磁性隨機存取記憶體的發展過程與未來趨勢

 

刊登日期:2018/5/5
  • 字級

近年來磁性隨機存取記憶體(MRAM)成為學術與工業界的熱門研究課題之一。尤其是自旋轉矩傳遞(STT)式的磁記憶體有希望扮演最後一階快取(Last Level Cache)的角色,讓MRAM的技術前景看好。

本文將從以下大綱,針對磁記錄在物理的發展歷史中,其概念性的演變作一個統整,並且強調未來應用純自旋流在MRAM元件的重要性。
‧背景簡介
‧從磁場翻轉到自旋轉矩傳遞
‧從自旋極化流到純自旋流
‧零場純自旋流源:自旋幫浦效應
‧結語

【內文精選】
近年來磁性記錄在記憶體的發展相當快速,寫入技術越來越日新月異,寫入方式大幅改變了磁性記錄的應用範圍。磁性寫入技術的演進可分為三種概念,如圖一所示,包括了使用磁場(Magnetic Field)、自旋極化流(Spin Polarized Current)以及純自旋流(Pure Spin Current)三種方式。用磁場寫入記憶元為歷史最悠久的方式;而自旋極化流利用極化方向的電荷攜帶磁矩,讓磁性記錄適合實用於記憶體領域;純自旋流更進一步省去了淨電荷交換過程,能減少功耗並增加可靠性。

圖一、翻轉磁矩的三種方式(a)磁場;(b)自旋極化流;(c)純自旋流
圖一、翻轉磁矩的三種方式(a)磁場;(b)自旋極化流;(c)純自旋流

從磁場翻轉到自旋轉矩傳遞
傳統的磁記錄是採用磁場翻轉的寫入方式。磁場翻轉的寫入模式是利用一組可控制電流的導線,在記錄媒體的局部施加磁場並將該區域磁化。這類磁性隨機存取記憶體(Magnetic Random Access Memory; MRAM)的設計如圖二(a)所示,是一個四端點元件(4-terminal Device),其中兩端點利用電流寫入、兩端點利用穿隧磁阻效應(Tunneling Magnetoresistance; TMR)量測磁化方向。然而人們很快就發現了此一設計在記憶體上的困難之處—難以微縮化。

由於翻轉磁矩所需的磁場並不會隨磁性材料的尺寸微縮而變小,一來是各單體間的磁場互相干涉會越微縮越嚴重;二來從法拉第定律(Faraday’s Law)可知道對MRAM來說,不論面積,每一位元的寫入電流幾乎是固定的。因此,位元數放大時,功耗就會等比例的增加。如此一來,元件尺寸微縮後,散熱將成為難以處理的問題。

零場純自旋流源:自旋幫浦效應
自旋幫浦效應在2006年藉由逆自旋霍爾效應(Inverse Spin Hall Effect),被發現是有效產生純自旋流的方法。自旋幫浦與逆自旋霍爾效應的機制如圖四所示,自旋幫浦為利用鐵磁共振(Ferromagnetic Resonance)產生的自旋矩轉自旋幫浦。傳統上,鐵磁共振是在一種利用外加射頻微波,激發鐵磁材料徑動(Precession)共振的現象。在一個多層薄膜結構中,處於鐵磁共振條件的鐵磁薄膜會將自旋矩傳遞至鄰近的非磁性層中。此一自旋矩的傳遞現象,即稱為自旋幫浦效應。自旋幫浦的效率大部分決定在鄰近層的自旋-軌道偶合(Spin-Orbit Coupling; SOC)作用上。

圖四、自旋幫浦與逆自旋霍爾效應的示意圖
圖四、自旋幫浦與逆自旋霍爾效應的示意圖

自旋矩振盪器是一種利用自旋電子流產生鐵磁共振,進而發射微波的薄膜結構。第一個能在零磁場下運作的自旋矩振盪器是在2007年由Houssameddine等學者發表於《自然》雜誌的子期刊《材料》(Nature Material)。零場自旋矩振盪器的經典結構為一個帶有垂直異向性的自旋閥元件,即如圖七中的三明治薄膜結構(極化層-中間層-自由層)。其中,極化層為垂直異向性的硬磁極化層(如鈷鉑多層結構),自由層為軟磁材料。如此,當加載直流電流時,自由層就會因為電流帶來的傳遞矩(Transfer Torque),而在特定電流...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:陳友生、林昭吟/國立台灣大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」377期,更多資料請見下方附檔。


分享