是什麼樣的記憶體技術,讓全球各半導體大廠如三星(Samsung)、東芝(Toshiba)、英特爾(Intel)等摩拳擦掌紛紛投入,準備在後摩爾定律世代一較高下?答案是磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)。它是一種非揮發性記憶體技術,也就是斷電時,利用奈米磁鐵所儲存的資料並不會流失,是「不失憶」的記憶體。由國立清華大學教授賴志煌與林秀豪所帶領的研究團隊,在科技部長期的支持下,研究MRAM的特性、製程與操控,獨步全球,成功以自旋流操控鐵磁-反鐵磁奈米膜層的磁性翻轉,研究成果於108年2月19日刊登於材料領域頂尖期刊《自然材料(Nature Materials)》。

電腦、平板、手機在生活中處處可見,其背後運作的核心功能,不外乎資訊的處理與儲存。開發適當的電子元件,既可以同時快速處理資訊,又能夠穩定儲存資訊,吸引學界業界各個領域的專家投入,而其中MRAM是極被看好的後摩爾定律世代的記憶體。其結構有如三明治,上層是自由翻轉的鐵磁層,可快速處理資料,底層則是釘鎖住的鐵磁層,可用作儲存資料,兩層中則有氧化層隔開。當此二鐵磁層的磁化方向相同,是低電阻態,代表「1」;此二鐵磁層的磁化方向相反,是高電阻態,代表「0」。有別於目前的主流記憶體(SRAM與DRAM),MRAM兼具處理與儲存資訊的功能,且斷電時資訊不會流失,電源開啟可即時運作,耗能低、讀寫速度快,是多方看好的明日之星。

其中一個技術關鍵,就是如何操控釘鎖住的鐵磁層。若想要將鐵磁層的磁矩方向釘鎖住,簡單卻神奇,只需「黏」上一層反鐵磁層即可,製成的鐵磁-反鐵磁膜層即可應用在磁記憶體上。此現象稱為「交換偏壓」,雖發現至今已超過60年,其應用性極廣,但背後的物理機制未明。而且交換偏壓的操控性極為有限,必須將元件升溫,然後於外加磁場下降溫,才能改變鐵磁層磁矩的釘鎖方向。

無論是外加磁場或是升降溫度,都與現有電子元件的操作格格不入。世界各研究團隊莫不希望突破此困境,尋求嶄新的操控技術,其中一個突破點,就是善用自旋流。電子具有電荷,也具有自旋:當電荷流動時,即會產生熟悉的電流,若有辦法驅動自旋流動,即可產生自旋流。賴志煌與林秀豪的團隊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」方向與大小的里程碑。此技術可與現有電子元件的操控與製程無縫接軌,是MRAM的大突破,為自旋電子學的發展帶來嶄新視野。

利用自旋流操控交換偏置是全球首見。賴志煌表示,當初投稿時引發諸多質疑,審稿委員懷疑是元件溫度升高所致,與自旋流無關。由於團隊橫跨材料與物理領域,兼具實驗與理論的專業能力,在面對高難度的質疑與挑戰時,能夠跳脫框架思考,以極高的效率與執行力,清楚精確地回應相關的質疑與挑戰。舉例來說,在經過理論分析與實驗操作評估後,研究團隊開發新的測量技術,首創該領域微秒等級的即時溫標,此技術可偵測元件任一時刻的溫度,藉此明確排除熱效應,成功消弭審稿委員的質疑。

目前研究團隊將此突破性的發現,應用到其他結構的奈米膜層,陸續發現更多具影響力的結果,除了學術的貢獻外,經由科技部半導體射月計畫的連結,將對於台灣記憶體產業發展有決定性的影響力。這項技術在學理上的存取速度接近SRAM,具快閃記憶體的非揮發性特性,平均能耗遠低於DRAM,應用於嵌入式記憶體(Embedded Memory)極具潛力,隨著人工智慧(AI)、物聯網(IoT)裝置與更多的資料收集與感測需求,MRAM的市場也將迅速成長。