MRAM，新突破_風聞

本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自aoI

顛覆傳統寫入，MRAM 能耗降至新閾值。

近年來，受傳統系統改進需求的推動，存儲器技術發展迅速。磁阻隨機存取存儲器(MRAM) 作為一種頗具前景的候選技術，正日益受到關注，成為 DRAM 等標準易失性存儲器的有力替代品。

MRAM 因其無需電源即可保存數據的能力而脱穎而出。它還具有更高的耐用性，並且與 CMOS 芯片完美兼容。這些特性使其成為兼顧可靠性和能效的應用的理想之選。然而，一個問題依然存在——如何降低數據寫入過程中的能耗。

《先進科學》（Advanced Science）雜誌最近發表的一項研究採用一種新方法解決了這個問題。該團隊沒有依賴通常的電流驅動方法，而是探索了基於電場的技術。這種方法可能是解決MRAM功耗問題的關鍵。

大阪大學的研究團隊提出了一種基於多鐵性異質結構的新概念。這些結構採用結合了不同電學和磁性的層狀材料。他們的方法顯著降低了寫入過程中的能量需求，使MRAM更接近低功耗的現實。

Co2FeSi/V/PMN-PT(011)異質結構的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡 (HAADF-STEM) 圖像和能量色散X射線能譜 (EDX) 元素圖，其中區域軸為 PMN-PT[100]。(來源：Advanced Science)

電場切換和功耗

傳統的MRAM 工作原理是利用自旋轉移矩 (STT) 或自旋軌道矩 (SOT) 實現磁化切換。這些方法需要電流通過鉑或鎢等緻密金屬。雖然速度快且可擴展，但它們會通過焦耳熱浪費大量能量，將電能轉化為不必要的熱量。

為了避免這些損失，科學家們開始測試基於電場(E) 的開關。這種方法無需強電流即可調整磁化強度。早期的研究主要集中在半導體或介電層上的薄鐵磁體上。但這些設計通常需要額外的磁場，這使得它們在現實世界的高温環境中不太實用。

為了獲得更好的結果，研究人員轉向了多鐵性材料。這種材料結合了鐵磁層和壓電層。這種層狀結構對電場響應良好，並且在室温或更高温度下性能可靠。最重要的是，它不需要任何外部磁場。

大阪團隊採用了一種名為Co₂FeSi的Heusler合金，並搭配一種名為PMN-PT的壓電材料。他們在兩者之間插入了一層非常薄的釩。這一細微的調整有助於生長出高度取向的(422)Co₂FeSi薄膜——這是實現更強的電控磁化的關鍵一步。

釩插入增強磁電效應

這種微調使得所謂的逆磁電效應(CME) 取得了巨大的飛躍。CME 效應發生在電場改變磁化強度時。在這項研究中，耦合係數超過了 10⁻⁵ s/m——這是一個顯著的里程碑。通過調整釩和 Co₂FeSi 層的厚度，該團隊僅使用電場就實現了穩定的磁化控制。

主要作者Takamasa Usami 解釋説：“由於 MRAM 設備依賴於電容器中的非易失性磁化狀態而不是易失性電荷狀態，因此就待機狀態下的低功耗而言，它們是 DRAM 的有前途的替代品。”

Co2FeSi/V/PMN-PT(011)異質結構示意圖。電場垂直施加於Co2FeSi/V/PMN-PT異質結構平面。（來源：Advanced Science）

PMN-PT 基板具有強大的壓電特性，其應用是本研究不可或缺的一部分。這些材料能夠在壓電層和鐵磁層之間實現高效的應變傳遞，從而促進電場誘導的磁化強度變化。這種方法與早期依賴高温處理的方法截然不同，因為高温處理通常會降低壓電性能。

這項研究最引人注目的成果之一是在零電場下實現了非易失性二進制狀態。通過操控電場的掃描操作，研究人員演示了兩種不同的磁化狀態，這些狀態無需額外能量輸入即可保持穩定。這一特性滿足了實用MRAM器件的一個關鍵要求，即在最低功耗下實現穩定的數據存儲。

室温及以上磁化控制

這些狀態的穩定性源於釩插入促進的(422)Co2FeSi層的精確生長。X射線衍射測量證實了結構波動的不存在，從而確保了整個器件的磁性能一致性。這一進步與之前的設計形成了鮮明對比，之前的設計存在平面結構不一致的問題，從而限制了其可靠性。

對放大的HAADF-STEM圖像進行高分辨率分析。（來源：Advanced Science）

此外，掃描透射電子顯微鏡(STEM) 分析揭示了異質結構的原子結構。這些圖像揭示了 Co2FeSi 層和 PMN-PT 層之間清晰均勻的界面，凸顯了釩插入在促進外延生長方面的有效性。

資深作者Kohei Hamaya 指出，“通過精確控制多鐵性異質結構，可以滿足實現實用磁電 MRAM 器件的兩個關鍵要求，即零電場的非易失性二元狀態和巨大的 CME 效應。”

這項研究的意義遠不止於節能存儲器。所展示的多鐵性異質結構不僅降低了功耗，還增強了MRAM的可擴展性和可靠性。通過消除對大電流的需求，該技術減輕了發熱和材料性能的下降，為實現耐用型存儲設備奠定了基礎。

可擴展、低功耗、CMOS兼容

此外，將多鐵性異質結構集成到現有製造工藝中是一項顯著優勢。這些材料與CMOS技術的兼容性確保了它們可以集成到各種電子設備中，而無需進行大量的重新設計。

圖(a) 和 (b) 分別為 Co2FeSi(30 nm)/V(tV nm)/PMN-PT(011) 和 Co2FeSi(tCFS nm)/V(0.6 nm)/PMN-PT(011) 條件下不同 tV 和 tCFS 的室温代表性磁致伸縮 (MH) 曲線。圖 (c) 和 (d) 分別為估算的 Kg 與 tV 和 tCFS 的關係。（來源：Advanced Science）

這些器件能夠在室温及以上温度下實現穩健的性能，適用於從消費電子產品到工業系統的廣泛應用。例如，可穿戴醫療設備既需要低功耗，又需要可靠的性能，因此可以從這項技術中受益匪淺。

這項突破也凸顯了磁電MRAM（ME-MRAM）作為自旋電子學領域一項變革性技術的潛力。電場驅動開關與非易失性的結合符合現代計算的需求，為高能耗存儲器解決方案提供了一種可持續的替代方案。

未來的發展可能集中在進一步減少鐵磁層的厚度、提高速度以及進一步降低功率需求。

多鐵性MRAM為自旋電子學開闢了新途徑

隨着大阪大學團隊不斷完善設計，MRAM 的未來前景愈加光明。將多鐵性異質結構集成到實際器件中，或將徹底改變存儲器，實現節能、高容量的系統，以滿足下一代計算的需求。此外，本研究展示的原理或將啓發其他自旋電子學應用的新方法，包括邏輯器件和傳感器。

這項研究也強調了跨學科合作對於推進存儲技術的重要性。通過結合材料科學、物理學和工程學的專業知識，研究人員為滿足日益增長的數字存儲需求，開闢了一條可持續且可擴展的解決方案之路。

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