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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(xiàng)關(guān)于磁阻RAM（MRAM）設(shè)備的研究成果，該研究提出了一種用于MRAM設(shè)備、具有低能耗數(shù)據(jù)寫入的新技術(shù)。 在當(dāng)前的主流存儲器技術(shù)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）存在諸多局限性，例如雖然讀寫速度快，但功耗較大、存儲容量低、成本偏高，并且在斷電情況下無法保存數(shù)據(jù)，這使得其使用場景受限；而NAND Flash存儲器的讀寫速度較低，其存儲密度明顯受到工藝制程的限制。隨著科技發(fā)展，為了突破DRAM、NAND Flash等傳統(tǒng)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型。與傳統(tǒng)RAM相比，MRAM具備多種優(yōu)勢，像非揮發(fā)性（能夠保存數(shù)據(jù)而不需要持續(xù)供電）、高速運(yùn)行、存儲容量具備增長潛力以及耐用性有所增強(qiáng)等。然而，MRAM設(shè)備也面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)，其中降低數(shù)據(jù)寫入過程中的能耗尤為關(guān)鍵。 大阪大學(xué)研究人員提出的這項(xiàng)新技術(shù)為解決MRAM設(shè)備寫入能耗問題帶來了新的可能。目前，現(xiàn)有的MRAM器件大多需要電流來切換磁隧道結(jié)的磁化矢量，這一過程類似于DRAM器件中切換電容器電荷狀態(tài)的操作。但在數(shù)據(jù)寫入過程中，由于需要較大的電流來切換磁化矢量，這必然會產(chǎn)生焦耳熱，從而消耗大量能量。而大阪大學(xué)的研究成果是開發(fā)了一種用于控制MRAM器件電場的新元件。 這種新元件的關(guān)鍵技術(shù)是一種多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的磁化矢量能夠通過電場進(jìn)行切換。其中，異質(zhì)結(jié)構(gòu)對電場的響應(yīng)可通過逆磁電（CME）耦合系數(shù)來衡量，數(shù)值越大意味著磁化響應(yīng)越強(qiáng)。研究人員之前的研究中，曾報道過一種多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其CME耦合系數(shù)超過10⁻⁵s/m。不過，這種結(jié)構(gòu)中的鐵磁層（Co₂FeSi）部分存在結(jié)構(gòu)波動，這一波動使得實(shí)現(xiàn)所需的磁各向異性變得困難，進(jìn)而阻礙了可靠的電場操作。 
界面多鐵性結(jié)構(gòu)示意圖 為了解決這一問題，研究人員進(jìn)一步開發(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。通過插入這一釩層，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)，其CME效應(yīng)所達(dá)到的值大于不包含釩層的類似設(shè)備所達(dá)到的值。而且研究人員還證明，借助改變電場的掃描操作，能夠在零電場的情況下可靠地實(shí)現(xiàn)兩種不同的磁狀態(tài)，即在零電場下有意實(shí)現(xiàn)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(cè)的結(jié)構(gòu)使用 Fe 原子層，而右側(cè)顯示的 V 層清晰可見，促進(jìn)了上方鐵磁Co2FeSi層的晶體取向。 這一研究成果表明，通過精確控制多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠滿足構(gòu)建實(shí)用的磁電（ME） - MRAM設(shè)備的兩個關(guān)鍵要求，也就是具備零電場的非易失性二元狀態(tài)和較大的CME效應(yīng)。如果這種基于電場寫入方案的MRAM設(shè)備能夠成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，將有可能為傳統(tǒng)RAM提供有效的替代方案，這對于推動存儲器技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。 需要注意的是，目前新型存儲市場主要側(cè)重于低延遲存儲與持久內(nèi)存方面，雖然在性能等方面展現(xiàn)出潛力，但還不足以替代DRAM和NAND閃存占據(jù)的主流市場地位。不過，隨著5G時代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧城市等應(yīng)用市場不斷拓展并對存儲器提出多樣化需求，同時傳統(tǒng)存儲器市場價格波動等因素影響，新型存儲器在未來的市場將發(fā)揮更為重要的作用。 |
