清華大學研究團隊創新磁性翻轉機制突破MRAM技術瓶頸

2021-01-11 EDN電子設計技術

次世代非揮發性內存——磁阻隨機存取內存(MRAM)由於兼具快速讀取/寫入、高密度與低成本等優勢，一直是各大內存廠商競相投入的重點技術。特別是隨著以自旋轉移扭矩(spin-transfer torque；STT)為架構的MRAM預計在今年量產，另一種更高效轉移磁矩方向的自旋軌道扭矩(spin-orbit torque；SOT)架構正被看好成為製造下一代MRAM的替代方案。7B9ednc

然而，當內存單元不斷微縮至更小尺寸，可能會在其三端式磁穿隧接面(MTJ)結構形成挑戰，甚至影響熱穩定度。7B9ednc

7B9ednc

STT-MRAM (左) vs. SOT-MRAM (右)（來源：清華大學）7B9ednc

由清華大學材料系與物理系跨領域合作的研究團隊，成功利用電子自旋流操控鐵磁-反鐵磁奈米膜層的磁性翻轉，證實了電流脈衝引發的垂直交換偏置(exchange bias)能夠克服熱穩定性的挑戰，可望成為新一代MRAM的核心架構，打造出讀寫速度更快、更省電、斷電時信息也不流失的「不失憶內存」。7B9ednc

這項被譽為「夢幻內存」的研發成果已刊登於最新一期(108年2月19日)《自然材料》(Nature Materials)期刊的「透過自旋軌道扭矩(SOT)操控交換偏壓」(Manipulating exchange bias by spin-orbit torque)一文中。7B9ednc

根據研究人員解釋，磁性內存的結構就像三明治，其上是自由翻轉的鐵磁層，可快速處理數據；底層是像被夾子固定住的磁鐵，負責儲存數據；中間則以氧化層隔開。當電子向上或向下自旋時，分別儲存為0與1。7B9ednc

然而，這些小磁鐵在室溫下因熱能的關係並不穩定，必須「黏」上一層反鐵磁層，才能鎖定磁鐵的磁矩方向，即「交換偏壓」。但交換偏壓的操控性有限，必須將組件升溫，然後於外加磁場下降溫，才能改變鐵磁層磁矩的釘鎖方向。而無論是外加磁場或是升降溫度，都與現有電子組件的操作格格不入，其突破點之一就在於善用電荷流動時產生的自旋流。7B9ednc

清華大學材料系教授賴志煌與物理系教授林秀豪即提出了使用自旋電子流，來操控交換偏壓，突破以往只能用磁場退火來改變的限制。經過多次實驗嘗試後，研究人員們找到了靈活控制磁鐵夾子的方法，即在磁鐵結構上再加一層薄僅幾奈米的白金，利用它的自旋軌道耦合作用產生自旋流，就能快速又準確地翻轉被固定住的小磁鐵。7B9ednc

7B9ednc

鐵磁層(FM)磁化和交換偏置的SOT切換機制（來源：nature.com）7B9ednc

賴志煌說：「就像在保齡球道上，只要加點磨擦力，就可以輕易改變旋轉球的前進方向，進而推倒球瓶。」7B9ednc

但這看似簡單卻有效的辦法，過去為何沒有科學家想到？根據這項研究的第一作者——清華大學博士生林柏宏解釋，這還讓他們在投稿國際期刊時被評審委員懷疑是否為實驗受到熱源影響的「誤會」，後來經證實的確是自旋電子自然產生的高溫所致，才得到學界頂尖期刊認可。7B9ednc

隨著STT-MRAM將在今年量產，賴志煌表示，清華大學團隊以電子自旋流操控鐵磁-反鐵磁奈米膜層的磁性翻轉機制，可望成為下一代MRAM——SOT-MRAM的核心技術，並預計最快將在3年後量產。7B9ednc

