日本東北大學(xué)，開(kāi)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(kāi)發(fā)成功了可超高速動(dòng)作的新型磁存儲器(MRAM：Magnetic Random Access Memory)的基礎元件，并實(shí)際驗證了動(dòng)作。該元件可兼顧迄今MRAM元件難以實(shí)現的小電流動(dòng)作和高速動(dòng)作。

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

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

　　最近20年，經(jīng)過(guò)從基礎研究到應用的廣泛研發(fā)，部分MRAM已開(kāi)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”現象為實(shí)驗所證實(shí)。人們知道這種方式有兩種構造，一種是(a)磁化朝著(zhù)與基板垂直的方向(Z軸方向)，另一種是(b)在基板內與電流垂直的方向(Y軸方向)。但是存在的課題是，(a)磁化反轉所需要的電流絕對值較大、(b)在高速區域磁化反轉所需要的電流會(huì )明顯増大。

　　研究小組此次探討了(c)在基板內磁化朝著(zhù)電流平行方向(X軸方向)的構造。根據理論計算，設計出了材料和元件構造，并用微細加工技術(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)行磁化反轉的強磁性層使用了硼鐵化鈷(CoFeB)合金。在對制作的元件評測時(shí)發(fā)現，磁化反轉需要的電流密度在5×1011A/m2以下，在實(shí)用上是足夠小的值。

　　此次還通過(guò)理論計算發(fā)現，新構造元件能夠在小電流下實(shí)現速度為傳統MRAM元件10倍左右的納秒級運行。不僅在應用方面為GHz級別的超高速運行開(kāi)辟了道路，而且從基本意義上來(lái)說(shuō)，因為X-Y-Z垂直坐標系中的所有自旋軌道力矩磁化反轉方式都已研究明確，所以有望進(jìn)一步促進(jìn)對自旋-軌道相互作用的了解。

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