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清大研发全球首例自旋流解密MRAM关键瓶颈
 

【CTIMES/SmartAuto 报导】   2019年03月14日 星期四

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由国立清华大学赖志煌教授与林秀豪教授所带领的研究团队,在科技部长期的支持下,研究MRAM的特性、制程与操控,独步全球,成功以自旋流操控铁磁-反铁磁奈米膜层的磁性翻转,研究成果刊登於材料领域顶尖期刊《自然材料》(Nature Materials)。

清华大学材料科学工程学系赖志煌教授(左)、清华大学物理学系林秀豪教授(右)
清华大学材料科学工程学系赖志煌教授(左)、清华大学物理学系林秀豪教授(右)

MRAM是极被看好的後摩尔定律世代的记忆体。其结构有如三明治,上层是自由翻转的铁磁层,可快速处理资料,底层则是钉锁住的铁磁层,可用作储存资料,两层中则有氧化层隔开。当此二铁磁层的磁化方向相同,是低电阻态,代表「1」 ;此二铁磁层的磁化方向相反,是高电阻态,代表「0」。有别於目前的主流记忆体(SRAM 与 DRAM),MRAM兼具处理与储存资讯的功能,且断电时资讯不会流失,电源开启可即时运作,耗能低、读写速度快。

其中一个技术关键,就是如何操控钉锁住的铁磁层。若想要将铁磁层的磁矩方向钉锁住,只需「黏」上一层反铁磁层即可,制成的铁磁-反铁磁膜层即可应用在磁记忆体上。此现象称为「交换偏压」,虽发现至今已超过60年,其应用性极广,但背後的物理机制未明。而且交换偏压的操控性极为有限。必须将元件升温,然後於外加磁场下降温,才能改变铁磁层磁矩的钉锁方向。

无论是外加磁场或是升降温度,都与现有电子元件的操作格格不入。世界各研究团队莫不希??突破此困境,寻求崭新的操控技术。其中一个突破点,就是善用自旋流。电子具有电荷,也具有自旋:当电荷流动时,即会产生熟悉的电流,若有办法驱动自旋流动,即可产生自旋流。

赖教授与林教授的团队利用自旋流通过铁磁-反铁磁膜层,率先展示操控元件「交换偏压」方向与大小的里程碑。此技术可与现有电子元件的操控与制程无缝接轨,是MRAM的大突破,为自旋电子学的发展带来崭新视野。

利用自旋流操控交换偏置乃全球首见,赖教授表示当初投稿时引发诸多质疑,审稿委员怀疑是元件温度升高所致,与自旋流无关。由於团队横跨材料与物理领域,兼具实验与理论的专业能力,在面对高难度的质疑与挑战时,能够跳脱框架思考,以极高的效率与执行力,清楚精确地回应相关的质疑与挑战。

目前研究团队将此突破性的发现,应用到其它结构的奈米膜层,陆续发现更多具影响力的结果,除了学术的贡献外,经由科技部半导体射月计画的连结,将对於国内记忆体产业发展有决定性的影响力。

这项技术在学理上的存取速度接近 SRAM,具快闪记忆体的非挥发性特性,平均能耗远低於 DRAM,应用於嵌入式记忆体(Embedded Memory)极具潜力,随着人工智慧、物联网装置与更多的资料收集与感测需求,MRAM的市场也将迅速成长。

關鍵字: MRAM  科技部 
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