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近日，大阪大學(xué)研究人員在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項關(guān)于磁阻RAM（MRAM）設備的研究成果，該研究提出了一種用于MRAM設備、具有低能耗數據寫(xiě)入的新技術(shù)。 在當前的主流存儲器技術(shù)領(lǐng)域中，傳統動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）存在諸多局限性，例如雖然讀寫(xiě)速度快，但功耗較大、存儲容量低、成本偏高，并且在斷電情況下無(wú)法保存數據，這使得其使用場(chǎng)景受限；而NAND Flash存儲器的讀寫(xiě)速度較低，其存儲密度明顯受到工藝制程的限制。隨著(zhù)科技發(fā)展，為了突破DRAM、NAND Flash等傳統存儲器技術(shù)的局限，存儲技術(shù)不斷創(chuàng )新發(fā)展，新型存儲技術(shù)逐漸受到廣泛關(guān)注。 磁阻RAM（MRAM）便是眾多新型存儲技術(shù)中的一種具有潛力的類(lèi)型。與傳統RAM相比，MRAM具備多種優(yōu)勢，像非揮發(fā)性（能夠保存數據而不需要持續供電）、高速運行、存儲容量具備增長(cháng)潛力以及耐用性有所增強等。然而，MRAM設備也面臨著(zhù)一些技術(shù)挑戰，其中降低數據寫(xiě)入過(guò)程中的能耗尤為關(guān)鍵。 大阪大學(xué)研究人員提出的這項新技術(shù)為解決MRAM設備寫(xiě)入能耗問(wèn)題帶來(lái)了新的可能。目前，現有的MRAM器件大多需要電流來(lái)切換磁隧道結的磁化矢量，這一過(guò)程類(lèi)似于DRAM器件中切換電容器電荷狀態(tài)的操作。但在數據寫(xiě)入過(guò)程中，由于需要較大的電流來(lái)切換磁化矢量，這必然會(huì )產(chǎn)生焦耳熱，從而消耗大量能量。而大阪大學(xué)的研究成果是開(kāi)發(fā)了一種用于控制MRAM器件電場(chǎng)的新元件。 這種新元件的關(guān)鍵技術(shù)是一種多鐵異質(zhì)結構，該結構的磁化矢量能夠通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行切換。其中，異質(zhì)結構對電場(chǎng)的響應可通過(guò)逆磁電（CME）耦合系數來(lái)衡量，數值越大意味著(zhù)磁化響應越強。研究人員之前的研究中，曾報道過(guò)一種多鐵異質(zhì)結構，其CME耦合系數超過(guò)10⁻⁵s/m。不過(guò)，這種結構中的鐵磁層（Co₂FeSi）部分存在結構波動(dòng)，這一波動(dòng)使得實(shí)現所需的磁各向異性變得困難，進(jìn)而阻礙了可靠的電場(chǎng)操作。 
界面多鐵性結構示意圖 為了解決這一問(wèn)題，研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了新技術(shù)，在鐵磁層和壓電層之間插入一層超薄的釩層。通過(guò)插入這一釩層，能夠實(shí)現清晰的界面，可有效地控制Co₂FeSi層中的磁各向異性。此外，這種改進(jìn)后的結構，其CME效應所達到的值大于不包含釩層的類(lèi)似設備所達到的值。而且研究人員還證明，借助改變電場(chǎng)的掃描操作，能夠在零電場(chǎng)的情況下可靠地實(shí)現兩種不同的磁狀態(tài)，即在零電場(chǎng)下有意實(shí)現非易失性二元狀態(tài)。
鐵磁 Co2FeSi 層/原子層/壓電層界面的原子圖像。左側的結構使用 Fe 原子層，而右側顯示的 V 層清晰可見(jiàn)，促進(jìn)了上方鐵磁Co2FeSi層的晶體取向。 這一研究成果表明，通過(guò)精確控制多鐵異質(zhì)結構，能夠滿(mǎn)足構建實(shí)用的磁電（ME） - MRAM設備的兩個(gè)關(guān)鍵要求，也就是具備零電場(chǎng)的非易失性二元狀態(tài)和較大的CME效應。如果這種基于電場(chǎng)寫(xiě)入方案的MRAM設備能夠成功實(shí)現商業(yè)化生產(chǎn)，將有可能為傳統RAM提供有效的替代方案，這對于推動(dòng)存儲器技術(shù)的發(fā)展有著(zhù)重要意義。 需要注意的是，目前新型存儲市場(chǎng)主要側重于低延遲存儲與持久內存方面，雖然在性能等方面展現出潛力，但還不足以替代DRAM和NAND閃存占據的主流市場(chǎng)地位。不過(guò)，隨著(zhù)5G時(shí)代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧城市等應用市場(chǎng)不斷拓展并對存儲器提出多樣化需求，同時(shí)傳統存儲器市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)等因素影響，新型存儲器在未來(lái)的市場(chǎng)將發(fā)揮更為重要的作用。 |