（原文發表於ASPENCORE旗下EDN姐妹媒體EETTaiwan，參考連結：創新磁性翻轉機制突破技術瓶頸）7B9ednc

相關焦點

  • 突破MRAM技術瓶頸,臺灣地區團隊成果全球首創
    臺灣地區清華大學團隊以電子自旋流操控磁阻式隨機存取存儲器（MRAM）中的磁性，突破瓶頸，成果全球首創，並預計4年後要做出下世代MRAM，盼為國內產業帶來關鍵影響。 臺灣地區「科技部」今天舉行「不失憶的存儲器—全球首例自旋流解密MRAM關鍵瓶頸」研究成果發表記者會，由國立清華大學材料系教授賴志煌與物理系教授林秀豪組成的研究團隊，成功以電子自旋流操控磁阻式隨機存取存儲器（MRAM）中的磁性，也創下全球首例。這項成果在今年2月刊登在國際頂尖期刊「自然材料」。
  • 清華大學物理系研究團隊發現內稟磁性拓撲絕緣體
    清華大學物理系研究團隊發現內稟磁性拓撲絕緣體清華新聞網6月20日電 近日，清華大學物理系何珂、薛其坤等人的實驗研究團隊和徐勇、段文暉等人的理論研究團隊合作首次發現了一種內稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4，為提升量子反常霍爾效應的溫度開闢了一條新的道路，並為多種新奇拓撲量子物態和效應的研究提供了一個理想平臺
  • 清華大學尤政院士團隊：智能微系統技術的研究成果與應用前景
    本期「國之重器·國家重點實驗室」，創壹智庫專訪精密測試技術及儀器國家重點實驗室（清華大學）尤政院士領銜的智能微系統團隊，探究先進的精密測試技術及儀器研究成果將會帶來什麼樣的應用前景。團隊在空間光學姿態敏感器技術領域開展了系統深入的研究，在新原理、新方法、新技術等方面提出 5項核心發明，在系統集成方面有4項重要創新，有針對性地突破了各項技術瓶頸，推動了光學姿態敏感器技術的發展。
  • ...課題組在自旋電子學領域取得重要突破:L10相FePt中體自旋力矩效應
    迄今為止，關於自旋力矩(Spin Orbit Torque, SOT)的研究主要集中於非磁金屬/鐵磁異質結體系，其面臨以下根本性瓶頸科學問題：異質結體系中的自旋力矩屬於界面效應，從而隨磁性薄膜厚度增加而減小，不利於製備熱穩定性好、非易失性的信息器件；由異質結構建的磁性隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)器件需要三端架構，顯著增加了器件複雜度。
  • 清華大學:施一公研究團隊在細胞凋亡研究領域取得新突破
    清華大學生命科學學院施一公教授實驗室在《Genes&Development》發表名為「MechanisticinsightsintoCED-4-mediatedactivationofCED-3」的學術論文。
  • 清華物理系實驗團隊合作在電場調控質子化控制磁性研究中取得進展
    清華物理系實驗團隊合作在電場調控質子化控制磁性研究中取得進展清華新聞網1月15日電  1月10日，清華大學物理繫於浦、楊魯懿等人的實驗研究團隊和上海交通大學羅衛東的理論研究團隊合作在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊發表《電控質子過程對SrRuO3磁態的調控》（Reversible manipulation of
  • 清華大學醫學院向燁研究組《自然》在線發文揭示細菌病毒突破宿主...
    清華大學醫學院向燁研究組《自然》在線發文揭示細菌病毒突破宿主細胞膜新機制清華新聞網6月17日電 6月15日，清華大學醫學院向燁研究組於在《自然》（Nature）雜誌在線發表題為「噬菌體φ29尾部蛋白含有一段用於穿透細胞膜的孔道形成環絆」（「
  • ——記清華大學薛其坤院士領銜的科研團隊
    攻克量子世界的制高點——記清華大學薛其坤院士領銜的科研團隊來源：新華網　2013-04-12　李江濤 吳晶晶　　　初春時節，北京傳出喜訊：清華大學物理系和中科院物理所聯合組成的團隊在實驗中首次發現量子反常霍爾效應，這被著名物理學家楊振寧稱之為
  • ——記清華大學地球系統科學研究中心團隊
    對於年輕的清華大學地球系統科學研究中心團隊來說，一連串的好消息讓他們在一番耕耘之後終於開始品嘗到成功的喜悅。　　不久前，法國學者在《氣候動力學》雜誌上發文表示，諸多CMIP5（第五次階段耦合模式比較計劃試驗）模式中，清華大學參與研發的FGOALS-g2模式對厄爾尼諾特徵及其大氣反饋的模擬能力是最好的。
  • 突破傳統瓶頸,MST技術助力揭示作物重要抗鹽鹼機制
    在此之前，玉米等作物抗鹽鹼的分子機制尚不明確，已成為作物抗鹽鹼育種的理論瓶頸。Saline-Alkaline condition) 蛋白調控Na+ 穩態抗鹽鹼脅迫的分子機制，是作物抗鹽鹼基礎研究領域的重要成果。
