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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(xiě)入的新技術(shù)。 在當(dāng)前的主流存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(chǔ)容量低、成本偏高，并且在斷電情況下無(wú)法保存數(shù)據(jù)，這使得其使用場(chǎng)景受限；而NAND Flash存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)速度較低，其存儲(chǔ)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(chǔ)器技術(shù)的局限，存儲(chǔ)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，新型存儲(chǔ)技術(shù)逐漸受到廣泛關(guān)注。 磁阻RAM（MRAM）便是眾多新型存儲(chǔ)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(shì)，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(chǔ)容量具備增長(zhǎng)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(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(xiàng)新技術(shù)為解決MRAM設(shè)備寫(xiě)入能耗問(wèn)題帶來(lái)了新的可能。目前，現(xiàn)有的MRAM器件大多需要電流來(lái)切換磁隧道結(jié)的磁化矢量，這一過(guò)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(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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的磁化矢量能夠通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行切換。其中，異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)可通過(guò)逆磁電（CME）耦合系數(shù)來(lái)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(bào)道過(guò)一種多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其CME耦合系數(shù)超過(guò)10⁻⁵s/m。不過(guò)，這種結(jié)構(gòu)中的鐵磁層（Co₂FeSi）部分存在結(jié)構(gòu)波動(dòng)，這一波動(dòng)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(chǎng)操作。 
界面多鐵性結(jié)構(gòu)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?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(chǎng)的掃描操作，能夠在零電場(chǎng)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(chǎng)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(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(jié)構(gòu)，能夠滿足構(gòu)建實(shí)用的磁電（ME） - MRAM設(shè)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(yīng)。如果這種基于電場(chǎng)寫(xiě)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(duì)于推動(dòng)存儲(chǔ)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(chǔ)市場(chǎng)主要側(cè)重于低延遲存儲(chǔ)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(chǎng)地位。不過(guò)，隨著5G時(shí)代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧城市等應(yīng)用市場(chǎng)不斷拓展并對(duì)存儲(chǔ)器提出多樣化需求，同時(shí)傳統(tǒng)存儲(chǔ)器市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)等因素影響，新型存儲(chǔ)器在未來(lái)的市場(chǎng)將發(fā)揮更為重要的作用。 |
