MRAM技術(shù)新突破！臺灣清大團隊發(fā)表新磁性翻轉技術(shù)

　　全球各半導體大廠(chǎng)如三星、東芝、英特爾等摩拳擦掌競相投入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)，準備在后摩爾定律世代一較高下。臺灣清華大學(xué)研究團隊最新發(fā)表以自旋流操控鐵磁-反鐵磁納米膜層的磁性翻轉，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)性存儲器技術(shù)，斷電時(shí)利用納米磁鐵所存儲的數據不會(huì )流失，是“不失憶”的存儲器。其結構如三明治，上層是自由翻轉的鐵磁層，可快速處理數據，底層則是釘鎖住的鐵磁層，可用作存儲數據，兩層中則有氧化層隔開(kāi)。

　　其運作原理當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器SRAM與DRAM，MRAM兼具處理與存儲信息功能，斷電時(shí)信息不會(huì )流失，電源開(kāi)啟可實(shí)時(shí)運作，耗能低、讀寫(xiě)速度快，成為產(chǎn)業(yè)界看好的明日之星。

　　不過(guò)，當中技術(shù)關(guān)鍵就是如何操控釘鎖住的鐵磁層。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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-反鐵磁膜層即可應用在磁存儲器上。

　　此現象稱(chēng)為“交換偏壓”，雖發(fā)現至今已超過(guò)60年，其應用性極廣，但背后的物理機制未明。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。

　　因而世界各研究團隊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。臺灣清大研究團隊解釋?zhuān)娮泳哂须姾?，也具有自旋：當電荷流?dòng)時(shí)，即會(huì )產(chǎn)生熟悉的電流，若有辦法驅動(dòng)自旋流動(dòng)，即可產(chǎn)生自旋流。

　　據了解，臺灣清大研究團隊利用自旋流通過(guò)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)可與現有電子元件操控與制程無(wú)縫接軌，是MRAM大突破，為自旋電子學(xué)帶來(lái)嶄新視野。

　　然而，發(fā)展過(guò)程也非全然順遂，全球首見(jiàn)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(wú)關(guān)。不過(guò)，通過(guò)研發(fā)團隊發(fā)新測量技術(shù)，排除熱效應，成功消弭外界專(zhuān)家質(zhì)疑。

　　目前研究團隊已將相關(guān)技術(shù)應用到其它結構的納米膜層，而這項突破除學(xué)術(shù)貢獻外，通過(guò)相關(guān)計劃，對于存儲器產(chǎn)業(yè)也有決定性影響力。這項技術(shù)在學(xué)理上的存取速度接近SRAM，具閃存非揮發(fā)性特性，平均能耗遠低于DRAM，具應用于嵌入式存儲器潛力，隨著(zhù)AI、物聯(lián)網(wǎng)設備與更多的數據收集與傳感需求，MRAM市場(chǎng)預期將迅速成長(cháng)。