  • 復旦大學物理學系高春雷、吳施偉團隊合作 解密二維磁性材料之堆疊...
    針對這一問題，復旦大學物理學系教授高春雷、吳施偉團隊聯手協作，創造性地運用了原位化合物分子束外延生長技術和自旋極化掃描隧道顯微鏡結合的實驗手段，在原子級層面徹底釐清了雙層二維磁性半導體溴化鉻（CrBr3）的層間堆疊和磁耦合間的關聯，為二維磁性的調控指出了新的維度。
  • 【聚焦經濟熱詞】組建創新聯合體實現更多「從0到1」的突破
    國家新能源汽車技術創新中心於2018年3月1日在京成立，首批聯合共建方包括北汽集團、吉利、比亞迪、百度、清華大學、中科院電工所等21家企業和科研機構，涵蓋整車製造、電池生產、網際網路等領域。這是我國汽車行業首個國家級技術創新中心，以實現行業共性關鍵技術突破為己任。
  • 清華大學/深圳清華大學研究院鄭泉水院士課題組招聘博士後
    進一步地，摩擦、磨損使得許多關鍵技術遇到發展瓶頸。 結構超滑指直接接觸的兩固體表面間，相對滑移時摩擦幾乎為零、磨損為零的狀態。這一現象為解決摩擦磨損問題帶來了革命性的機遇。 結構超滑正處於產生顛覆性關鍵技術和源頭創新技術的前夜。這些技術的產生和應用可望為人類更美好的未來做出歷史性貢獻。
  • 圖靈獎得主姚期智院士:人工智慧存在三大技術瓶頸
    今天下午舉行的2020浦江創新論壇全體大會上，圖靈獎獲得者、中國科學院院士姚期智做了題為《人工智慧面對的一些挑戰》的演講。在他看來，人工智慧有三大技術瓶頸亟待突破，需要科學家「從0到1」的原創研究。 作為現代密碼學的奠基人，姚期智創立的上海期智研究院今年初在滬成立。目前，這家新型研發機構已匯聚4位兩院院士、20多位科學家和多所高校的青年人才。
  • 中鋁集團突破鋁燃料電池產業化技術瓶頸
    鋁燃料電池由於具有比能量高、適應性強、使用壽命長、對環境友好等優點，在軍事、民用、以及電信系統後備動力源、可攜式電源和新能源汽車動力電池等應用方面具有巨大的商業潛力，成為行業研究的熱點。但由於其存在一些技術瓶頸仍未解決，產業化推進速度緩慢。
  • 中科院、清華大學聯合發現「量子反常霍爾效應」 可衝擊諾貝爾獎
    由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯合攻關團隊，經過數年不懈探索和艱苦攻關，最近成功實現了「量子反常霍爾效應」。這是國際上該領域的一項重要科學突破，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學家獨立完成。
  • 京東姚霆:推理能力,正是多模態技術未來亟需突破的瓶頸!
    2018 年 6 月，姚霆加入京東 AI 研究院，擔任算法科學家，負責領導京東視覺與多媒體實驗室的視覺內容分析團隊，研究方向主要關注視頻內容理解、視覺與語言，以及大規模多媒體內容搜索。 以學術研究帶動產業落地，正是姚霆所帶領的團隊要做的事，在多模態技術研究上，這支團隊一直嘗試多模態領域有所突破，比如近期該實驗室在視覺與語言方向提出了一個全新的高階注意力機制（X-linear Attention Block），首次將其融入至圖像描述生成任務中，主要的技術創新是打破了傳統注意力機制中一階的特徵交互限制，通過所設計的高階注意力機制可以靈活地捕捉不同模態間高階乃至無窮階的特徵交互
  • 進展|本徵磁性拓撲絕緣體研究進展
    2010年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心方忠、戴希等理論預言磁性離子摻雜的拓撲絕緣體Bi2Te3是磁性拓撲絕緣體，具有量子反常霍爾效應，並與物理所和清華大學實驗團隊合作在2013年在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜中首次觀測到量子反常霍爾效應。
  • 北大研究團隊突破碳基半導體製備瓶頸
    上述研究得到國家重點研發計劃「納米科技」重點專項、北京市科技計劃、國家自然科學基金等資助。湘潭大學湖南省先進傳感與信息技術創新研究院、浙江大學、北京大學納光電子前沿科學中心等單位研究人員參與合作。該項工作突破了長期以來阻礙碳管電子學發展的瓶頸，首次在實驗上顯示出碳管器件和集成電路較傳統技術的性能優勢，為推進碳基集成電路的實用化發展奠定了基礎。
  • 改革、創新、引領——清華大學2016年科研工作回顧
    改革、創新、引領——清華大學2016年科研工作回顧記者 劉蔚如2016年的最後2個工作日裡，喜訊接踵而至：第19屆「中國高等學校十大科技進展」揭曉，清華大學3項成果入選（孫宏斌教授團隊的「複雜電網自律—協同無功電壓自動控制系統關鍵技術及應用」、謝道昕教授團隊的「植物分枝激素獨角金內酯的感知機制