磁性材料及元件技術最新發展

 

刊登日期:2017/6/19
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湯士源/工研院材化所研究員

二、電壓驅動型磁電記憶體
隨著智慧可攜式行動裝置或IoT雲端設備之日益普及化,儲存裝置除了因應薄型化、長時間續航力等趨勢發展,如何能使作業系統於最短時間內達到快速啟動(instant on system),亦成為新世代記憶體往低耗電設計之開發重點。表一為已量產或研發中之動態記憶體比較表,一般來說,電子裝置常用揮發性記憶體DRAM,但當系統關機後,位元資訊亦將隨之消失而無法保留,不利於作業系統快速啟動。近年來,各領域專家亦開始積極研究開發更低耗電儲存之記憶體,其中電壓驅動型磁電記憶體因具非揮發性、高速讀寫、低耗電及高集積度之儲存優勢,被視為未來新世代夢幻記憶體。國際大廠如日商東芝(Toshiba)、韓系SK海力士(SK Hynix)和三星電子(Samsung Electronics),或是晶圓代工大廠如GlobalFoundries及IC設計龍頭高通(Qualcomm)亦紛紛相繼投入MeRAM研發。

表一、已量產及研發中之動態記憶體性能比較表
表一、已量產及研發中之動態記憶體性能比較表

 

首先,回顧磁性記憶體之發展歷程(圖一),傳統方式以一般電流驅動磁區翻轉如toggle結構,逐漸發展成以自旋極化電流驅動之水平或垂直式自旋傳輸記憶體(spin torque transfer magnetoresistive random access memory, STT-MRAM),其讀寫機制主要是利用自旋極化電流(spin-polarized current)移轉耦合效應,促使磁性膜層磁區翻轉及儲存位元資訊。雖然現階段STT-MRAM已有商品化,但讀寫能量仍偏高(~100fJ),已難以再往低耗電量發展。近年學者發現外加電壓亦會改變膜層磁異向性並及降低自由層與釘扎層之異向性能障Eb,有利於降低電流驅動磁區翻轉,以達到位元儲存及延長資料保存時間,形成電壓驅動型磁電記憶體MeRAM。因此MeRAM具有低驅動電流Ic、低讀寫功耗(~1fJ)及縮小電晶體尺寸以達到高集積度之儲存優勢。

圖一、磁性記憶體之發展歷程
圖一、磁性記憶體之發展歷程 (a) Toggle MRAM;(b) In-plane STT-MRAM;(c) Perpendicular STT-MRAM;(d) Voltage-controlled MeRAM

圖二為任教於John Hopkins大學之W.G. Wang教授研究探討MeRAM讀寫機制並發表於2012 Nature Materials,MeRAM之電阻態會隨著外加電壓改變而形成高電阻態為”1”或低電阻態為”0”之位元資料。圖三為由美國UCLA大學之K.L.Wang教授發表,模擬解析寫入脈衝寬度對自旋翻轉機率之關聯性,隨著寫入脈衝寬度增加時會改變磁性層之矯頑磁力及異向性,使得自旋電子產生徑動(precession),並由穩定態逐漸克服能障後翻轉至介穩態,研究結果顯示,外加電壓有利於降低驅動電流。儘管目前MeRAM仍有諸多物理機制及製程工法等問題需要克服解決,綜合來說,以記憶體之讀寫性能評估,MeRAM還是優於其他儲存媒體,相信未來仍深具潛力,可取代現有之揮發性記憶體,以達到更高速及低耗電之儲存需求。

三、磁性合金/鐵氧磁體複材
因應智慧型手機、平板及穿戴裝置等電子產品均朝向高頻、大電流、薄型化及多核電源之趨勢發展,電源模組設計亦必須朝高效能及低功耗目標邁進,其中影響最為顯著的是---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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