MRAM技术的新突破！台湾清大团队发表新磁性翻转技术

芯科技消息（文/方中同）全球各半导体大厂如三星、东芝、英特尔等摩拳擦掌竞相投入磁阻式随机存取存储器（MRAM），准备在后摩尔定律世代一较高下。台湾清华大学研究团队最新发表以自旋流操控铁磁-反铁磁纳米膜层的磁性翻转，研究成果已于今年2月19日刊登于材料领域顶尖期刊《自然材料》(Nature Materials)。

MRAM为非挥发性存储器技术，断电时利用纳米磁铁所存储的数据不会流失，是“不失忆”的存储器。其结构如三明治，上层是自由翻转的铁磁层，可快速处理数据，底层则是钉锁住的铁磁层，可用作存储数据，两层中则有氧化层隔开。

其运作原理当此二铁磁层磁化方向相同，是低电阻态，代表“1”；二铁磁层磁化方向相反，为高电阻态，代表“0”。有别于目前主流存储器SRAM 与 DRAM，MRAM兼具处理与存储信息功能，断电时信息不会流失，电源开启可实时运作，耗能低、读写速度快，成为产业界看好的明日之星。

不过，当中技术关键就是如何操控钉锁住的铁磁层。简单来说，若要将铁磁层磁矩方向钉锁住，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存储器上。

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，但背后的物理机制未明。且交换偏压操控性极为有限，必须将元件升温，再于外加磁场下降温，才能改变铁磁层磁矩的钉锁方向。

因而世界各研究团队莫不希望突破此困境，寻求突破性的操控技术。其中一个突破点，就是善用自旋流。台湾清大研究团队解释，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。

据了解，台湾清大研究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，创下该领域技术新里程碑。且该技术可与现有电子元件操控与制程无缝接轨，是MRAM大突破，为自旋电子学带来崭新视野。

然而，发展过程也非全然顺遂，全球首见的利用自旋流操控交换偏置曾引起审稿委员质疑是元件温度升高所致，与自旋流无关。不过，通过研发团队发新测量技术，排除热效应，成功消弭外界专家质疑。

目前研究团队已将相关技术应用到其它结构的纳米膜层，而这项突破除学术贡献外，通过相关计划，对于存储器产业也有决定性影响力。这项技术在学理上的存取速度接近 SRAM，具闪存非挥发性特性，平均能耗远低于 DRAM，具应用于嵌入式存储器潜力，随着AI、物联网设备与更多的数据收集与传感需求，MRAM市场预期将迅速成长。