自旋流解密不失憶記憶體關鍵瓶頸 市場將迅速成長

新網記者歸鴻亭台北特稿
2019/3/14 下午 05:03:13 / 電腦實境

　讓全球各半導體大廠如三星、東芝、英特爾等摩拳擦掌紛紛投入，準備在後摩爾定律世代一較高下，是將成未來趨勢更節能且不失憶的磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)。

清華大學材料系教授賴志煌說明節能且不失憶的磁阻式隨機存取記憶體市場將迅速成長。(歸鴻亭攝影)

　清華大學材料系教授賴志煌與林秀豪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，成功以自旋流操控鐵磁-反鐵磁奈米膜層的磁性翻轉，研究成果於今(108)年2月19日刊登於材料領域期刊《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。賴志煌表示，磁阻式隨機存取記憶體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。

賴志煌介紹此突破性的發現，應用到其它結構的奈米膜層，陸續發現更多具影響力的結果。(歸鴻亭攝影)

　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。

　賴志煌解釋，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。

MRAM是極被看好的後摩爾定律世代的記憶體。(歸鴻亭攝影)

　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。他說明，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。賴教授與林教授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乃全球首見，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。

MRAM研究成果已刊登於材料領域期刊《自然材料》。(歸鴻亭攝影)

　目前研究團隊將此突破性的發現，應用到其它結構的奈米膜層，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，將對於國內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、物聯網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。