層磁化方向相反，為高電阻態(tài)，代表“0”。有別于目前主流存儲(chǔ)器SRAM與DRAM，MRAM兼具處理與存儲(chǔ)信息功能，斷電時(shí)信息不會(huì)流失，電源開啟可實(shí)時(shí)運(yùn)作，耗能低、讀寫速度快，成為產(chǎn)業(yè)界看好的明日之星。

　　不過，當(dāng)中技術(shù)關(guān)鍵就是如何操控釘鎖住的鐵磁層。簡(jiǎn)單來說，若要將鐵磁層磁矩方向釘鎖住，只需“黏”上一層反鐵磁層即可，制成的鐵磁-反鐵磁膜層即可應(yīng)用在磁存儲(chǔ)器上。

　　此現(xiàn)象稱為“交換偏壓”，雖發(fā)現(xiàn)至今已超過60年，其應(yīng)用性極廣，但背后的物理機(jī)制未明。且交換偏壓操控性極為有限，必須將元件升溫，再于外加磁場(chǎng)下降溫，才能改變鐵磁層磁矩的釘鎖方向。

　　因而世界各研究團(tuán)隊(duì)莫不希望突破此困境，尋求突破性的操控技術(shù)。其中一個(gè)突破點(diǎn)，就是善用自旋流。臺(tái)灣清大研究團(tuán)隊(duì)解釋，電子具有電荷，也具有自旋：當(dāng)電荷流動(dòng)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生熟悉的電流，若有辦法驅(qū)動(dòng)自旋流動(dòng)，即可產(chǎn)生自旋流。

　　據(jù)了解，臺(tái)灣清大研究團(tuán)隊(duì)利用自旋流通過鐵磁-反鐵磁膜層，率先展示操控元件“交換偏壓”方向與大小，創(chuàng)下該領(lǐng)域技術(shù)新里程碑。且該技術(shù)可與現(xiàn)有電子元件操控與制程無縫接軌，是MRAM大突破，為自旋電子學(xué)帶來嶄新視野。

　　然而，發(fā)展過程也非全然順?biāo)?，全球首見的利用自旋流操控交換偏置曾引起審稿委員質(zhì)疑是元件溫度升高所致，與自旋流無關(guān)。不過，通過研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)新測(cè)量技術(shù)，排除熱效應(yīng)，成功消弭外界專家質(zhì)疑。

　　目前研究團(tuán)隊(duì)已將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到其它結(jié)構(gòu)的納米膜層，而這項(xiàng)突破除學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)外，通過相關(guān)計(jì)劃，對(duì)于存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)也有決定性影響力。這項(xiàng)技術(shù)在學(xué)理上的存取速度接近SRAM，具閃存非揮發(fā)性特性，平均能耗遠(yuǎn)低于DRAM，具應(yīng)用于嵌入式存儲(chǔ)器潛力，隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與更多的數(shù)據(jù)收集與傳感需求，MRAM市場(chǎng)預(yù)期將迅速成長(zhǎng)。