次世代非揮發性記憶體——磁阻隨機存取記憶體(MRAM)由於兼具快速讀取/寫入、高密度與低成本等優勢,一直是各大記憶體廠商競相投入的重點技術。特別是隨著以自旋轉移扭矩(spin-transfer torque;STT)為架構的MRAM預計在今年量產,另一種更高效轉移磁矩方向的自旋軌道扭矩(spin-orbit torque;SOT)架構正被看好成為製造下一代MRAM的替代方案。

然而,當記憶體單元不斷微縮至更小尺寸,可能會在其三端式磁穿隧接面(MTJ)結構形成挑戰,甚至影響熱穩定度。

STT vs SOT MRAM

STT-MRAM (左) vs. SOT-MRAM (右)(來源:清華大學)

由清華大學材料系與物理系跨領域合作的研究團隊,成功利用電子自旋流操控鐵磁-反鐵磁奈米膜層的磁性翻轉,證實了電流脈衝引發的垂直交換偏置(exchange bias)能夠克服熱穩定性的挑戰,可望成為新一代MRAM的核心架構,打造出讀寫速度更快、更省電、斷電時資訊也不流失的「不失憶記憶體」。

這項被譽為「夢幻記憶體」的研發成果已刊登於最新一期(108年2月19日)《自然材料》(Nature Materials)期刊的「透過自旋軌道扭矩(SOT)操控交換偏壓」(Manipulating exchange bias by spin-orbit torque)一文中。

根據研究人員解釋,磁性記憶體的結構就像三明治,其上是自由翻轉的鐵磁層,可快速處理資料;底層是像被夾子固定住的磁鐵,負責儲存資料;中間則以氧化層隔開。當電子向上或向下自旋時,分別儲存為0與1。

然而,這些小磁鐵在室溫下因熱能的關係並不穩定,必須「黏」上一層反鐵磁層,才能鎖定磁鐵的磁矩方向,即「交換偏壓」。但交換偏壓的操控性有限,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。而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,其突破點之一就在於善用電荷流動時產生的自旋流。

清華大學材料系教授賴志煌與物理系教授林秀豪即提出了使用自旋電子流,來操控交換偏壓,突破以往只能用磁場退火來改變的限制。經過多次實驗嘗試後,研究人員們找到了靈活控制磁鐵夾子的方法,即在磁鐵結構上再加一層薄僅幾奈米的白金,利用它的自旋軌道耦合作用產生自旋流,就能快速又準確地翻轉被固定住的小磁鐵。

SOT-MRAM FM magnetization

鐵磁層(FM)磁化和交換偏置的SOT切換機制(來源:nature.com)

賴志煌說:「就像在保齡球道上,只要加點磨擦力,就可以輕易改變旋轉球的前進方向,進而推倒球瓶。」

但這看似簡單卻有效的辦法,過去為何沒有科學家想到?根據這項研究的第一作者——清華大學博士生林柏宏解釋,這還讓他們在投稿國際期刊時被評審委員懷疑是否為實驗受到熱源影響的「誤會」,後來經證實的確是自旋電子自然產生的高溫所致,才得到學界頂尖期刊認可。

隨著STT-MRAM將在今年量產,賴志煌表示,清華大學團隊以電子自旋流操控鐵磁-反鐵磁奈米膜層的磁性翻轉機制,可望成為下一代MRAM——SOT-MRAM的核心技術,並預計最快將在3年後量產。